Детерминизм фазы включения:синтезатор ФАПЧ и калибровка на уровне системы

В первой части этой серии статей мы исследовали, как достичь известных (детерминированных) фаз для всех каналов в чипах, интегрированных с несколькими блоками цифровой обработки сигналов (DSP), широкополосными цифро-аналоговыми преобразователями (DAC) и широкополосными аналоговыми преобразователями. -цифровые преобразователи (АЦП). Мы начали с высокоуровневой блок-схемы системы, использующей древовидную структуру тактовых импульсов подмассива, и описали метод синхронизации нескольких микросхем. Во второй части мы рассмотрим регулировку фазы синтезатора ФАПЧ, масштабируемость до нескольких подмассивов и алгоритмы калибровки на уровне системы.

Регулировка фазы синтезатора с ФАПЧ

Выбранные ИС синтезатора ФАПЧ были выбраны так, чтобы учесть относительную регулировку фазы синхросигнала дискретизации, вводимую в каждую ИС дигитайзера. Температурный дрейф и результирующий дрейф фазы ФАПЧ между тактовой частотой выборки и SYSREF каждой ИС компенсируется созданием механизма обратной связи, который гарантирует, что первый канал передачи каждой ИС дигитайзера совмещен по фазе с первым каналом передачи ИС первого дигитайзера. Чтобы реализовать этот контур обратной связи, первый канал передачи каждой ИС выдает сигнал, который отличается от других каналов передачи, как показано на рисунке 1. Эти четыре сигнала объединяются и отправляются в общий приемник, который для этой системы обозначен как Rx0. .

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 1. Функция регулировки фазы синтезатора ФАПЧ позволяет выровнять первый канал передачи каждой ИС дигитайзера по подмассиву. (Источник:Analog Devices)

Одновременные данные приема получаются для всех каналов приема, что затем позволяет пользователям применять методы взаимной корреляции и определять комплексные фазовые сдвиги между этими четырьмя каналами передачи, Φ _TxOffset . Микросхемы синтезатора ФАПЧ содержат внутри себя генератор, управляемый напряжением (ГУН), который работает на частоте ƒ _{VCO_PLL} .

Измеренные сдвиги фазы Φ _TxOffset затем связаны с требуемой регулировкой фазы ФАПЧ Φ _{PLL_Adj} и частота RF ƒ _{перевозчик} такое, что:

Используя эту формулу, фазы синтезатора ФАПЧ можно отрегулировать на новую известную величину, чтобы установить общую базовую линию передачи между всеми ИС дигитайзера для всех циклов питания, как показано на Рисунке 2. Белые кружки для каждого канала, показанные на Рисунке 2, соответствуют первый цикл питания, тогда как все остальные сплошные точки соответствуют последующим циклам питания. Как видно из этого рисунка, откалиброванные сдвиги фазы передачи для первого (и второго) преобразователя каналов всех микросхем дигитайзера выровнены по фазе. Второй преобразователь каналов каждой ИС дигитайзера также выровнен в этом случае, потому что два преобразователя каналов используются для каждого ЦАП в системе.

Добавление этого шага регулировки фазы синтезатора ФАПЧ перед подпрограммами MCS, описанными в предыдущем разделе, тем самым создает детерминированную фазу для всех индуцированных температурных градиентов в системе, заставляя систему работать с одним и тем же соотношением фаз выборки и SYSREF, что проявляется как передача базовый уровень выравнивания по всем микросхемам дигитайзера.

щелкните, чтобы увидеть изображение в полном размере

Рис. 2. Регулируя фазу ФАПЧ, пользователь может настроить первый канал передачи всех микросхем дигитайзера. (Источник:Analog Devices)

На рисунке 3 показано, что индуцированный температурный градиент может быть обнаружен с помощью блока измерения температуры (TMU) на каждой микросхеме синтезатора ФАПЧ. Как видно из синей кривой в нижнем левом углу рисунка 3, сильно различающиеся температуры на платформе были намеренно вызваны применением различных потоков воздуха от вентилятора к системе. Однако использование регулировки фазы ФАПЧ для каждой ИС демонстрирует, что независимо от воздушного потока, подаваемого на плату, откалиброванные сдвиги фазы NCO для каждого канала приема и передачи являются детерминированными, когда вынуждают первый преобразователь канала передачи каждой ИС дигитайзера быть согласованным с каждым разное. Это обнаруживается при наблюдении плотного скопления точек одного цвета на двух верхних графиках на Рисунке 3, несмотря на разные температурные градиенты, применяемые к плате во время разных циклов питания.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 3. Функция MCS, используемая в сочетании с функцией регулировки фазы ФАПЧ, демонстрирует детерминизм фазы включения питания для всех каналов приема и передачи, независимо от теплового градиента, наведенного на платформе. (Источник:Analog Devices)

