ADI

因为在泰国少年足球队全球联合救援中,以色列Maxtech Networks公司提供了17台通信设备发挥了关键通信保障作用,采用捷变频技术的软件无线电在汛期的积水岩洞这样非视距范围的恶劣环境下搭建了至关重要通信网络,为洞外救援队员与被困者实现了实时通讯。这些关键通信设备采用了ADI公司RadioVerseTM品牌下的一款高集成度RF捷变频收发器AD9364,低功耗、高性能、宽频捷变频特性使其成为幕后英雄。

事实上,作为旨在解决软件定义无线电技术的难题并向面向市场提供宽带收发器、软硬件结合的开发环境平台,RadioVerse生态平台的系列宽带RF收发器在许多跨行业和应用的无线通信中被广泛采用,如无人机、蜂窝基站、中继回程,甚至手持式频谱分析仪等产品中都不乏其身影。在最近举行的ADI RadioVerse新品发布会上,ADI RadioVerse市场经理翁洁向在场媒体介绍了ADI RadioVerse最新一代的宽带收发器——ADRV9008/9,业界最高带宽的RF收发器。RadioVerse技术平台时隔一年再推无敌新品彰显了其无线技术领导者的技术实力。

ADI RadioVerse市场经理翁洁介绍全新一代收发器产品

首款通用平台解决方案,2G/3G/4G/5G全面兼顾

众所周知,5G技术相对4G有很大的不同,包括空口、编码、基带等,其中最直接的挑战就是频谱的扩展和扩大带宽。以往2G/3G/4G的频谱一般集中在2GHz、2.7GHz以下,而5G频谱已囊括3.5GHz、4.9GHz等,未来还将利用毫米波的频段。未来相当长的时间内,2G/3G/4G将与5G网络并存,因此电信设备制造商需要新的射频前端产品来覆盖所有新老频段。

这给运营商和通信设备提供商带来了一个重大挑战——如何为一些客户提供5G服务的同时,仍满足其他客户的2G、3G和4G需求?ADRV9008/9的推出正是响应了这样的客观市场要求,业界首款支持现有全部蜂窝标准的RF收发器,可在75 MHz至6 GHz的范围内调谐,支持2G/3G/4G/5G服务,因此蜂窝设备制造商可以采用单一紧凑型无线电设计来满足所有频段和功率要求。

Mobile Expert 2018年2月的基站出货量预测

独特的性能优势使得ADRV9009能支持窄带应用、超宽带宽,开辟实现5G之路的多功能性,支持多载波GSM和窄带物联网,以及3GPP标准。同时,由于单芯片解决方案可替代20多个分立器件,从而大大降低SWaP和设计复杂性,并缩短产品上市时间。这样,运营商就可以利用大规模MIMO实现网络密集化。

作为面向5G应用的一款产品,ADRV9009通过片内处理本振(LO)同步来简化数字波束成型设计也是一大重要特性。波束成形的技术是主要用在5G Massive MIMO,以及相控阵雷达里面。Massive MIMO多达64x64,甚至128×128的天线通道,因为ADRV9009能够支持内部本振的相位同步,就不需要外部的本振和外部的离散器件,简化多芯片相位同校准,所以大大降低了系统的复杂度以及成本和功耗。

为了加速使用ADRV9009 RF收发器的客户产品上市时间,目前RadioVerse生态系统将在2018年底提供JESD204B FPGA系统模块(一种带4片ADRV9009器件8收8发加FPGA的生产就绪RF系统化模块),并通过全球合作伙伴网络为客户提供额外的设计和技术服务。

彰显RadioVerse生态布局,ADRV9009三大应用场景

此外,翁洁从以下三个主要应用场景讲述了ADRV9008/9的行业应用案例,并分享了ADI RadioVerse产品线的最新布局。

-通信领域

除了前面介绍的2G/3G/4G/5G基础通信网络,ADRV9009的射频性能优势同样适用于蜂窝基站、Massive MIMO等通信基础设施。

在通信领域,翁洁介绍了ADI RadioVerse ADRV9009的单芯片TDD解决方案,以及ADRV9008-1/-2的双芯片FDD解决方案。其中,单芯片TDD方案将Rx与Tx共享一个LO本振,TDD模式下运行50% Rx/Tx占空比,集成度高,单片功耗可以控制在5W以内。双芯片FDD方案将Rx与Tx拆分,9008-1是双接收器的方案,而9008-2则是双发射器加环回通道的设计。

ADRV9009的单芯片TDD解决方案以及ADRV9008-1/-2双芯片FDD解决方案完美互补

-关键通信领域

在泰国少年足球队救援中Maxtech Networks公司的设备很好利用了AD9364的捷变频特性,不断分析环境中存在的频谱并自动调整频率,他们自动调节频率并与最近的网络节点建立稳定通信从而成功避免被环境无线噪声淹没。AD9364在其中扮演关键角色并不让人意外,ADI公司的RadioVerse技术平台从最初就将应急通信设定为在包括4G、5G在内的几个主要的目标应用。

