基站射頻卡時鐘樹設計方案

由于偶爾需要支持遠程射頻頭內的射頻卡，大多數射頻卡會采用一個基于鏈路到基站的恢復時鐘作為輸入時鐘。這些單輸入時鐘的質量很差，可能需要清理明顯的抖動，為的是有效生成射頻卡上的其他時鐘。

　　因此，射頻卡時鐘樹的核心必須是一個具有可編程輸出頻率的抖動衰減器。本文的其余部分將討論性能屬性和需要這些性能屬性的原因，以及其他時鐘樹要求。

　　射頻卡架構注意事項

　　當今，大多數基站射頻卡設計執行的許多操作都需要在數字域中建立或終止LTE或多載波GSM等協議信號。這是處理錯誤校正、信道映射和數字分割I、Q數據流的更簡單方法。這種復合信號的復雜數據流還需要在發送和接收兩個方向進行非常小心的濾波/信號處理。在數字域這樣做可以避免像精密元件值匹配的代價。

　　盡管數字操作多種多樣，在某些時候信號必須調制成一個載波，它可以在824MHz～2.62GHz范圍內并以模擬信號傳輸。大多數基站架構的地址多信道協議包括LTE、WiMax和多載波GSM使用的單級模擬轉換方法，如圖1所示。

　　圖1 典型的LTE射頻卡架構

　　在發送端，除第一次調制外，各子載波都合并成一個數字流。這個基帶信號隨后由DAC轉換為移相偏移模擬I、Q數據流，然后通過正交模擬混頻器向上轉換為傳輸頻率。可變和固定增益放大器以及雙工濾波器用于將有用信號沿著路徑提高到其傳輸頻段的所需強度，而只增加了少量噪聲及失真，同時最大限度減少了傳輸頻段以外的能量，以防止對其他射頻信道的干擾。

　　在接收端，射頻信號通常經過放大、濾波，然后通過一個混頻器轉換為75～250MHz范圍的較低中頻(IF)，在該范圍內射頻信號通過一個可變數量、經過濾波并最后由一個流水線ADC根據奈奎斯特準則采樣進一步放大。然后，在數字域中處理子載波的下變頻和解調。接收器的目標是在ADC獲得最小附加噪聲和互調失真之前，完成這個信號調理，同時避免超過ADC的最大范圍。

　　射頻卡架構師更愿意盡可能地集成時鐘樹。不僅是上述理由，而是由于每個時鐘樹元件都有自己的抖動貢獻，它可以推動時鐘信號超出規范。有了這種集成，不僅可產生射頻與中頻調制時鐘，而且可以產生ADC和DAC的采樣時鐘及其他數字元件時鐘，如CPU、ASIC和FPGA。

　　與涉及射頻信號路徑的時鐘相比，這些數字元件的時鐘通常有更寬泛的規格;周期抖動是最常見的主要問題。當隨著這些更敏感的時鐘在同一個芯片上生成這些時鐘時，會出現兩個問題。首先，數字時鐘信號很少是射頻卡輸入時鐘信號的整倍數，所以必須利用分數反饋或小數輸出分頻技術來生成。然而，這兩種技術要在時鐘芯片內和時鐘輸出上引入明顯的寄生含量。其次，數字時鐘芯片(或生成時產生的任何寄生含量)降至接近射頻、中頻或采樣頻率無法輕易過濾掉，所以必須加以避免。這些響應區域以外的頻率分量可能降低信噪比，無論是否作為寬帶噪聲(如果沒有濾波)還是通過混疊進入臨界頻率范圍都是如此。混頻器、ADC和DAC的頻率影響

　　混頻器是一種用來將高頻率信號與低頻率信號相互轉換的模擬元件。在大多數基站射頻卡設計中，混頻器是將信號從射頻轉換到中頻或從基帶轉換到射頻。時鐘樹設計關注的主要問題是頻率混疊問題。當多個頻率通過一個非線性器件時，這些頻率會互相影響。這些相互作用被稱為互調積。混頻器的功能是獲得兩個輸入頻率并生成一個輸出頻率，要么是兩個頻率的和(上轉換)，要么是兩個頻率的(降頻)差。

　　現今的射頻卡旨在恢復多載波性質的信號。因此，理想的信號不是單音頻線的有用信號，而是包含全系列的音頻線，它均勻分布在整個響應頻段。這些線代表被恢復的各個信道。不幸的是，因為這個多載波信號貫穿于混頻器等非線性元件，這里的每個信道都將彼此互調。信道的整齊間隔將導致奇數階積幾乎完全落在被恢復的信道頂部。放在混頻器前的濾波器將用于減弱噪聲，這將有助于實現偶數階積。放在混頻器后的濾波器將消除下降到響應頻段以外的互調積，但對于帶內奇數階積什么事也做不了，因為它們下降得過于接近有用信號。

　　雖然放在混頻器后的帶通濾波器可以省去不想要的潔音線，這還算不錯，但采樣時鐘的任何抖動都會將潔音線轉入一個邊緣(skirt)，如圖2所示。來自每個不受歡迎積的邊緣的尾巴將對濾波器通帶內有一定的影響，這稱為寬帶噪聲。混頻器產生的任何時鐘(或ADC或DAC)必須有一個極低的噪聲層，以減少其寬帶噪聲。

　　圖2 相互混頻的效果

　　不需要的信號被稱為“干擾”或“阻斷(blocker)”，進入混頻器的輸入將對時鐘信號的規格產生影響。它們可能包含通過天線接收的其他信號，或耦合進入接收信號路徑的系統內部信號。雖然可將有用信號從廣泛頻率中分離出來的“阻斷”可通過預濾波器得到明顯抑制，但接近有用信號的頻率仍會通過。此外，在像LTE這樣的協議中，有用信號具有較低的平均功率，即使是通過濾波器來衰減“阻斷”，可能仍然含有足夠的能量與有用信號競爭。

　　這種就是進入混頻器的時鐘相位噪聲邊緣必須盡可能“窄”的原因。“阻斷”上相互混頻的相位噪聲的傳播必須保持在最低限度。射頻卡設計的主要挑戰之一是選擇卡的頻率，著眼于最大限度地從有用信號的頻率中分離“阻斷”及其互調積。