Understanding the ADRV9009 Receive Chain Digital Filters (100MHz Bandwidth Case Study)

Verständnis der digitalen Filter der Empfangskette des ADRV9009 (Fallstudie 100 MHz Bandbreite)

Apr 01, 2026

Verständnis der digitalen Filter in der Empfangskette des ADRV9009

Ein detaillierter Überblick über die Empfangssignalkette des ADRV9009 – von der Quadraturmischung bis zu den programmierbaren FIR-Filtern. Eine Fallstudie mit 100 MHz Bandbreite und Analyse der Filterkoeffizienten.

Die Empfangskette des ADRV9009 besteht aus den folgenden Stufen in der Reihenfolge des Signalflusses: Quadraturmischung (Modulation/Demodulation), TIA (Transimpedanzverstärker), ADC, erste Dezimationsstufe, zweite Dezimationsstufe, programmierbarer FIR-Filter (mit Dezimationsoption), Quadraturkorrektur, DC-Korrektur, DC-Verstärkung und ZF-Übersetzung.

Quadraturmischung (Demodulation)

Jeder Kanal enthält zwei Mischer und ein Quadratur-Lokaloszillator (LO)-Signal. Im ADRV9009 teilen sich RX1/2 und TX1/2 einen gemeinsamen LO-Generator, was den Betrieb auf den TDD-Modus beschränkt – der FDD-Modus wird nicht unterstützt. Das LO-Signal wird durch die interne PLL unter Verwendung eines externen Referenztakts synthetisiert. Das LO-Phasenrauschen wirkt sich direkt auf das EVM der Sendemodulation und die Empfängerleistung aus, wodurch die Qualität des externen Referenztakts (Phasenrauschen, Stabilität) im Hardwaredesign entscheidend ist.

Wichtige Beobachtung: Nach der Zero-IF-Quadraturdemodulation beträgt die Basisbandbandbreite der I/Q-Zweige nur die Hälfte der des reellen Signals.

100 MHz Signalbandbreiten-Fallstudie (Abtastrate: 1966,08 MHz)

Diese Analyse verwendet eine Konfiguration, die auf eine reelle Signalbandbreite von 100 MHz abzielt. Die ADC-Abtastrate beträgt 1966,08 MHz, und Dezimationsstufen reduzieren progressiv die Datenrate, während der Anti-Aliasing-Schutz erhalten bleibt.

Kritisches Konzept: Dezimierung & Anti-Aliasing

Alle Abtastsysteme müssen das Nyquist-Kriterium erfüllen (Abtastrate ≥ 2 × Signalbandbreite). Die technische Praxis hält in der Regel ein Mindestverhältnis von etwa 2,5 × ein, das der ADRV9009 in seinen Konfigurationen erfüllt.

Nach einer R-fachen Dezimierung reduziert sich die maximale Signalbandbreite, die die abgetasteten Daten tragen können, auf (fs_original / (2R)). Wenn sich die Nyquist-Frequenz nach der Dezimierung der tatsächlichen Signalbandbreite nähert, muss das Übergangsband des Dezimationsfilters schmaler werden – was höhere Filterordnungen erfordert. Folglich verwenden spätere Dezimationsstufen Filter höherer Ordnung.

Erste Dezimationsstufe (DEC5 / Halbband-4x-Dezimierung)

Der erste Dezimationsfaktor wird basierend auf dem Signalbandbreitenparameter ausgewählt: entweder 5x-Dezimierung oder 4x-Dezimierung (zwei kaskadierte Halbbandfilter).

5x-Dezimierung

  • Da eine Dezimierung um den Faktor 5 nicht mit einem Halbbandfilter implementiert werden kann, wird ein 33-Tap-FIR-Filter verwendet.
  • Eine direkte 5x-Dezimierung erfordert eine starke Anti-Aliasing-Filterung; der 33-Tap-Filter bietet die notwendige Dämpfung.
  • DEC5 wird typischerweise für Signalbandbreiten zwischen 100 MHz und 200 MHz verwendet (z. B. 150 MHz Konfigurationen).
% DEC5 Filterkoeffizienten (33 Taps)
DEC5 = [0.002197, 0.004272, 0.006836, 0.008789, 0.008545, 0.003418, -0.004639, ...
        -0.015381, -0.025512, -0.029785, -0.022461, -0.002441, 0.03125, 0.074707, ...
        0.119141, 0.155396, 0.176758, 0.176758, 0.155396, 0.119141, 0.074707, ...
        0.03125, -0.002441, -0.022461, -0.029785, -0.025512, -0.015381, -0.004639, ...
        0.003418, 0.008545, 0.008789, 0.006836, 0.004272, 0.002197];

% freqz(DEC5); title('DEC5 Dezimationsfilter-Antwort - 33 Taps');