应急通信需要的是重量轻、结实耐用、电源效率高、能够灵活地工作在多种频率、在极端环境条件下易于使用的无线电通信,这对于传统的技术实现方案是一个重大挑战。凭借业界最高带宽、最高性能的特性,ADRV9009在包括应急通信在内的关键通信领域将继续发挥关键核心作用。据翁洁介绍,ADRV9009将锁相环(PLL)捷变与预校准相结合,实现了前所未有的快速跳频水平,不仅减少系统停机时间,还降低了通信被检测和拦截的概率,进而确保链路的安全性、环境感知能力和频谱效率。

“急救队的专业无人机、机器人等关键通信应用是ADI RadioVerse产品在攻坚的领域。举个例子,如高清无线图传,一般Wi-Fi的传输距离仅几百米,而基于RadioVerse技术的图传距离可达二十公里以上,性能十分突出。”翁洁指出,“此外,ADRV9009还可应用于相控阵雷达,如天气雷达上实现天气监测、空气质量监测等。”

-测试领域

除了上述两点,ADI RadioVerse产品还可以应用在测试仪器仪表领域,比如便携式的通信测试设备。我们知道5G的测试方案是比5G网络的部署要走得更前。ADRV9009在软件定义无线电SDR的适配性也使其备受测试测量厂商的关注。

由于ADRV9009拥有200MHz的接收带宽,可以极大地满足了测试仪器厂商的需求。此外,ADRV9009在射频前端已完整集成,支持可扩展SDR解决方案的模块化结构,可以简化前端架构、降低SWaP和成本,为便携式的测试仪器提供了可能。

“ADI有很多客户专门做板卡,而板卡的特点是可以临时组装,可以保证现场部署时能够很快地调频,根据需求调成不同频段的SDR。RadioVerse的收发器产品目前在该领域已经被大量采用。”翁洁透露道,“在便捷式测试设备中,一款平台既可测试手机也可测试IoT网络的终端,就可以打造十分具有性价比的测试方案。”

“圈粉”无数,RadioVerse打造射频技术生态系统

RadioVerse技术和设计生态系统以为客户提供整合式收发器技术、强固的设计环境和针对特定市场的技术专长,使其无线电设计能够快速从概念变为产品而著称。该生态系统的收发器技术可缩减无线电尺寸、重量和功耗(SWaP),设计环境提供板级支援套件、软体和工具,以协助客户简化并加快各种应用的无线电开发,包括无线基础设施、航天防务和电子量测等。

此技术和设计生态系统藉由提供整合式RF收发器、软体 API、设计支援套件、完备的文档、ADI EngineerZone线上技术支援社群及其他资源,从而加快客户产品上市,并提供整合式宽频RF收发器评估板可直接与FPGA开发平台相连,支援客户执行晶片级性能评估,以及利用单个硬体平台快速开发完整无线电原型。

RadioVerse生态系统助力实现跨行业和应用的无线通信

回头看RadioVerse这几年的推出的产品“时间表”,从ADI推出了第一代堪称革命性的捷变频收发器AD9361,到频宽更宽的AD9371,以及去年推出集成DPD(数字预失真)功能的收发器AD9375,无论是集成度、带宽,技术和性能都在不断演进。按翁洁的说法是“ADI RadioVerse在每一年都会推出一款重磅产品来回馈市场和客户”,产品继续贯彻ADI一直主张的“共同平台”概念,致力用一款平台覆盖几乎所有的协议,为各种广泛的应用提供高效解决方案,包括通信、防务以及电子测试和测量(ETM)。

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Bin Wu Analog Devices 公司

对输入纹波整流的快速响应

ISO 16750 或 LV124 等汽车标准规定,汽车电子控制单元 (ECU)可能面临一个具有高达 6 V p-p(在高达 30 kHz 频率下)AC 纹波之叠加的供电电源。用于控制外部 MOSFET 的诸如 LT8672 的门极驱动等器件足够强大,能处理高达 100 kHz 的纹波频率,从而最大限度减小了反向电流。图 1 所示为这种 AC 纹波整流的一个例子。

图 1:输入纹波的整流。

与肖特基二极管相比具有低功耗

当采用图 2 所示的设置时,LT8672(采用 IPD100N06S4-03 作为外部 MOSFET)的性能与一个肖特基二极管 (CSHD10-45L) 不相上下。这里,位于输入端的一个 12 V 电源用于模仿汽车电压源,而输出端承载一个 10 A 的恒定电流。图 3 显示了这两种解决方案在稳态情况下的热性能。当未采取散热措施时,LT8672 解决方案的热性能远胜一筹,达到的峰值温度仅为 36°C,而肖特基二极管解决方案的峰值温度则高得多,达到了 95.1°C。

图 2:用于热性能比较的系统配置。

额外的低输入电压操作能力

汽车任务关键型电路必须能够在冷启动情况下运行,此时的汽车电池电压会骤降至 3.2 V。考虑到这一点,许多汽车级电子产品设计成能在低至 3 V 输入的条件下工作。肖特基二极管的可变正向电压降在冷启动期间会带来一个问题,此时该压降将导致一个 2.5 V 至 3 V 的下游电压,这对于有些系统的运行而言就过低了。相比之下,LT8672 解决方案则凭借其稳定的 20 mV 电压降保证了所需的 3 V,从而简化了电路设计并改善了系统鲁棒性。

