Texas Instruments Direkte Abtastung von HF-Signalen

Mit dem ADC32RF45 hat Texas Instruments einen 14-Bit-A/D-Wandler mit einer Abtastrate von 3 GSPS entwickelt, mit dem HF-Signale bis zu 4 GHz direkt abgetastet werden können.

Mit dem ADC32RF45 adressiert Texas Instruments leistungsstarke HF-Abtastungsanwendungen, in denen höchste Abtastrate, größte Bandbreite, hohe Auflösung und niedriges Rauschen von Bedeutung sind. Dazu zählen Radarsysteme, SDR, Luft- und Raumfahrt, Messtechnik und die drahtlose Kommunikation. »Dank der hohen Abtastrate ermöglicht der A/D-Wandler vollkommen neue Systemkonzepte, die bislang überhaupt nicht möglich waren«, erklärt Matthias Feulner, Manager – Marketing, Systems & Applications High Speed Data Converters & High Performance RF von Texas Instruments.

Der Baustein (mit vier zeitlich verschachtelten ADCs pro Kanal) kann HF-Eingangssignale mit einer Frequenz von bis zu 4 GHz direkt verarbeiten und damit die wichtigsten Frequenzbänder im Verteidigungsbereich (L-Band: 1 bis 2 GHz, S-Band: 2 bis 4 GHz) und in der zellularen Kommunikation abdecken. »Mit dem ADC32RF45 lassen sich dank der hohen Frequenzagilität und der Möglichkeit, mehrere Standards und Konfigurationen zu implementieren, problemlos SDR-Konzepte realisieren«, so Feulner weiter. Der Wandler unterstützt breitbandige Signale, aber auch Multi-Mode-Konfigurationen, bei denen Signale aus unterschiedlichen Bändern erfasst werden. Die Antenne kann direkt mit dem Wandler verbunden werden, der wiederum mit dem Prozessor kommuniziert.

Im Vergleich zu einem traditionellen Überlagerungsempfänger (Super Heterodyne Receiver) zur Messung von Signalen mit großer Bandbreite lassen sich mit dem neuen ADC viel Platz und Kosten sparen, denn der bislang notwendige Mixer (er wandelt das HF-Signal in ein ZF-Signal um) bzw. der Quadratur-Demodulator (wandelt ZF-Signal in Basisband-Signal um) und der HF-Synthesizer sowie diverse Signalaufbereitungskomponenten können mit dem neuen ADC wegfallen. Dank der Platzeinsparung sind dichtere Systeme zu realisieren, was beispielsweise in MIMO- oder Radar-Arrays von hoher Bedeutung ist. Darüber hinaus erlaubt es der Wandler den Entwicklern auch, Plattformen zu entwickeln, die einen großen Frequenzbereich abdecken, so dass die einmal entwickelte Hardware mehrfach verwendet werden kann und sich damit die Entwicklungskosten reduzieren lassen, denn der A/D-Wandler kann Signale im HF-Band, aber auch Signale mit großer Bandbreite erfassen. Er hat ein 3-dB-Eingangsbandbreite bei 3 GHz. Feulner: »Die nutzbare Eingangsbandbreite von über 4 GHz ermöglicht eine direkte Wandlung von HF-Signalen in der 1., 2. und 3. Nyquist-Zone.«

Die Bausteine können auch sehr schwache Signale entdecken. Sie zeichnen sich mit einem Grundrauschen von –155 dBFS/Hz durch die industrieweit beste spektrale Rauschleistungsdichte aus. Feulner: »Hier ist unser A/D-Wandler um 5 dB besser als konkurrierende Bausteine, wodurch der Dynamikbereich deutlich größer wird.« Der Signalrauschabstand beträgt bei einer Eingangsfrequenz von 1,8 GHz rund 58,5 dB. Bei einer Frequenz von 900 MHz liegt der SNR-Wert bei 60,6 dBFS. Feulner weiter: »Damit ist es möglich, dass unser A/D-Wandler auch schwächste Signale erkennt.« Der Chip ist on the fly rekonfigurierbar, von breitbandig auf schmalbandig. Die dazu notwendige Information kann vom Prozessor kommen, der nur ein Register programmieren muss. Jeder ADC-Kanal kann mit einem integrierten Zweiband-DDC (digitalen Abwärtswandler) mit bis zu drei 16-Bit-NCOs pro DDC für ein phasenkohärentes Frequenz-Hopping verbunden werden, wobei sich der DDC umgehen lässt. Feulner: »Mithilfe der digitalen Abwärtswandler reduziert sich die Datenrate zum Prozessor oder anderen Bausteinen.« Die JESD-2048-Schnittstelle ermöglicht Datenraten bis 12,3 GBit/s auf maximal vier Leitungen pro ADC-Kanal.

Der HF-Eingang unterstützt Frequenzen bis zu 4,0 GHz. Das Aperture-Jitter (Öffnungs-Jitter) ist mit 70 fs spezifiziert. Die Kanalisolation beträgt bei 1,8 GHz 95 dB. Der Chip ist mit einem On-Chip-Dither-Funktion (Addition von weißem Rauschen) versehen. Hinzu kommen ein On-Chip-Anschluss von 50 Ω, programmierbare Power-Detektoren mit Alarm-Pins, ein Eingangsstrom bei Vollauschlag bei 1,35 Vpp und eine Schaltung, die eine Multi-Chip-Synchronisierung ermöglicht.

Zur Evaluierung steht ein Board zur Verfügung. TI verspricht, dass der Entwickler nur 15 Minuten braucht, um die Schachtel mit dem Board zu öffnen und Daten zu erfassen. Darüber hinaus gibt es bereits vier Referenz-Designs (HF-Sampling im S-Band, 2-GHz-Bandbreiten-Digitizer, Stromversorgung des ADCs, Anleitung zum Evaluation-Board), weitere werden folgen.

Feulner: »Damit können wir jetzt eine vollständige Signalkette für hohe Frequenzen liefern.« Das beginnt mit dem LMH3404 von TI. Dabei handelt es sich um einen zweikanaligen 7-GHz-Differenzverstärker für eine Bandbreite von DC bis 1,5 GHz. Und es hört auf mit dem breitbandigen 9,8-GHz-Frequenzsynthesizer LMX2592 und dem JESD204B-konformen Clock-Jitter Cleaner LMK04828. Das ADC32RF45EVM ist bereits verfügbar, der ADC32RF45 geht gerade in die Massenproduktion. Feulner abschließend: »Wir arbeiten auch an D/A-Wandlern für solche hohen Frequenzen.«