4x-Dezimierung: Zweistufiges Halbband

  • Die 4x-Dezimierung wird mittels zweier kaskadierter Halbbandfilter (HB) realisiert.
  • Erster HB-Filter: 8 Taps. Die Eingangssamplerate ist am höchsten (1966,08 MHz). Bei einer I/Q-Basisband-Signalbandbreite von 50 MHz (100 MHz reell) genügt ein Filter niedrigerer Ordnung.
  • In diesem Fall reicht das Passband des ersten HB-Filters bis zu ~0,23 normalisierter Frequenz (~230 MHz), mit einer Flachheit von 0,2 dB von DC bis 100 MHz.
  • Anti-Aliasing-Erklärung: Bei 2x-Dezimierung aliasieren Frequenzen im normalisierten Band von 0,5–1,0 in 0–0,5. Der HB-Filter bietet eine Unterdrückung von >67 dB von 0,77–1,0, wodurch Aliasing in den DC–0,23-Bereich effektiv eliminiert wird. Inhalte im Übergangsband (0,23–0,77) werden von nachfolgenden Filtern behandelt.
% Erster Halbbandfilter (RHB3) - 8 Taps
RHB3 = [-0.01874, -0.04218, 0.050476, 0.293884, 0.439636, 0.293884, 0.050476, -0.04218, -0.01874];
% freqz(RHB3); title('RHB3 Filterantwort - 8 Taps');

  • Zweiter HB-Filter: 18 Taps. Die Eingangsdatenrate wird auf Fs/2 reduziert. Die Signalbandbreite belegt DC–0,2 normalisiert (DC–50 MHz).
  • Das Passband reicht bis 0,32 normalisiert; die In-Band-Flachheit innerhalb von DC–0,2 beträgt 0,004 dB.
  • Dieser Filter unterdrückt Komponenten von 0,68–1,0, verhindert Aliasing in den DC–0,32-Bereich und lässt ein Schutzband (0,2–0,32) übrig.
% Zweiter Halbbandfilter (RHB2) - 18 Taps
RHB2 = [0.003174, 0, -0.01239, 0, 0.03418, 0, -0.08551, 0, 0.310913, 0.5, ...
        0.310913, 0, -0.08551, 0, 0.03418, 0, -0.01239, 0, 0.003174];
% freqz(RHB2); title('RHB2 Filterantwort - 18 Taps');

Zweite Dezimationsstufe (RHB1 Halbbanddezimierung)

  • Nach der ersten Dezimationsstufe wird die Datenrate auf Fs/4 reduziert, während die Signalbandbreite unverändert bleibt.
  • Um Aliasing zu vermeiden, benötigt die zweite Stufe einen Filter höherer Ordnung mit steilerem Abfall.
  • Der ADRV9009 verwendet einen 78-Tap-Halbbandfilter (RHB1). Sein Übergangsband ist extrem schmal (<0,1 normalisierte Frequenz), mit einer Sperrbanddämpfung von über 70 dBc.
  • Für 200 MHz Bandbreitenkonfigurationen wird dieser Filter umgangen.
% RHB1 Filter - 78 Taps (Teilliste)
RHB1 = [-0.000122, 0, 0.000244, 0, -0.000488, 0, 0.000854, 0, -0.001221, 0, ...
        0.001831, 0, -0.002502, 0, 0.003479, 0, -0.004700, 0, 0.006287, 0, ...
        -0.008179, 0, 0.010620, 0, -0.013611, 0, 0.017578, 0, -0.022766, 0, ...
        0.030029, 0, -0.040955, 0, 0.059998, 0, -0.103027, 0, 0.313721, 0.493652, ...
        0.313721, 0, -0.103027, 0, 0.059998, 0, -0.040955, 0, 0.030029, 0, ...
        -0.022766, 0, 0.017578, 0, -0.013611, 0, 0.010620, 0, -0.008179, 0, ...
        0.006287, 0, -0.004700, 0, 0.003479, 0, -0.002502, 0, 0.001831, 0, ...
        -0.001221, 0, 0.000854, 0, -0.000488, 0, 0.000244, 0, -0.000122];
% freqz(RHB1); title('RHB1 Filterantwort');

Dritte Dezimationsstufe (RFIR – Programmierbarer FIR-Filter)

  • RFIR unterstützt Dezimierung um 1, 2 oder 4 oder kann umgangen werden.
  • Wird verwendet, um den Frequenzgangabfall des analogen TIA-Tiefpassfilters zu kompensieren.
  • Konfigurierbare Filterlängen: 24, 48 oder 72 Taps. Niedrigere Ausgangsdatenraten ermöglichen höhere Filterordnungen.
  • Programmierbare Verstärkungsoptionen: +6 dB, 0 dB, −6 dB oder −12 dB.
  • Die maximale Anzahl der Taps ist durch die FIR-Taktrate (DPCLK, max. 500 MHz) begrenzt. DPCLK = ADC-Taktrate ÷ 4 (wenn HB-Filter verwendet werden) oder ÷ 5 (wenn DEC5 verwendet wird).
  • Formel: Maximale Filter-Taps = (DPCLK-Taktrate ÷ Empfänger-I/Q-Datenrate) × 24
  • In dieser Fallstudie: DPCLK = 245,76 MHz, Empfänger-I/Q-Datenrate = 122,88 MHz → RFIR verwendet 48 Taps.
Zusammenfassung: Der ADRV9009 erreicht flexible Bandbreitenkonfigurationen durch die Steuerung von Abtastraten und Dezimationsfaktoren. Um jedoch die Mindestschnittstellenraten von JESD204B einzuhalten, gibt es eine minimal konfigurierbare Bandbreite – laut offiziellen Konfigurationstools etwa 40 MHz. Für Anwendungen, die Bandbreiten unter 40 MHz erfordern, müssen zusätzliche Dezimierung (RX) und Interpolation (TX) in der FPGA-Basisbandverarbeitung implementiert werden.

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