В правом нижнем углу рисунка 3 показаны регистры ИС дигитайзера с опросом, которые показывают измеренное соотношение фаз SYSREF-LEMC после применения фазового сдвига синтезатора ФАПЧ. Обратите внимание на оранжевые кривые на нижнем левом графике, что настройки фазы синтезатора ФАПЧ полностью компенсируют любые измеренные ненулевые фазы SYSREF, возникающие в результате другого индуцированного температурного градиента.

Было измерено множество частот, каждая из которых демонстрирует детерминированную фазу приема и передачи. Частоты, выбранные для этой статьи, показаны на рисунке 4 и были выбраны таким образом, чтобы MCS демонстрировалась на многих индуцированных температурных градиентах при использовании нецелых кратных эталонных часов или LEMC.

Рис. 4. ВЧ-частоты, используемые в этой статье, выбраны для демонстрации функций MCS в широком диапазоне источников тактовой частоты, включая нецелые кратные опорной частоты и LEMC. (Источник:Analog Devices)

Масштабируемость до нескольких подмассивов

Данные, представленные в этой статье, в первую очередь ориентированы на производительность MCS на уровне подмассива, но также необходимо обеспечить, чтобы эти функции синхронизации были реализованы на более крупном уровне массива и между несколькими подмассивами. Для достижения этого более высокого уровня синхронизации требуется дерево тактовых импульсов на уровне массива, чтобы гарантировать, что запросы SYSREF к каждому подмассиву, показанному на рисунке 1 в Части 1, синхронно поступают в ИС тактового буфера каждого подмассива. Затем, учитывая этот критерий, каждый подмассив может выдавать требуемые SYSREF и тактовые импульсы BBP, как описано ранее, так что эти сигналы поступают на микросхемы дигитайзера подмассивов и BBP в пределах одного и того же тактового цикла отсчетов по большему массиву. Это дерево тактовых импульсов на уровне массива требует, чтобы распределение тактовых импульсов по каждому подмассиву обладало блоками регулировки задержки, необходимыми для достижения синхронного распределения запроса SYSREF на каждую из микросхем синхросигнала подмассива нисходящего потока. Таким образом, несколько BBP, подключенных к нескольким подмассивам, в конечном итоге синхронизируются.

Алгоритм калибровки на уровне системы

Хотя алгоритмы MCS, показанные в предыдущих разделах, действительно обеспечивают детерминированную фазу включения питания для каждого канала приема и передачи, эти фазы не обязательно выровнены по фазе по всем каналам в пределах области RF из-за любых различий в длинах трассы внешнего интерфейса RF по каналам. . Следовательно, хотя алгоритмы MCS действительно упрощают процесс калибровки массива, по-прежнему существует необходимость пройти процедуру калибровки на уровне системы, чтобы выровнять фазы каждого радиочастотного канала в системе.

Следовательно, необходимо разработать эффективный алгоритм калибровки на уровне системы в дополнение к выполнению алгоритмов MCS. В методе калибровки на уровне системы, описанном в этой статье, используется конкретная форма волны основной полосы частот, и он полностью автономен и не требует использования какого-либо внешнего оборудования. Система, описанная в этой статье, способна вводить отдельные осциллограммы основной полосы частот в каждый формирователь каналов на платформе. Используя эту возможность, сигнал основной полосы частот, состоящий из однопериодного импульса для каждого преобразователя каналов передачи, вводится в подмассив, как показано в нижнем левом углу рисунка 5. Таким образом, каждый преобразователь каналов передачи выдает только один импульс. Однако формы сигналов распределены по всем каналам передачи, так что по всей системе в каждый момент времени выводится только один однопериодный импульс. Выходные данные всех преобразователей каналов передачи объединяются в пределах области RF, а затем разделяются и отправляются обратно во все каналы приема, как показано в верхней части рисунка 5. Наконец, одновременный захват данных приема выполняется для всех каналов приема, и данные сохраняются. в матрицу 4096 × 16, где 4096 - размер выборки, собранной для всех 16 каналов приема.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 5. Алгоритм калибровки на уровне системы используется вместе с MCS для быстрого согласования всех каналов приема и передачи в системе. (Источник:Analog Devices)

