AD936x 系列快速入口
校准、数据接口 (CMOS) 在AD9361 介绍 (下)
MGC、Slow AGC、Fast AGC补充: AD9361 补充(上)
通过AD936x Evaluation Software加深了解: AD936x 配置软件介绍 上
AD9361有几种增益控制模式,AGC (automatic gain control)模式适用于时分双工(TDD)和频分双工(FDD)场景,也有手动增益控制(MGC)模式,BBP可以控制接收机的增益。
如上图所示,AD9361接收信号的路径可以被分割成几个块,几乎所有块的增益都是可变的。
如上图所示,每个接收通道都有自己的增益表,AD9361使用指针指向增益表中的一行,该行包含每个独立增益模块的增益值。增益索引(指针)映射到一组增益值(每个增益块的)。增益表将增益控制字映射到每个可变增益模块,指向表的指针确定发送到每个块的控制字值。无论使用自动增益控制(AGC)还是手动增益控制(MGC),指针都会在表格中上下移动,从而改变上图所示的一个或多个模块的增益。
全表模式下单个增益表包含Rx信号路径中的所有可变增益模块,上图显示了完整增益表的一部分。该图还显示了每个增益索引(如LPF INDEX)旁边的每个模块的增益。如果指针向上或向下移动,一个或多个块的增益都将改变,如果增益指针向下移动一步(55指向索引54),LNA增益和LPF增益都将改变。这可以使AD9361能够处理变化很大的电平信号,同时仍能优化噪声系数和线性度。
在经常出现高功率带外干扰信号的情况下,可以拆分增益表来优化存在这些干扰时的噪声系数,使用独立的指针控制LMT增益和LPF增益以及digital gain,这可以区域性的改变接收路径中过载部分的增益。而对于全增益表,无论过载发生在哪里,增益变化时都会影响接收路径中的其他增益模块。
LMT表的架构取决于所使用的增益控制模式,在增益控制模式中介绍。必须使用ad9361_load_gt函数将LMT表写入AD9361。
LPF表本身不存在,LPF索引直接转化为LPF的增益(分贝),LPF增益范围从0到24(d)。数字增益也是索引直接转化为增益,增益范围从0到31(d)。
AD9361的总增益(单位为分贝)不一定等于LMT和LPF索引之和。LMT级的实际增益随本振频率 LO而变化,另外,一些LMT步长大于1分贝。因此,将LMT索引改变1可能不会将增益改变1 dB。
所有增益控制模式(MGC、AGC)和两种增益表模式(全表模式、分割表模式)都允许增加数字增益,最大数字索引为31(d)。
全增益表的最大允许索引为90(d),仅含模拟增益的标准全增益表的最大索引为76(d)。对于ADI公司提供的增益表,剩下24(d)个索引用于数字增益。替代增益表(在索引低于76(d)时达到了最大模拟增益)可以容纳更多数字增益步长(最高31)。
MGC、Slow attack AGC、Fast attack AGC详细介绍在 AD9361 补充(上)
在MGC模式下,BBP控制增益索引指针,这个模式通过ad 9361 _ set _ rx _ gain _ control _ mode函数设置。最简单的形式是,BBP通过评估 I/O口的信号电平(除了接收到的数字信号电平,BBP不需要其他信息),然后适当调整增益。
AD9361具有可编程阈值,可指示各接收链路的信号状况,将这些信号路由到控制输出引脚,然后将它们连接到BBP,BBP能够更详细地确定接收信号的状态。对于分割增益表,依据接收信号(可指示过载发生的位置LMT , LPF , digital),BBP可以调整过载区域的增益。
Slow attack模式旨在缓慢改变信号,比如某些FDD应用场景—WCDMA和FDD LTE。 slow attack AGC使用具有滞后的二阶控制环路将平均信号功率保持在可编程范围内。功率在HB1和Rx FIR滤波器之间测量。
Fast attack AGC 模式适用于突发的波形,如TDD或GSM/EDGE FDD应用。AGC在突发开始时对过载做出非常快速的响应,以便在信号的数据部分到达时AGC能够稳定在最佳增益索引。AGC还有一个可选的缓慢衰减,当AGC锁定在最佳增益时,如果信号功率降低,则允许增益增加。
AD9361使用检测器来确定接收信号是否使特定模块过载,或者信号是否降至可编程阈值以下。LMT和ADC过载检测器(也称为峰值检测器)可以对几乎瞬时的过载信号做出反应。检测器在信号路径中的位置如上图所示。
