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在上期中，我們帶領(lǐng)大家探討了 ADC 瞬態(tài)電流需求，解讀了可提供平均電流和瞬態(tài)電流的多種電源配置并比較各種斷電方法的效果。

本期，為大家?guī)淼氖恰读私鉁y試和測量應(yīng)用中射頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的快速跳頻》，探討了跳頻技術(shù)及其演變，并對傳統(tǒng)方法和高級方法（例如通用輸入/輸出 (GPIO) 和快速重新配置接口 (FRI)）進行比較。

引言

隨著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的不斷發(fā)展，滿足軟件定義無線電、無線測試儀和頻譜分析儀等系統(tǒng)的多頻帶要求是一項挑戰(zhàn)。鑒于器件變得越來越復(fù)雜，在數(shù)控振蕩器 (NCO) 頻率之間轉(zhuǎn)換的速度更快，系統(tǒng)設(shè)計人員正在不斷重新評估傳統(tǒng)的跳頻方法。

本文將介紹跳頻技術(shù)的演變，并對傳統(tǒng)方法和高級方法（例如通用輸入/輸出 (GPIO) 和快速重新配置接口 (FRI)）進行比較。了解到這些進步后，你將能更深刻地理解有關(guān)單頻帶和多頻帶應(yīng)用優(yōu)化跳頻的寶貴見解。但是，要充分掌握現(xiàn)代系統(tǒng)如何滿足多頻帶要求，必須首先了解跳頻的基礎(chǔ)知識。

什么是跳頻？

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)（如 Wi-Fi 6 和 7 或正交振幅調(diào)制 (QAM) 編碼信號）中，頻譜本質(zhì)上是多頻帶，也就是說射頻 (RF) 域在每個頻帶內(nèi)包含多個通道。例如，Wi-Fi 6 和 7 在同一頻段內(nèi)的多個通道上運行，以便更大程度地動態(tài)提高帶寬和數(shù)據(jù)吞吐量，而 QAM 則涉及將數(shù)據(jù)編碼為單個通道內(nèi)的不同相位偏移和振幅級別。圖 1顯示了包含 7 個 QAM 通道的示例頻帶。

圖 1. 頻域中的多音調(diào)信號

直接射頻采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 結(jié)合了許多數(shù)字特性。實現(xiàn)直接射頻采樣的最重要特性之一是ADC 中的數(shù)字下變頻器 (DDC) 和 DAC 中的數(shù)字上變頻器 (DUC)。

在 ADC 中，DDC 由三個主要元件組成：NCO、數(shù)字混頻器和抽取器塊。NCO 在傳統(tǒng)接收器信號鏈中用作本地振蕩器的數(shù)字版器件，與輸入信號混合，在基帶（奈奎斯特區(qū) 1）中提供信號以及不需要的圖像。抽取器塊通過有限脈沖響應(yīng) (FIR) 抽取濾波器濾除圖像，然后通過下采樣降低信號帶寬。抽取器塊與中頻 (IF) 濾波器具有等效的數(shù)字效果。

在 DAC 中，DUC 包含一個內(nèi)插器、一個 NCO 和一個數(shù)字混頻器。與 ADC 中不同，內(nèi)插器對低帶寬輸入信號進行向上采樣，然后通過 FIR 濾波器傳遞以抑制圖像。在內(nèi)插器級之后，輸出信號饋送到數(shù)字混頻器，與 NCO 混合，從而使 DAC 能夠在具有較低輸入信號帶寬的寬奈奎斯特區(qū)上運行。

在射頻采樣轉(zhuǎn)換器的給定輸入上激活的 DDC 數(shù)量，決定了轉(zhuǎn)換器是在單頻帶輸出下運行還是多頻帶輸出下運行。本文將重點介紹跳頻的 ADC 內(nèi)容。

圖 2展示了德州儀器 (TI) ADC32RF55 的 DDC 示例。該器件是一款射頻采樣 ADC，能夠以 3GSPS 的速率進行雙通道、四頻帶運行。

圖 2. ADC32RF55 的功能方框圖

（每個通道四個 DDC）

通常，所需的頻帶可能會發(fā)生變化：同一個射頻采樣轉(zhuǎn)換器只需調(diào)整 NCO 頻率即可匹配新的頻段，而無需為每個頻段切換完全不同的信號鏈。這是現(xiàn)代射頻采樣轉(zhuǎn)換器的一項主要優(yōu)勢。將 NCO 從一個頻率更改為另一個頻率的行為稱為跳頻。

