ADS5287及其在MIMO接收机中的应用

摘  要： 介绍了TI公司模数转换器ADS5287的性能特点。用ADS5287作为模数转换器设计了MIMO中频接收机电路，完成了系统的PCB设计，并使用Hyperlynx软件中的Boradsim工具对设计中重要的高速信号线做了信号完整分析。
关键词： A/D转换；MIMO中频接收机；ADS5287；Hyperlynx；信号完整性
   　随着各种无线通信业务和宽带数据业务的不断发展，无线频谱资源越来越紧张。如何更高效地利用有限的频谱资源成为无线通信研究的焦点。多天线技术(MIMO)充分利用了空间资源，可以通过空间复用、空间分集或智能天线技术，达到提高数据比特率、降低误码率或提高信噪比的目的。MIMO技术可以在不增加系统带宽和天线总发射功率的情况下大幅提高信道容量，近年来成为无线通信研究的热点，得到了较为广泛的应用。
     在MIMO接收机中，多根接收天线对模数转换模块的通道数目提出了要求，而且要求各通道的信号延迟和增益要相同。TI公司的8通道模数转换器ADS5287的时钟分配电路能将各通道的孔径延迟误差控制在±20 ps以内，并且8个模数转换通道均使用同一个参考电压，保证各通道的延迟和增益是相同的，所以该芯片适合用于MIMO接收机的模数转换。另外，TI公司在ADS5287的制造过程中，对每一块芯片的内部参考电压电路进行了校准，使得不同的芯片之间的参考电压一致，有利于在一个设计中使用多块ADS5287，同时保证每一个通道的增益相同，便于对系统的天线数目进行扩展。所以，本文选用ADS5287设计了用于MIMO中频接收机的硬件电路。
     在该设计中输入信号为中频信号，在设计AD前端驱动电路时需要考虑与中频输入信号线阻抗匹配的问题。ADS5287采样为中频采样，采样频率较高，同时每个通道的数据输出方式为串行输出，数据速率高达650 Mb/s。所以在PCB设计中需要充分考虑数字信号的完整性问题。
1 系统结构
     系统结构框图如图1所示。本设计采用TI公司的ADS5287对射频前端输出的8路中频信号进行采样，采用MINI公司的RF变压器TC1-1T+将单端中频信号转换为差分信号，作为ADS5287的模拟输入。采用Altera公司的CycloneⅢ系列FPGA芯片EP3C120F780C7N作为信号处理芯片，对模数转换得到的数据进行数字下变频及基带信号处理。使用TI公司的时钟发生芯片CDCE62005为AD采样芯片和FPGA提供时钟。使用宏晶公司的单片机STC89LE52来配置CDCE62005和ADS5287。
   
   2 ADS5287简介
     ADS5287是一款高性能、低功耗的8通道模数转换器，分辨率为10 bit，最高采样率可达65 MS/s，模拟输入带宽为520 MHz。ADS5287由时钟管理、模数转换、片内参考电压电路、控制寄存器、并串转换、LVDS驱动、功耗管理等模块组成。
     ADS5287的采样时钟输入电路支持LVCMOS、LVPECL和LVDS电平标准。ADS5287中从时钟源到各个通道采样电路的时钟路径匹配，保证了各通道之间的孔径延迟误差在±20 ps以内。
     由于采用了基于开关电容的差分采样保持结构，ADS5287的模拟输入电路在输入信号频率较高或采样频率较高的情况下仍然具有良好的交流性能。在输入模拟信号频率为25 MHz、采样频率为65 MS/s的条件下，其信噪失真比（SINAD）可达62 dB[1]。
     ADS5287内部用一个参考电压电路为8个ADC通道提供参考电压，这样，同一块芯片上的8个ADC通道所使用的参考电压均相同。另外，在制造过程中，每一块芯片的参考电压都经过校正，保证了不同芯片之间的ADC通道所使用的参考电压都是相同的。这有利于在一个MIMO接收机中使用多片ADS5287，同时保证每一个ADC通道的增益相匹配，便于对系统的天线数目进行扩展。
     ADS5287内部有一组控制寄存器，控制整个芯片的工作方式。控制寄存器可以通过信号线CS、SCLK和SDATA按照规定的时序串行配置。通过对控制寄存器的配置，可使芯片工作在不同的模式。例如，可使整个芯片或部分ADC通道工作在休眠模式以节省功耗，可以选择LVDS输出的驱动能力以适应不同的负载等。在使用时可根据需要对ADS5287进行配置。
3 中频接收机中ADS5287外围电路的设计
3.1 时钟
     对于模数转换器，时钟信号的稳定性很重要。采样时间的定时误差将造成采样幅度的误差，进而降低信噪比。模数转换器的信噪比和各影响因素的关系[5]如下：
     
其中，fa为输入模拟信号的频率，tJ为时钟信号抖动的RMS值，ε为ADC的平均DNL，N为ADC的分辨率，Vn为热噪声。由式（1）可知，当信号输入频率较高时，时钟的稳定对信号的SNR影响很大。所以在本设计中使用TI公司的低抖动时钟发生芯片CDCE62005为ADS5287提供LVDS电平的时钟信号。时钟信号采用交流耦合方式。差分的时钟驱动有利于抑制共模噪声对时钟的干扰，降低时钟抖动，提高时钟稳定性。
3.2 模拟输入
     ADS5287的模拟信号输入端需要从外部提供1.5 V的直流偏置电压，该电压可由ADS5287的Vcm引脚提供。ADS5287的模拟输入引脚需要一个直流偏置电流，8个ADC的输入总共需要直流电流的强度[1]为：