LNA/混频器/跨阻放大器过载检测是一种模拟峰值检测器,用于确定接收信号是否使模拟低通滤波器之前的模块过载。如果发生LMT 过载,但ADC没有过载,这可能表明带外干扰信号导致过载情况。
该ADC是一个高度过采样的sigma-delta调制器(SDM),输出范围为+4到-4。由于ADC高度过采样,ADC时钟速率比接收信号采样速率快得多,需要抽取和低通滤波产生数字信号。当ADC过载时,其采样和输入信号之间的误差将导致ADC输出更多值为+4或4的采样信号。
下图显示了 ADC过载检测器如何处理信号以及如何使用阈值
有两个可编程阈值,都在ad 9361 _ set _ rx _ gain _ control _ mode函数中配置。两个接收通道的阈值是相同的。平方和计算中使用的样本数也在ad 9361 _ set _ rx _ gain _ control _ mode函数中设置。将平方和的结果值z与两个阈值进行比较,如果超过特定阈值,则设置一个标志。在MGC模式下,BBP可以通过控制输出引脚监测过载标志。
和LMT和ADC过载一样,AD9361使用计数器 (Dig Saturation Exceeded Counter)来确定digital saturation发生的次数,如果超出,增益索引会降低。
低功率阈值是以-dBFS为单位进行测量的绝对阈值,分辨率为0.5 dBFs/LSB。范围为0 dBFS至-63.5 dBFS。该值通过ad 9361 _ set _ rx _ gain _ control _ mode函数进行配置。
测量功率时(如低功率阈值),测量值是由功率测量期间抽取的一定数量样本的平均值。两个接收器的持续时间相同。在每个测量周期结束时,平均信号功率值会更新。
所有增益控制模式都使用峰值过载等待时间。在增益改变后,AD9361等待该寄存器设置的时间,使模拟路径中的信号和ADC稳定下来,然后重新使能它的LMT和ADC过载检测器。默认值适用于所有应用程序,除非带有旁路模式的外部LNA是信号路径的一部分。峰值过载等待时间由ad9361_set_rx_gain_control_mode函数设置,并以ClkRF(Rx FIR滤波器时钟速率的输入)计时。
所有 AGC 模式都使用建立延迟,即增益变化后 AGC 将功率测量模块保持在复位状态的时间。功率测量发生在接收HB1滤波器的输出端(接收FIR滤波器的输入端),因此在增益改变后功率测量恢复之前,Rx FIR之前的所有级都必须建立。
AD9361使用分数分频锁相环(PLL)来产生发射机和接收机本地振荡器(LO)频率,以及BB PLL(baseband PLL)。BB PLL 可用于数据转换、数字滤波器和 I/O 端口。
PLL的参考时钟可以由外部振荡器或外部晶体(XO)和数字可编程片内可变电容提供,电容微调产生参考时钟频率,XO和微调电容的组合统称为DCXO。
通过调整AD9361中的电容,可以调整产生的DCXO频率,以补偿XO频率容差和稳定性。DCXO的分辨率随coarse word而变化,最差分辨率(coarse word= 0)为0.0125 ppm。DCXO可以使用coarse word和 fine word,在±60 ppm范围内改变频率。
上图为一XO(标称40MHz)的DCXO频率随fine word和coarse word的变化图,横轴为fine word,纵轴是频率,每条线的分辨率随coarse word变化。
使用bench测试确定标称DCXO微调字,在初始化期间使用。这些标称字应该在BBPLL校准前写好。初始化后(BBPLL和RFPLL编程、校准和锁定后),DCXO字可以随时写入。
AD9361含有两个完全相同的频率合成器,用于为RF信号路径生成需要的LO信号:一个用于接收器,一个用于发射器。锁相环(PLL)频率合成器采用分数分频,融入了完全集成式电压控制振荡器(VCO)和环路滤波器。
REF_CLK频率可以通过DCXO产生,或者外部时钟源向器件提供,多路复用器选择所需的信号源。然后,REF_CLK被分离并加到三个独立的调节模块,也称为REF分频器。调节模块提供四种选择——/2 、*2 、/4 、*1,可以得到F_REF为10MHz到80MHz
由锁相环频率合成框图可知,锁相环工作范围6 GHz至12 GHz,并输入VCO 分频模块。
LO频率范围从47 MHz到6GHz是通过分频锁相环频率创建的。
AD9361中的BB PLL频率合成器,用于生成所有与基带相关的时钟信号,包括ADC和DAC采样时钟、 DATA_CLK信号(见后续“数据接口”部分)、数字滤波器和 I/O 端口等。