NCO 不直接生成模擬頻率，而是以高分辨率生成所需頻率的數(shù)字表示。每個 NCO 接收一個數(shù)字字（通常為 48 位或更高）。與 NCO 相位累加器組合使用時，該數(shù)字字可以表示適合數(shù)字混合級的信號。在對 NCO 編程時，對應(yīng)于所需 IF 的數(shù)字表示形式是編程的內(nèi)容，而不是實際頻率。NCO 頻率范圍通常在 –Fs/2 和 Fs/2 之間，其中 Fs 表示轉(zhuǎn)換器的采樣頻率。負(fù)頻率字用于偶數(shù)奈奎斯特區(qū)的信號，而正頻率字用于奇數(shù)奈奎斯特區(qū)的信號。

要確定高階 NCO 頻率在基帶中的位置，首要任務(wù)是在目標(biāo)頻率與采樣率之間執(zhí)行模數(shù)運算，以消除 Fs 的任意倍數(shù)。現(xiàn)在，目標(biāo) NCO 頻率介于 0Hz 和轉(zhuǎn)換器采樣率 Fs之間。

如果 NCO 頻率小于奈奎斯特頻率 (Fs/2)，則目標(biāo) NCO 頻率將轉(zhuǎn)換為奇數(shù)奈奎斯特區(qū)，如方程式 1 所示：

如果計算出的 NCO 頻率高于奈奎斯特頻率，則該頻率將位于偶數(shù)奈奎斯特區(qū)，如方程式 2 所示：

圖 3顯示了基頻信號 (Fund) 及其二階、三階和四階諧波（HD2、HD3 和 HD4）如何折回第一奈奎斯特區(qū)，盡管實際頻率分量位于更高階的奈奎斯特區(qū)。

圖 3. 諧波穿過高階奈奎斯特區(qū)折疊到奈奎斯特區(qū) 1

與傳統(tǒng) ADC 相比，射頻采樣 ADC 的一個優(yōu)勢是無需更改硬件即可切換頻段。這種固有的靈活性使射頻采樣 ADC 能夠快速適應(yīng)新的頻帶，而無需增加硬件元件，從而簡化了系統(tǒng)設(shè)計，并降低了成本。然而，這一發(fā)展不是一蹴而就的。在射頻采樣 ADC 的早期設(shè)計中，每個 NCO 和后續(xù) DDC 只提供了一個 NCO 字選項。因此，跳轉(zhuǎn)到另一個頻率需要多次寄存器寫入操作。

新 NCO 字必須通過串行外設(shè)接口 (SPI) 寫入，然后再寫入另一個寄存器，以便將新 NCO 字推入 DDC 塊，使其實際生效。跳頻所需的時間受多個因素影響，包括 NCO 字的長度和 SPI 事務(wù)速度。ADC 的寄存器大小通常限制為 8 位，因此總共需要七次寄存器寫入才能更新 48 位 NCO：六次寄存器寫入用于 NCO 字本身，另一次寄存器寫入用于更新 DDC。

考慮到每個 SPI 事務(wù)的開銷（通常是每個寄存器寫入 16 位地址），事務(wù)時間將變?yōu)槿丁＜僭O(shè) SPI 數(shù)據(jù)流的不間斷，當(dāng)串行時鐘信號 (SCLK) 速率為 20MHz 時，方程式 3計算的跳頻時間如下：

跳頻技術(shù)的演變

目前，射頻轉(zhuǎn)換器的設(shè)計中每個 DDC 包含多個 NCO 字，允許對 NCO 字進行預(yù)編程。這種創(chuàng)新方法通過將多個頻率值預(yù)加載到轉(zhuǎn)換器的存儲器中，可實現(xiàn)更快的跳頻。這種存儲預(yù)先計算的 NCO 字的概念就是快速跳頻中的“快速”。

圖 4按 ADC32RF55 的 NCO 索引和字索引展示了 48 位NCO 寄存器地址。盡管通道 A 和 B 的地址相同，但頻字是唯一的，因為該器件實現(xiàn)了寄存器映射分頁，該分頁可屏蔽未包含在活動頁中的寄存器，防止對其進行任何讀取和寫入操作。