图 4 显示一款用于比较的冷启动测试设置,其采用一个LT8650S 降压型转换器作为下游测试系统。LT8650S 输出在 4 A恒定负载情况下被设定为 1.8 V,而且它的最小输入工作电压要求为 3 V。测试结果如图 5 所示。

图 3:热性能比较:(A) LT8672 控制型系统的最高温度是较低的 36°C,(b) 而采用肖特基二极管的系统则达到了 95.1°C,这就在整个电路板上引起了显著的发热升温。

图 4:用于冷启动测试的系统配置。

当 VBATT 降至 3.2 V 时,LT8672 控制的系统 (a) 保持 VIN > 3 V,因而使 LT8650S 能保持其输出 VSYS 稳定在 1.8 V,而在肖特基二极管系统 (b) 中,LT8650S 的输入电压 VIN 降至低于其最小工作电压,故而使它无法在其输出 VSYS 上保持 1.8 V。

集成化升压型稳压器

许多替代型有源整流控制器采用充电泵为栅极驱动器供电。这些解决方案通常不能提供强大的栅极充电电流和一个稳定的输出电压,因而限制了连续整流的频率范围和性能。LT8672 的集成化升压型稳压器可提供一个紧密调节的栅极驱动器电压和强大的栅极驱动器电流。

结论

LT8672 有源整流控制器能够对汽车电源上的高频 AC 纹波进行整流。该器件采用一个集成化升压型稳压器以驱动一个MOSFET,从而在连续整流过程中实现超快响应,这相对于充电泵解决方案是一项改进。它采用小型 10 引脚 MSOP 封装,其具有整流和反向输入保护功能以及低功耗和一个超宽的工作范围(这对于冷启动是很可取的)。此外,相比采用肖特基二极管的设计方案,LT8672 的主动保护拥有一些优势,例如:极少的功耗以及可预知的 20 mV 稳定小压降。LT8672 还具有多个旨在满足汽车环境中电源轨要求的特点:

* 反向输入保护至 –40 V
* 宽输入工作范围:3 V 至 42 V
* 超快瞬态响应
* 整流 6 V p-p,高达 50 kHz;整流 2 V p-p,高达 100 kHz
* 用于 FET 驱动器的集成化升压型稳压器之工作性能优于充电泵器件

图 5:冷启动情况下的系统电压比较:(a) 采用 LT8672,VSYS 保持稳定在1.8 V 和 (b) 采用一个肖特基二极管,VSYS 降至低于最小工作电压。

图 6 显示了一款完整的保护解决方案

图 6:LT8672 有源整流 / 反向保护解决方案

作者简介

Bin Wu 于 1985 年出生在中国浙江。他于 2016 年 4 月在美国加州大学欧文分校获得电气工程博士学位。2016 年4 月至 2017 年 7 月,他是马里兰大学帕克分校的一名博士后研究助理。在此之后,他就职于 Maxim Integrated 公司。自 2017 年 11 月起,他是圣何塞 Analog Devices 公司的应用工程师。

他感兴趣的领域包括电动汽车电源架构、高功率密度升压 /降压型 DC/DC 转换器、开关式电容器转换器、建模和可再生能源集成系统。联系方式: bin.wu@analog.com

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突然间,办公室的用纸开始引人注目了,至少从电池及电子设备的观点来说是如此。

小型化电子设备及电池的爆炸性成长,例如像是可被消化的健康照护装置、智能运输传感器等,使得这些装置的设计不但更需要创意,对环境的冲击也更令人关注。

据估计有超过500亿个电子装置会在接下来的五年内部署,许多装置的工作寿命并不长,因此其快速失效也会造成处理及环境的问题。

因此纸质电子学不只提供了弹性、永续性、环境友善、低价等好处,还提供了有用的机械、介电、流体等特性。

纽约州大电机系副教授Seokheun Choi团队打造了一种一次性用途的纸质电池,其原理是利用细菌产生电流,并在电池寿命结束后将电池吞食殆尽。

在《高等永续系统》(Advanced Sustainable Systems)期刊的一篇论文中,作者陈述锂电池、超级电容虽然有高能量密度、重量轻、能整合到可挠基板等特性,但是这些材料无法生物分解,而且通常是有毒物质,其制造过程不但耗能、还可能对环境有害。

至于其它的能源搜集技术,例如太阳能电池、纳米发电机、热电发电机等等,也有许多无法再生使用、无法生物分解的重金属及聚合物。

Choi指出,只要使用的技术够巧妙,老式的办公室用纸有可能提供更永续的选项。

借助创新的工程技术,我们可以操控纸里面的纤维素之纤维直径、抹掉粗糙不平、控制透明度,使能实现许多应用。把纸跟有机、无机、生物材料结合,增加了更多工程上的可能性,所以下一世代的电子装置可以用纸来做为平台。

Choi的研究有一部分的赞助金300,000美元来自于国家科学基金会,目标是结合细菌与纸,使能产生电力以及电池失效后的处理。他最早发表于2015年的研究,创造了以纸为基础的电池。最近他在美国化学学会第256回的年会上发表的报告,描述了生物电池的启动方式,及如何改善其保存期限。报告里还描述了如何提供随选能源—即使是在一点电力都没有,连发光二极管或计算器都供不起电的地方。