AD9361收发器有一个使能状态机(ENSM),可以对器件的当前状态进行实时控制,ENSM有两种可能的控制方法——SPI控制和引脚控制。
1)通过SPI写寄存器将当前状态推进到下一个状态,可以异步控制ENSM。
2)使用ENABLE和TXNRX引脚实时控制当前状态。
上图中灰色状态不需要用户控制,经过设定的时间后进入下一个状态。TO_ALERT位在ENSM配置寄存器中,如果要切换到WAIT状态,需要在RX或TX状态下清除TO_ALERT位,这样从 Rx, Tx或FDD状态移出时,ENSM将转移到WAIT状态,如果TO_ALERT被置1,ENSM将转换到ALERT 状态。
SPI控制默认是禁用,可以在ENSM配置寄存器中使能。一旦进入 ALERT状态,AD9361就会启用发射机和接收机的射频合成器,如果由于某些原因合成器没有正确校准,ENSM将无法转换到RX或TX状态,这样可防止AD9361发送或接收数据,从而保护无线频谱。
一旦进入 ALERT状态,射频PLL经过适当校准,ENSM就可以进入RX、TX或FDD状态。要从ALERT切换到RX,需要设置Force Rx On 位,要返回ALERT或WAIT,需要清除该位。
要从ALERT模式切换到TX或FDD模式,需要设置Force Tx On位,要返回到ALERT或WAIT状态,需要清除该位。
在FDD下,Force Rx On位被忽略,在TDD下,ENSM必须在RX和TX状态之间转换到ALERT状态,ENSM不能从RX直接移动到TX,或者从TX直接移动到RX。
默认情况下,使用ENABLE/TXNRX引脚控制模式。ENABLE引脚可以通过脉冲或电平操作,将ENSM状态转换到下一个状态。
在脉冲模式下,需要最小宽度为一个FB_CLK周期的脉冲来推进当前的ENSM状态。BBP发送一个ENABLE脉冲进入TX或RX状态或FDD状态(在FDD中,TXNRX的逻辑电平被忽略),然后再发送一个脉冲回到ALERT或WAIT状态。
在TDD中,TXNRX引脚的状态控制AD9361是从ALERT状态转换到RX状态还是从ALERT状态转换到Tx状态。
在电平模式下,ENABLE引脚电平控制ENSM状态,ENABLE引脚的下降沿将AD9361器件置于ALERT状态,处于ALERT状态时,必须设置或清除TXNRX位。
在FDD中,TXNRX的逻辑电平被忽略,当ENABLE引脚拉回到逻辑低电平时,ENSM将退出RX、TX或FDD状态。如果To Alert 位为0,器件将从RX、TX或FDD状态进入WAIT 状态。
要在电平模式下从WAIT 模式切换到ALERT模式,对Force Alert State位执行 SPI写操作,或者BBP可以在ENABLE引脚上驱动一个脉冲。
当AD9361处于FDD模式时,FDD独立控制模式可以允许接收链和发射链独立使能。该模式通过设置FDD External Control Enable位(0x015[D7])来使能。
引脚电平 | 描述 |
---|---|
ENABLE=0,TXNRX=0 | Rx and Tx disabled |
ENABLE=1,TXNRX=0 | Rx enabled, Tx disabled |
ENABLE=0,TXNRX=1 | Rx disabled, Tx enabled |
ENABLE=1,TXNRX=1 | Rx and Tx enabled |
FDD 独立控制状态下,使用SPI写将ENSM移动到FDD状态,然后,ENABLE和TXNRX引脚分别在内部重新映射为Force Rx On和Force Tx On,ENABLE和TXNRX的控制组合如上表所示。FDD 独立控制状态,根据ENABLE和TXNRX引脚电平,ENSM状态转移如下图所示。
在这种模式下,ENSM始终处于FDD状态,没有移动到FDD FLUSH状态,BBP必须在启用接收链后留出足够的时间让数字滤波器刷新,在发送数据后留出足够的时间让发送完成传输,同时需要我们控制好时间,在两次收或者发开启之间留下足够的时间清空残留数据。
在脉冲模式下,如上图所示,当使用SPI写操作从ALERT状态进入FDD状态时,接收和发送信号链开始时是禁用状态,直到接收到第一个脉冲。BBP应在ENABLE引脚上发送脉冲,以enable/disable接收信号链。TXNRX引脚上发送的脉冲将enable/disable 发送信号链。
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