圖 4. 按 ADC32RF55 的通道和 NCO 索引

排列的 NCO 字地址

對這些字進行編程后，如何實際選擇特定字呢？更改 NCO 字只需為 DDC 選擇一個新的 NCO 字。您可以通過 SPI 或 GPIO 引腳來執(zhí)行此操作。表 1展示了一個示例，說明如何根據(jù)活動頻帶的數(shù)量為 ADC32RF55 中的指定 DDC 選擇單個字。在標(biāo)準(zhǔn)配置中，每個 DDC 有四個唯一的 NCO 字；但在單頻帶模式下，相鄰 DDC 的四個 NCO 字也可以提供活動的 NCO，也就是說這意味著每個通道的 DDC 都可以訪問八個預(yù)編程的 NCO 字。

表 1. 通過 NCO 索引在 ADC32RF55 上選擇 NCO 字

執(zhí)行跳頻所需的時間因轉(zhuǎn)換器而異。一般情況下，SPI 方法只需要單個 SPI 事務(wù)的持續(xù)時間，而不是方程式 3 中所示的七個。SPI 的最大時鐘速率和串行數(shù)據(jù)傳輸所涉及的開銷會限制 SPI 方法的速度。假設(shè)使用相同的 20MHz SCLK，方程式 4顯示了器件啟動 NCO 字更改之前所需的時間：

相比之下，GPIO 方法的速度可以與 GPIO 輸入的更新速度一樣快。一旦電壓超過其高電平或低電平閾值，NCO 字就開始變化。

在這兩種方法中，一旦器件收到 NCO 字更改，內(nèi)部 NCO 字就會立即更新；但是，抽取濾波器必須清除所有舊值，因此會根據(jù)抽取因子產(chǎn)生一些額外的延遲。

表 2展示了 ADC32RF55 使用與新 NCO 頻率混合的數(shù)據(jù)刷新其抽取濾波器所需的時間。

表 2. ADC32RF55 上的抽取濾波器刷新時間

通常，GPIO 方法比 SPI 跳頻方法更快，因為 GPIO 接口與串行接口之間存在固有的并行特性。不過，需要考慮以下情況：在 GPIO 字選擇模式下，相同的字索引將應(yīng)用于所有活動的 DDC。當(dāng)在 DDC2 上使用字 3 時，器件無法在 DDC1 上使用字 1；GPIO 接口會將所有 DDC 設(shè)置為相同的字索引。

另一種方法是 FRI，它通過特定器件引腳發(fā)送數(shù)據(jù)的速度比標(biāo)準(zhǔn) SPI 支持的速度快得多。某些器件（例如 TI DAC39RF12）可以支持高達(dá) 200MHz 的 FRI 通信。您可以使用它來選擇活動的 NCO 字。

測試和測量中的應(yīng)用

鑒于各種應(yīng)用不斷發(fā)展的多樣化需求，支持多個頻段對于測試和測量設(shè)備至關(guān)重要。寬帶測試設(shè)備能夠在多個頻率范圍內(nèi)運行，因此是一款用于對不同系統(tǒng)和技術(shù)進行全面測試的通用工具。隨著技術(shù)進步和新頻段的出現(xiàn)，設(shè)備越來越需要能夠在多個頻段之間快速適應(yīng)和切換。

在頻譜分析儀中，快速跳頻技術(shù)通過減少掃描時間和提高檢測瞬態(tài)信號的能力來實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的測量。采用多個 NCO 或快速重新配置方法（如 FRI）的高級 ADC 具有快速切換功能，可在廣泛的頻率范圍內(nèi)進行更高效的分析，從而提高頻譜分析儀在研究和現(xiàn)場應(yīng)用中的整體性能和實用性。

對于無線測試儀，快速跳頻技術(shù)在通信系統(tǒng)的特征描述和故障排除方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過實現(xiàn)頻率間的快速轉(zhuǎn)換，這些技術(shù)可提高信號保真度，縮短測試周期。此功能尤其適合評估無線器件在多頻率條件下的性能。

除頻譜分析儀和無線測試儀之外，快速跳頻技術(shù)在許多其他測試和測量應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。例如，通用信號分析儀和射頻信號發(fā)生器可以利用這些技術(shù)在多個頻帶上提供更靈活、更準(zhǔn)確的測試。多頻帶接收器還能夠在頻帶之間快速切換，確保在動態(tài)測試環(huán)境下具有可靠的性能。

結(jié)論

通過實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的頻率轉(zhuǎn)換，快速跳頻技術(shù)可提高靈活性、精度，并更好地適應(yīng)不斷變化的技術(shù)需求。隨著對測試和測量設(shè)備的需求不斷增長，了解并實施快速跳頻方法對于保持前沿性能和確保全面的測試功能至關(guān)重要。