李静 左弟俊
中国电子科技集团公司第24研究所 400060
摘 要：针对宽带接收机数字化、小型化和智能化的发展趋势，本文采用超宽带高速跟踪/采样保持电路+超高速模数转换器设计了一款超宽带采集系统。本文详细介绍了系统的工作原理和采集卡设计，并完成参数测试。通过测试结果分析，表明本系统能够实现对宽带信号直接采样。
关键词：采样保持 模数转换
0 引言
随着超短波和微波通信的高速发展，超宽带通讯已经成为了研究热点，作为核心的宽带接收机也应用越来越广泛。而随着数字化、小型化和智能化的发展，宽带接收机广泛采用软件无线电[1]的理念来设计无线电接收机。软件无线电接收机要求射频前端电路能够接收不同通信频段的信号[2]，而射频直接采样接收机，只设计单个射频接收前端电路来接收多个频段的信号，具有宽带特性，是目前研究的热点。射频直接采样接收机的核心器件是射频直接采样转换器，目前，国内外还没有直接单片集成实现10GHz以上带宽的电路，因此射频直接采样接收机在超宽带通讯中应用受到极大制约。
采用现有模数转换器件很难满足超宽带通讯的需求，因此本文在模数转换器前端采用超宽带高速跟踪/采样保持电路（Track & Hold Ampli?er ，THA），以实现对超宽带信号的直接采样数字化。
1采集系统原理设计
图1 图1 采集系统硬件框图
本文采集系统工作时，首先采用低噪声高频滤波器对接收到的高频模拟信号进行降噪处理，然后将处理后的信号输入采样保持电路，将高频信号转为中低频信号，接着高速时钟电路发出控制时序，保证信号由采样保持电路输入超高速模数转换器电路，并在超高速模数转换器电路中将模拟信号向数字信号转换，最后输出到终端设备。采集系统硬件框图见图1所示，该采样系统主要由三部分组成。
1.1采样保持电路
采样保持电路[3]的功能是将高频信号转换为带宽相对较低的信号，成为能够被模数转换器直接进行处理的信号，从而实现宽带信号的接收。采用合适的采样保持电路可以使超宽带信号采样系统大幅度拓宽输入信号的带宽，并且可以大幅改善高频信号的线性度。本系统采用的是自研采样保持电路，能够保证输入带宽和线性度。通过仿真，采样保持电路的设计带宽达到24GHz。
1.2高速时钟电路
高速时钟电路负责采样保持电路和模数转换器电路的时序匹配，保证采样保持电路和模数转换器电路能够在时序上进行无缝对接。本系统时钟电路采用的是自研高性能14路输出，3.6GHz低抖动时钟分配器，时间延迟调节设计的最小步长达到20～30ps、可调节步数50步。
1.3超高速模数转换电路
超高速模数转换器电路能够实现对输入信号的模拟到数字的转换，是采样系统的核心部件，它的精度、速度和带宽决定了采样系统的性能。本系统选择折叠/插值结构的12位3.6GSPS模数转换器。该模数转换器采用2路模数转换器并行工作的结构，每路模数转换器工作的时钟频率为1.8GHz,兼顾超高速和低功耗。
2采样系统硬件设计
在硬件设计时，需要严格按照信号完整性的要求。由于封装、微带线、过孔、接插件等会造成的寄生效应及损耗，从而导致接收信号波形不完整，引起系统时序上的错误。因此首先需要对连接器、传输线、过孔进行建模仿真，然后组成信号链路进行仿真，最后得到仿真眼图，并通过眼图优化电路设计。
3测试及结果分析
本系统完成输入频率为1~18GHZ的信号进行测试。采样频率为3.6GHz，测试信号频率为1GHz、2GHz、4GHz、7GHz、10GHz、18GHz接近满模数转换器满幅度的正弦波，采集 64K 点数据做FFT处理，并记录采样数据的频谱分布。
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本文完成了扫描采样测试，得到系统性能指标无杂散动态范围（SFDR）、信噪比(SNR)、归一化输出功率等参数。如表1所示。无杂散动态范围随频率的变化值可以评估得到整个超宽带信号采样系统的动态特性，随着待采样信号频率的升高，性能开始逐步下降，系统的信噪比也随信号频率增加而降低。从输出功率随频率的变化值来看，在12GHz发生跳变，形成塌陷点，影响超宽带信号采样系统的采样带宽，系统带宽限制在12GHz。在频率为12GHz时，系统的无杂散动态为41.5dB，信噪比为42.4dB，完全满足超宽带采样要求。
4结论
本文设计了一种基于高带宽跟踪/采样保持电路结合模数转换器的新型架构超宽带信号采样系统，解决现有模数转换器带宽不足的现状，实现对宽带信号进行射频直接采样。本文首先介绍了超宽带信号采样系统的工作原理和系统组成，然后提出了硬件设计的规则以及方法，最后完成了系统的参数测试，经过对测试结果的分析，本系统可以实现对超宽带信号的接收。
参考文献
[1] 武征.基于软件无线电平台的电子侦察系统设计[J].计算机测量与控制,2019,9:42-46
[2] 毕爽若.可重构的直接射频采样接收机技术研究[D].成都：电子科技大学,2014,23-44
[3] 付大伟.高速高精度模数转换器中采样保持电路的研究和设计[D].杭州：浙江大学，2012,22-43