在实验室中,细菌电池借呼吸把有机物质的生化能量转变成生物能量。这道程序牵扯到由携带电子的生物分子所进行的一连串反应—生物分子会把电子转移给位于端点的电子接受器,也就是阳极。

制造电池的时候,团队把冷冻干燥的外产电菌(Exoelectrogens)放到纸上。外产电菌能把电子传出细胞外,电子穿越细胞膜后被外部电极捕捉,成为电池的电力来源。

要启动电池,就把水或唾液加入以唤醒细菌。实验室的微生物电池之最大功率是4微瓦/平方公分,电流密度是26微安/平方公分。这些值比之前的同类电池要高得多,但功率表现仍不够好,所以实际用途有限。要能商业运用的话,功率及电流密度还得进步大约1000倍才行。

“用纸做为组件基底的美妙之处是:只要将之堆栈或折迭,便能实现串联或并联,”Choi指出。这时候折纸技术可能就有特殊用处了。

Choi早期在2015年的创作就从折纸术得到灵感,制造了一个方形火柴盒大小的电池。此电池有会呼吸的阴极,是把镍洒布在办公室用纸的某一边制成的。整个组件的花费只有5美分。

纸电池的保存寿命是4个月,至于最近发展、混合纸及聚合物的生物电池可以在水里就进行分解。虽然有其它团队也进行类似研究,但其生物分解性并不稳定。

Choi正努力改善冷冻干燥细菌的存活率及效能,看能否延长电池保存期限。他也提出专利,并寻求业界合作伙伴进行商业化。

本文来源:用细菌供电的纸电池来驱动物联网

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作者:Mark Curtin和Paul O’Brien

本系列第一部分介绍了锁相环(PLL),说明了其基本架构和工作原理。另外举例说明了PLL在通信系统中的用途。在第二部分中,我们详细考察了相位噪声、参考杂散、输出漏电流等关键性能规格,还考虑了它们对系统性能的影响。在本部分中,我们将考察PLL频率合成器的主要构建模块。我们还将比较整数N和小数N架构。最后将总结市场上现有的VCO,同时列出ADI的现有频率合成器系列。

PLL频率合成器基本构建模块

PLL频率合成器可以从多个基本构建模块的角度来考察。我们在前面已经提到过这个问题,下面将更加详细地进行探讨:

* 鉴频鉴相器(PFD)
* 参考计数器(R)
* 反馈计数器(N)
* 鉴频鉴相器(PFD)

频率合成器的核心是鉴相器,也称鉴频鉴相器。在鉴相器中,将比较参考频率信号与从VCO输出端反馈回来的信号,结果得到的误差信号用于驱动环路滤波器和VCO。在数字PLL (DPLL)中,鉴相器或鉴频鉴相器是一个逻辑元件。三种最常用的实现方法为:

* 异或(EXOR)栅极
* J-K触发器
* 数字鉴频鉴相器

这里,我们只考虑PFD,这也是ADF4110和ADF4210频率合成器系列中使用的元件,因为与EXOR栅极和J-K触发器不同,处于解锁状态时,其输出为频差以及两个输入间相差的函数。

详文请阅:用于高频接收器和发射器的锁相环——第三部分

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好处多多的物联网?

试着想象一下,当你拖着疲累的身体下班回家之后,只想好好躺在沙发上看个电视,却找不到遥控器……

别担心!在未来的几年内,只要透过声音控制,就可以轻松打开电视、转台,甚至使客厅永远维持在最舒适的摄氏 26 度!而这一切都是物联网的功劳。

注:Internet of Things,简称 IoT,全球化的网络基础建设,透过数据撷取以及通讯能力,链接实体对象与虚拟数据,进行各类控制、侦测、识别及服务。

但随着这些高科技的发展,相对应的隐私与安全问题也接踵而来。

美国旧金山家暴受害者收容中心的工作人员表示,他们接电话接到快疯了:有人说空调自己关掉了,但她根本没动过空调、又有人说她家门的电子锁密码天天都在变,但她根本也没动过电子锁、还有人说她听到门铃响,但门口却根本没有人。

究竟发生了什么事?

这些人的故事是家暴案件中一种新型态的手法,且与智能家居技术的崛起有关。物联网的门锁、音响、空调、电灯以及摄影机等虽然为人们的生活带来许多便利性,但如今它们也被用作骚扰、监视、报复和控制的手段之一。

在《纽约时报》进行的 30 多次采访中,家暴受害者和她们的律师及收容所工作人员描述了这类科技是如何成为一种令人担忧的新工具。施暴者透过手机上的应用程序连接这些电子设备,并于远程控制家中的对象。有些时候他们是为了及时得知家中的情况,但另外有些时候是为了恫吓等目的。

对于受害者和协助人员来说,缺乏对这些智能设备的了解(包括其运作原理、施暴者控制的程度、合法应对与阻止此类行为的方法等),往往使这种经历更加恶化。

智能家居与家庭暴力

英特尔智能家居研究总监 Melissa Gregg 表示,物联网设备的安装者以男性居多;而澳洲墨尔本皇家理工大学博士后研究员 Jenny Kennedy 针对安装了智能家居的家庭进行研究并发现,许多女性并未在自己的手机上安装控制所需的应用程序。

