Обеспечение детерминизма фазы при включении с PLL-синтезаторами и системной калибровкой

В первой части этой серии мы изучили, как гарантировать известную, детерминированную фазу для каждого канала в сложных RF-подсистемах, интегрирующих несколько DSP-блоков, широкополосных ЦАП и АЦП. Вторая часть фокусируется на фазовых корректировках PLL-синтезаторов, масштабируемости к большим массивам и компактном алгоритме системной калибровки, работающем без внешнего оборудования.

Фазовые корректировки PLL-синтезаторов

Мы выбрали PLL ИС, обеспечивающие тонкую, на-оцифровщик фазовую настройку. Температурный дрейф фазовой связи PLL с SYSREF компенсируется обратной связью, заставляющей первый передающий канал каждого оцифровщика локиться на первый канал референсной ИС. Первый передающий канал излучает уникальный сигнал (Рисунок 1), который вместе с остальными тремя каналами маршрутизируется к общему приёмнику (Rx0). Одновременный приём всех каналов позволяет кросс-корреляции извлечь комплексные фазовые смещения, Φ_TxOffset.

Каждый PLL содержит управляемый напряжением генератор (VCO), работающий на f_{VCO_PLL}. Измеренные смещения связаны с требуемой PLL-коррекцией, Φ_{PLL_Adj}, и несущей частотой f_carrier выражением, показанным в Уравнении 1.

Рисунок 1. Фазовая коррекция PLL-синтезатора выравнивает первый передающий канал каждого оцифровщика.

Применение Φ_{PLL_Adj} устанавливает общую передающую базу по всем оцифровщикам для каждого цикла включения (Рисунок 2). Открытые круги обозначают первый цикл; сплошные точки — последующие циклы, демонстрируя, что откалиброванные фазовые смещения первого и второго канализаторов остаются выровненными несмотря на переменные тепловые градиенты.

Рисунок 2. Коррекция фазы PLL выравнивает первый передающий канал всех оцифровщиков.

Рисунок 3 показывает, что температурные вариации по платформе — вызванные разными потоками вентиляторов — эффективно компенсируются. Плотная кластеризация одинаково окрашенных точек в верхних графиках подтверждает детерминированные приёмные и передающие фазовые смещения после коррекции PLL, независимо от теплового градиента. Опрос значений регистров в правом нижнем углу подтверждает, что фазовая связь SYSREF-LEMC нейтрализована.

Рисунок 3. MCS в сочетании с фазовой коррекцией PLL даёт детерминизм фазы при включении по всем каналам, даже под термическим стрессом.

Тестировались множественные RF частоты для подтверждения робастности подхода MCS и PLL. Рисунок 4 перечисляет использованные частоты, выбранные для покрытия как целых, так и нецелых кратных опорного такта и LEMC.

Рисунок 4. RF частоты, демонстрирующие производительность MCS по разным тактовым источникам.

Масштабируемость к множественным подмассивам

Хотя представленные данные фокусируются на уровне подмассива, те же принципы расширяются на полные массивы. Массивный уровень дерева тактирования распределяет запросы SYSREF и тактовые сигналы базовой обработки (BBP) каждому подмассиву в одном цикле тактового сигнала выборки. Каждый подмассив затем генерирует необходимые SYSREF и BBP такты для своих оцифровщиков, обеспечивая глобальную синхронизацию по всей системе.

Алгоритм системной калибровки

Хотя MCS обеспечивает детерминированную фазу на канал, вариации длины трасс в RF-фронтенде всё ещё могут вводить межканальные смещения. Для разрешения этого мы реализовали самодостаточную калибровочную рутину, использующую базовое волновое формирование, вводимое в каждый канализатор.

Волновая форма состоит из однопериодного импульса на передающий канализатор (Рисунок 5). Импульсы стаггерированы так, что только один импульс излучается за раз, и комбинированный сигнал маршрутизируется обратно ко всем приёмным каналам. Одновременный захват даёт матрицу 4096 × 16 отсчётов, по одному для каждого из 16 приёмных каналов.

Рисунок 5. Системная калибровка выравнивает все приёмные и передающие каналы, используя MCS и последовательность базовых импульсов.

Вертикальный анализ идентифицирует импульс от Tx0 в колонке Rx0; последующие импульсы локализуются соответственно. Комплексная фаза нарастающего фронта каждого импульса вычисляется и сохраняется в векторе 1 × 16. С Tx0 как референсом, все передающие NCO фазы корректируются к совпадению.

Горизонтальный анализ по матрице определяет фазы приёмных каналов относительно Rx0. Полученный вектор 1 × 16 используется для обновления приёмных NCO, достигая фазового выравнивания по подмассиву (Рисунок 6). Хотя амплитудное выравнивание не встроено, на-чип FIR фильтры могут скорректировать любые амплитудные несоответствия без чрезмерных FPGA ресурсов.

Рисунок 6. 16-канальное приёмное I/Q фазовое выравнивание, достигнутое через MCS и системную калибровку.

Реализованная в MATLAB® эта рутина завершается примерно за три секунды. HDL-реализация сократила бы время ещё больше, оставаясь самодостаточной. Если системная частота и амплитуда известны при загрузке, фазовые смещения могут быть загружены из таблицы поиска, созданной при заводской калибровке, устраняя необходимость повторных измерений.

Заключение

Статья демонстрирует полный рабочий процесс MCS с четырьмя ИС Analog Devices AD9081 MxFET®, термической компенсацией с ADF4371 PLL и часовой ИС HMC7043 для распределения JESD204C. MCS упрощает калибровку при загрузке и доставляет детерминированную фазу по множественным частотам и термическим условиям. Сопутствующий алгоритм калибровки заполняет таблицы поиска, драматически сокращая время запуска системы. Это решение — известное как платформа Quad‑MxFE — идеально для фазированных антенных решёток, РЭБ, инструментов и 5G базовых станций.

Рисунок 7. Платформа Quad‑MxFE доступна для покупки у Analog Devices.

Ссылки

• Del Jones. «JESD204C Primer: What's New and In It for You—Part 1.» Analog Dialogue, Vol. 53, No. 2, June 2019.
• Del Jones. «JESD204C Primer: What's New and In It for You—Part 2.» Analog Dialogue, Vol. 53, No. 3, July 2019.