Затем эти данные анализируются по вертикали вдоль первого столбца (соответствующего Rx0) для определения местоположения импульса канализатора Tx0, как показано на верхнем подграфике в правом нижнем углу рисунка 5. После того, как импульс Tx0 идентифицирован, все другие местоположения импульсов известны. и комплексная фаза нарастающего фронта каждого импульса вычисляется и сохраняется в векторе 1 × 16, который соответствует измеренным фазовым сдвигам, присутствующим во всех каналах передачи по всей системе. Обладая этими знаниями и используя Tx0 в качестве базовой линии, сложные фазы всех каналов передачи затем изменяются на основе измеренных смещений.

Точно так же, поскольку один и тот же комбинированный сигнал отправляется во все каналы приема, данные затем анализируются по горизонтали вдоль матрицы (просматривая все каналы приема). Затем комплексные фазы всех каналов приема измеряются относительно Rx0 и сохраняются в векторе 1 × 16, соответствующем измеренным сдвигам фазы приема, присутствующим в системе. Затем комплексные фазы приемного NCO регулируются по всей подматрице для выравнивания фазы всех каналов относительно Rx0, как показано синфазным (I) и квадратурным (Q) кодами АЦП для всех 16 каналов приема на рисунке 6. Можно заметить, что хотя график на Рисунке 6 по фазе выравнивает все каналы, он не обязательно выравнивает по амплитуде все каналы. Однако, используя встроенные фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ), которые сейчас присутствуют на этих ИС дигитайзера, можно альтернативно добиться выравнивания амплитуды и фазы по каналам без необходимости выделять энергоемкие ресурсы ПЛИС для достижения того же результата.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 6. 16-канальное выравнивание фазы I&Q при приеме достигается с помощью MCS и автономного алгоритма калибровки на уровне системы. (Источник:Analog Devices)

Этот алгоритм калибровки системного уровня в настоящее время достигается в MATLAB ^® и занимает примерно три секунды. Однако, если он реализован на языке описания оборудования (HDL), это время калибровки может быть дополнительно сокращено при сохранении полностью автономного алгоритма. Кроме того, полагаясь на алгоритмы MCS, если частота и амплитуда системы известны при загрузке, пользователи могут загружать значения фазового сдвига из справочной таблицы вместо необходимости проводить измерения, описанные в этом методе калибровки на уровне системы. В этом случае метод калибровки на уровне системы можно использовать для заполнения сдвигов фазы, сохраненных в справочной таблице во время заводской калибровки.

Заключение

Успешный процесс MCS был продемонстрирован с использованием четырех микросхем Analog Devices AD9081 MxFETM в качестве основы подмассивов. Температурные градиенты на платформе компенсируются с помощью блоков регулировки фазы в четырех синтезаторах ADF4371 с ФАПЧ. ИС синхронизации HMC7043 используется для распределения SYSREF и тактовых импульсов BBP, необходимых для интерфейса JESD204C. Алгоритмы MCS в AD9081 позволяют упростить калибровку на уровне системы и обеспечить детерминированную фазу включения питания для нескольких частот и температурных градиентов, присутствующих в системе. Также представлен эффективный алгоритм калибровки на уровне системы, который используется для заполнения таблиц LUT во время заводской калибровки и, следовательно, значительно сокращает время загрузки системы. Эта платформа показана на рисунке 7 и называется Quad-MxFE. Систему можно приобрести в компании Analog Devices. Эта работа актуальна для любой многоканальной системы, присутствующей в любом радаре с фазированной антенной решеткой, радиоэлектронной борьбе, контрольно-измерительной аппаратуре или платформе 5G.

Рис. 7. Платформу Quad-MxFE можно приобрести в компании Analog Devices. (Источник:Analog Devices)

Ссылки

1 Дель Джонс. «Учебник по JESD204C:что нового и что есть в нем для вас - часть 1.» Аналоговый диалог , Vol. 53, No. 2, июнь 2019.

2 Дель Джонс. «Учебник по JESD204C:что нового и что есть в нем для вас - часть 2». Аналоговый диалог , Vol. 53, No. 3, июль 2019 г.