有些受害者可能会尝试拆除这些设备,但女权律师 Jennifer Becker 表示,当施暴者看见设备被拆除时,这可能会使冲突加剧。

对于这些家暴新手法,相关法律手段十分有限,因为施暴者已经了解如何使用智能家居来拓展他们的权力,而他们的控制方式往往超出现有刑法的管辖范围。不过,在某些情况下,如果施暴者散播联网摄影机录下的影片,可能会触犯美国部分州的色情报复法律,该法律旨在阻止前任伴侣在网上分享亲密照片或影片,Becker 表示。

有鉴于此,美国许多人士开始提倡:当人们在声请保护令时,他们有权力要求法官将受害者已知或未知的一切智能家居设备账户包括在内。但是许多人还不知道该如何提出这一要求,且即使人们声请到了保护令,遥控改变室内温度或突然打开电视、电灯等,可能也不违反保护令的规定。

研究人员认为,要求家中的每一个成员了解智能家居技术是非常重要的。

本文来源:物联网发展下所带来的新挑战

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锁相环(PLL)电路存在于各种高频应用中,从简单的时钟净化电路到用于高性能无线电通信链路的本振(LO),以及矢量网络分析仪(VNA)中的超快开关频率合成器。
今天,我们就参考上述各种应用来介绍PLL电路的一些构建模块,以指导器件选择和每种不同应用内部的权衡考虑,这对新手和PLL专家均有帮助。

ps. 本文参考 ADI 的 ADF4xxx 和 HMCxxx 系列PLL和压控振荡器 (VCO),并使用 ADIsimPLL(ADI 内部PLL电路仿真器)来演示不同电路性能参数。

基本配置:时钟净化电路

锁相环的最基本配置是将参考信号(FREF)的相位与可调反馈信号(RFIN)F0的相位进行比较,如图1所示。

图1. PLL基本配置

图2中有一个在频域中工作的负反馈控制环路。当比较结果处于稳态,即输出频率和相位与误差检测器的输入频率和相位匹配时,我们说PLL被锁定。就本文而言,我们仅考虑ADI ADF4xxx系列PLL所实现的经典数字PLL架构。

该电路的第一个基本元件是鉴频鉴相器(PFD)。PFD将输入到REFIN的频率和相位与反馈到RFIN的频率和相位进行比较。ADF4002 是一 款可配置为独立PFD(反馈分频器N = 1)的PLL。因此,它可以与高质量压控晶体振荡器(VCXO)和窄低通滤波器一起使用,以净化高噪声REFIN时钟。

图2. PLL基本配置

鉴频鉴相器

图3中的鉴频鉴相器将+IN端的FREF输入与和-IN端的反馈信号进行比较。它使用两个D型触发器和一个延迟元件。一路Q输出使能正电流源,另一路Q输出使能负电流源。这些电流源就是所谓电荷泵。

图3. 鉴频鉴相器

使用这种架构,下面+IN端的输入频率高于-IN端(图4),电荷泵输出会推高电流,其在PLL低通滤波器中积分后,会使VCO调谐电压上升。

图4. PFD错相和频率失锁

这样,-IN频率将随着VCO频率的提高而提高,两个PFD输入最终会收敛或锁定到相同频率(图5)。如果-IN频率高于+IN频率,则发生相反的情况。

图5. 鉴频鉴相器、频率和锁相

回到原先需要净化的高噪声时钟例子,时钟、自由运行VCXO和闭环PLL的相位噪声曲线可以在ADIsimPLL中建模。

从所示的ADIsimPLL曲线中可以看出,REFIN的高相位噪声(图6)由低通滤波器滤除。由PLL的参考和PFD电路贡献的所有带内噪声都被低通滤波器滤除,只在环路带宽外(图8)留下低得多的VCXO噪声(图7)。当输出频率等于输入频率时,PLL配置最简单。这种PLL称为时钟净化PLL。对于此类时钟净化应用,建议使用窄带宽(

图6. 参考噪声

图7. 自由运行VCXO

图8. 总PLL噪声

高频整数N分频架构

为了产生一系列更高频率,应使用VCO,其调谐范围比VCXO更宽。这常用于跳频或扩频跳频(FHSS)应用中。在这种PLL中,输出是参考频率的很多倍。压控振荡器含有可变调谐元件,例如变容二极管,其电容随输入电压而改变,形成一个可调谐振电路,从而可以产生一系列频率(图9)。PLL可以被认为是该VCO的控制系统。

图9. 压控振荡器

反馈分频器用于将VCO频率分频为PFD频率,从而允许PLL生成PFD频率倍数的输出频率。分频器也可以用在参考路径中,这样就可以使用比PFD频率更高的参考频率。ADI公司的 ADF4108 就是这样的PLL。PLL计数器是电路中要考虑的第二个基本元件。

PLL的关键性能参数是相位噪声、频率合成过程中的多余副产物或杂散频率(简称杂散)。对于整数N PLL分频,杂散频率由PFD频率产生。来自电荷泵的漏电流会调制VCO的调谐端口。低通滤波器可减轻这种影响,而且带宽越窄,对杂散频率的滤波越强。理想单音信号没有噪声或额外杂散频率(图10),但在实际应用中,相位噪声像裙摆一样出现在载波边缘,如图11所示。单边带相位噪声是指在距离载波的指定频率偏移处,1 Hz带宽内相对于载波的噪声功率。

图10. 理想LO频谱

图11. 单边带相位噪声

整数N和小数N分频器

在窄带应用中,通道间隔很窄(通常

图12. 具有双模N计数器的PLL

对于剩余的(B-A)或9个周期,它将进行8分频,如表1所示。预分频器一般利用较高频率电路技术设计,例如双极性射极耦合逻辑(ECL)电路,而A和B计数器可以接受这种较低频率的预分频器输出,它们可以利用低速CMOS电路制造,以减少电路面积和功耗。像ADF4002这样的低频净化PLL省去了预分频器。

表1. 双模预分频器操作

带内(PLL环路滤波器带宽内)相位噪声受N值直接影响,带内噪声增幅为20log(N)。因此,对于N值很高的窄带应用,带内噪声主要由高N值决定。利用小数N分频合成器(例如 ADF4159 或 HMC704),可以实现N值低得多但仍有精细分辨率的系统。这样一来,带内相位噪声可以大大降低。图13至图16说明了其实现原理。

在这些示例中,使用两个PLL来生成适合于5G系统本振(LO)的7.4 GHz至7.6 GHz频率,通道分辨率为1 MHz。ADF4108以整数N分频配置使用(图13),HMC704以小数N分频配置使用。HMC704(图14)可以使用50 MHz PFD频率,这会降低N值,从而降低带内噪声,同时仍然支持1 MHz(或更小)的频率步长——可注意到性能改善15 dB(在8 kHz偏移频率处)(图15与图16对比)。但是,ADF4108必须使用1 MHz PFD才能实现相同的分辨率。

图13. 整数N分频PLL

图14. 小数N分频PLL

图15. 整数N分频PLL带内相位噪声

图16. 小数N分频PLL带内相位噪声

对于小数N分频PLL务必要小心,确保杂散不会降低系统性能。对于HMC704之类的PLL,整数边界杂散(当N值的小数部分接近0或1时产生,例如147.98或148.02非常接近整数值148)最需要关注。解决措施是对VCO输出到RF输入进行缓冲,以及/或者做精心的规划频率,改变REFIN以避免易发生问题的频率。

对于大多数PLL,带内噪声高度依赖于N值,也取决于PFD频率。从带内相位噪声测量结果的平坦部分减去20log(N)和10log(FPFD)得到品质因数(FOM)。选择PLL的常用指标是比较FOM。影响带内噪声的另一个因素是1/f噪声,它取决于器件的输出频率。FOM贡献和1/f噪声,再加上参考噪声,决定了PLL系统的带内噪声。

用于5G通信的窄带LO

对于通信系统,从PLL角度来看,主要规格有误差矢量幅度(EVM)和VCO阻塞。EVM在范围上与积分相位噪声类似,考虑的是一系列偏移上的噪声贡献。对于前面列出的5G系统,积分限非常宽,从1 kHz开始持续到100 MHz。EVM可被认为是理想调制信号相对于理想点的性能降幅百分比(图17)。

图17. 相位误差可视化

类似地,积分相位噪声将相对于载波的不同偏移处的噪声功率进行积分,表示通过配置可以计算EVM、积分相位噪声、均方根相位误差和抖动。现代信号源分析仪也会包含这些数值(图18),只需按一下按钮即可得到。随着调制方案中密度的增加,EVM变得非常重要。对于16-QAM,根据ETSI规范3GPP TS 36.104,EVM最低要求为12.5%。对于64-QAM,该要求为8%。然而,由于EVM包括各种其他非理想参数(功率放大器失真和不需要的混频产物引起),因此积分噪声通常有单独的定义(以dBc为单位)。

图18. 信号源分析仪图

VCO阻塞规范在需要考虑强发射存在的蜂窝系统中非常重要。如果接收器信号很弱,并且VCO噪声太高,那么附近的发射器信号可能会向下混频,淹没目标信号(图19)。图19演示了如果接收器VCO噪声很高,附近的发射器(相距800 kHz)以-25 dBm功率发射时,如何淹没-101 dBm的目标信号。这些规范构成无线通信标准的一部分。阻塞规范直接影响VCO的性能要求。

图19. VCO噪声阻塞

压控振荡器(VCO)

我们的电路中需要考虑的下一个PLL电路元件是压控振荡器。对于VCO,相位噪声、频率覆盖范围和功耗之间的权衡十分重要。振荡器的品质因数(Q)越高,VCO相位噪声越低。然而,较高Q电路的频率范围比较窄。提高电源电压也会降低相位噪声。

在ADI 的VCO系列中, HMC507 的覆盖范围为6650 MHz至7650 MHz,100 kHz时的VCO噪声约为-115 dBc/Hz。相比之下, HMC586 覆盖了从4000 MHz 到8000 MHz的全部倍频程,但相位噪声较高,为-100 dBc/Hz。为使这种VCO的相位噪声最小,一种策略是提高VCO调谐电压VTUNE的范围(可达20 V或更高)。这会增加PLL电路的复杂性,因为大多数PLL电荷泵只能调谐到5 V,所以利用一个由运算放大器组成的有源滤波器来提高PLL电路的调谐电压。

多频段集成PLL和VCO

另一种扩大频率覆盖范围而不恶化VCO相位噪声性能的策略是使用多频段VCO,其中重叠的频率范围用于覆盖一个倍频程的频率范围,较低频率可以利用VCO输出端的分频器产生。ADF4356就是这种器件,它使用四个主VCO内核,每个内核有256个重叠频率范围。该器件使用内部参考和反馈分频器来选择合适的VCO频段,此过程被称为VCO频段选择或自动校准。

多频段VCO的宽调谐范围使其适用于宽带仪器,可产生范围广泛的频率。此外,39位小数N分辨率使其成为精密频率应用的理想选择。在矢量网络分析仪等仪器中,超快开关速度至关重要。这可以通过使用非常宽的低通滤波器带宽来实现,它能非常快地调谐到最终频率。在这些应用中,通过使用查找表(针对每个频率直接写入频率值)可以绕过自动频率校准程序,也可以使用真正的单核宽带VCO,如HMC733 ,其复杂性更低。

对于锁相环电路,低通滤波器的带宽对系统建立时间有直接影响。低通滤波器是我们电路中的最后一个元件。如果建立时间至关重要,应将环路带宽增加到允许的最大带宽,以实现稳定锁定并满足相位噪声和杂散频率目标。通信链路中的窄带要求意味着使用HMC507时,为使积分噪声最小(30 kHz至100 MHz之间),低通滤波器的最佳带宽约为207 kHz(图20)。这会贡献大约-51 dBc的积分噪声,可在大约51μs内实现频率锁定,误差范围为1 kHz(图22)。

图20. 相位噪声HMC704加HMC507

图21. 相位噪声HMC704加HMC586

相比之下,宽带HMC586(覆盖4 GHz至8 GHz)以更接近300 kHz带宽的更宽带宽实现最佳均方根相位噪声(图21),积分噪声为-44 dBc。但是,它在不到27μs的时间内实现相同精度的频率锁定(图23)。正确的器件选择和周围电路设计对于实现应用的最佳结果至关重要。

图22. 频率建立:HMC704加HMC507

图23. HMC704加HMC586

低抖动时钟

对于高速DAC和ADC,干净的低抖动采样时钟是必不可少的构建模块。为使带内噪声最小,应选择较低的N值;但为使杂散噪声最小,最好选择整数N值。时钟往往是固定频率,因此可以选择频率以确保REFIN频率恰好是输入频率的整数倍。这样可以保证PLL带内噪声最低。选择VCO(无论集成与否)时,须确保其噪声对应用而言足够低,尤其要注意宽带噪声。然后需要精心放置低通滤波器,以确保带内PLL噪声与VCO噪声相交——这样可确保均方根抖动最低。相位裕度为60°的低通滤波器可确保滤波器峰值最低,从而最大限度地减少抖动。这样的话,低抖动时钟就落在本文讨论的第一个电路的时钟净化应用和所讨论的最后一个电路的快速开关能力之间。

对于时钟电路,时钟的均方根抖动是关键性能参数。这可以利用ADIsimPLL估算,或使用信号源分析仪测量。对于像 ADF5356这样的 高性能PLL器件,相对较宽的低通滤波器带宽(132 kHz),配合WenxelOCXO之类的超低REFIN源,允许用户设计均方根抖动低于90 fs的时钟(图26)。操纵PLL环路滤波器带宽(LBW)的位置表明,如果降低太多,VCO噪声在偏移较小时(图24)将开始占主导地位,带内PLL噪声实际上会降低,而如果提高太多的话,带内噪声在偏移处占主导地位,VCO噪声则显著降低(图25)。

图24. LBW = 10 kHz,331 fs抖动

图25. LBW = 500 kHz,111 fs抖动

图26. LBW = 132 kHz,83 fs抖动

ADI 行业领先的 PLL 频率合成器系列具有各种高性能、低抖动时钟生成和分配器件。该系列有100多种产品,品种丰富,仍在不断扩充,均针对高数据速率、低抖动时钟应用进行了优化,产品组合包括PLL、PLL/VCO和分配芯片,设计用于同步、时钟分配和相位噪声性能均至关重要的时钟应用。

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之前我们提到了以太网在工业领域被广泛应用的驱动力,并简单描述了网络通讯协议的多层模型。

然而,既然已经将以太网技术引入了工业领域,为什么大家还要煞费苦心的搞出好多专用的工业以太网协议,而没有沿用目前比较通用的以太网通讯标准(例如:TCP/IP、IEEE 802.3 ...)呢?以及,各家的工业以太网通讯协议,又有着怎样的差异呢?

关于这个问题,我们首先还是得了解普通以太网的工作机制,和工业系统对数据交互的实时性、确定性的要求。

我们知道,以太网的作用,其实是为设备间的数据交互提供了一种共享网络通讯服务。然而,当多台不同类型的设备连接在同一个网络系统中互相发送和接收各种数据信息时,就必定存在着潜在的传输冲突问题。这就好比很多人在一起开会,如果大家同时开口说话,就无法确保相互之间的有效沟通,因此必须事先预设一个沟通机制。

在传统的以太网中,所有的节点共享传输介质,为了能够保证有序、高效地为很多节点提供传输服务,在介质访问控制上通常会采用 CSMA / CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)带冲突检测的载波监听多路访问技术(载波监听多点接入/碰撞检测),也就是我们经常听说的 IEEE 802.3 协议标准。

它的工作原理是:发送数据前先侦听信道是否空闲;若空闲,则立即发送数据;若信道忙碌,则等待一段时间,至信道中的信息传输结束后再发送数据;若在上一段信息发送结束后,同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求,则判定为冲突;若侦听到冲突,则立即停止发送数据,等待一段随机时间,再重新尝试 ... 这就好像我们开会时,要约定每个人在说话前必须先倾听,只有等会场安静下来后,才能够发言。

然而,大家发现这其中的问题没有,就是在传统以太网中,避免数据传输冲突的方式居然是简单的“等待”,完全无法保证重要的数据/指令在确定的时间内及时收发;这就好比会议中,即使再重要的发言,也都要等到别人说完之后才能开始,并且还不知道要等多久,虽然避免了冲突,但却在一定程度上降低了重要信息的传达效率。

通用以太网这种非实时、非确定性,对于一般信息层的网络应用,往往算不上是什么太大的问题,因为在这些应用场合,人们对于数据传输的时间节点并不那么敏感,例如:我们通常不会太在意设备数据和网页画面在加载更新时出现的几毫秒或几十毫秒甚至几秒的延迟。

然而对于工业现场的产线设备,这种数据通讯的非确定性延时,就会严重的影响和制约其控制性能。尤其是在运控系统中,为了达到较高的动态响应特性,控制器与驱动器之间必须能以极为精准确定的时间周期进行位置/指令数据的高频交互,而这恰恰是传统的以太网技术无法做到的,也是早期的脉冲串和 SERCOS 总线能够长期统治运控江湖的主要原因。

于是,为了能够让工业设备中的控制器、传感器和执行器...等自动化组件之间的连接和通讯做到具备确定性和实时性,在将以太网的硬件介质应用到工业控制领域的过程中,各大自动化厂商就分别基于已有的现场总线技术和信息/控制系统,重新调整和规划了工业以太网的通讯机制。

例如:ProfiNet IRT 就在每个数据周期中,单独划出了一个同步通讯时段,专门用于实时数据的传输;而一般非实时数据的通讯,则只能在标准数据时段中进行,一旦进入同步通讯时段,就会立即暂停这些数据的传输。这与会议过程中为重要议题单独划出一段时间、并中止一切自由讨论,是类似的道理。

POWERLINK 则不仅将数据周期分割成同步和非同步时段,而且为了提升整个网络的通讯效率,它还通过单一主站(MN)为每个从站(CN)分配了固定的时间槽,并采用轮询机制来实现数据的实时交换。当系统从 SoC 开始启动等时同步传输后,MN 会按照分配好的时间槽逐一与每个 CN 进行一次数据交互。这相当于在会议中设定了一个主持人,与会者只能在规定好的时间节点和主持人进行单独交谈,而他们之间的交头接耳则是绝对不允许的。

而 EtherCAT 则是采取了一种“数据列车”的通讯方式,从主站发出的数据包会按照顺序沿各个从站节点接力传递,边传输边处理,最后返回到系统主站。在这个过程中,每个节点会按照自己的应用需要从“列车”上快速抓取数据,并将已经处理好要输出的数据装载到“列车”上。主站只需要发送一次数据,就能够完成与各个从站之间的数据交换。同时,由于每个站点发送数据的目标节点都是确定的,数据包中的地址信息也因此被简化了。

相比之下,EtherNet/IP 就没有在数据传输和交互的时序/动作上给网络中的设备设定什么限制,总体上还是沿用了通用以太网的基本协议规则。只是要求“发声”设备(Producer 生产者)在发送数据时按照约定规则为数据贴上类别标签,如:普通 I/O、运动控制、安全数据...,这样,接收端(Consumer 消费者)就会在收到数据后根据其所属类型的重要/紧急程度,决定是否接受优先使用该数据,或者稍后(甚至不做)响应。

目前市面上的工业以太网协议,除了上面提到的这些,其实还有很多,由于在实现以太网的实时通讯方面采取了极为不同的技术策略,它们在实际应用中也往往会表现出一定的性能差异,如:传输速率、响应周期、拓扑结构、易用性,开放性...等等。

同时我们也必须注意到,我们现在看到的各种工业以太网协议,基本上都是由相应的自动化厂商发起并作为“标准”进行推广的,用户对于网络技术的选择和应用体验,很大程度上还是会受到其背后的产品架构和技术体系的影响。

所以,从某种意义上说,我们基本上可以将这些所谓的工业以太网定义为,基于通用以太网物理介质的专属工业现场总线;同时,由于具备了实时的数据交互能力,它们应该可以被称作是第二代工业总线。

话说,第三代工业网络通讯技术已经来了...

本文转自:文章题目

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