簡(jiǎn)介

 

傳統(tǒng)無線電設(shè)備使用高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及正交調(diào)制器作為有線和無線通信鏈路的主要構(gòu)建模塊。經(jīng)典的外差、超外差和直接變頻架構(gòu)中發(fā)送器和接收器對(duì)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的要求是相同的，突破了數(shù)字處理到真實(shí)世界中的模擬信號(hào)和模擬信號(hào)到數(shù)字處理之間的界限。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進(jìn)步連同濾波器技術(shù)和功率放大器技術(shù)一起，奠定了無線電設(shè)計(jì)進(jìn)步的基礎(chǔ)。

 

采用一組基帶高速ADC構(gòu)建的經(jīng)典無線電發(fā)送器如圖1所示。 數(shù)字基帶數(shù)據(jù)通過兩個(gè)同步高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送，同相數(shù)據(jù) 通過I DAC，正交數(shù)據(jù)通過Q DAC。DAC輸出至正交調(diào)制器。 取決于調(diào)制器的類型，輸出可以是低中頻（比如200 MHz至 400 MHz），也可以是較高的IF頻率（比如500 MHz至1 GHz）， 甚至RF頻率（1 GHz至5 GHz范圍）。圖中顯示了后續(xù)上變頻至 實(shí)際的最終頻率。輸出信號(hào)采用帶通濾波器進(jìn)行濾波，然后通 過功率放大器和另一個(gè)帶通濾波器發(fā)送（可集成在雙工器內(nèi)）。

圖1. 使用高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的經(jīng)典超外差發(fā)送器圖例。

 

這類架構(gòu)常見的瞬時(shí)發(fā)送帶寬為幾十至幾百M(fèi)Hz，主要受轉(zhuǎn) 換器、功率放大器和濾波器帶寬的限制。對(duì)于最新的E頻段微 波回傳無線電等系統(tǒng)來說這是不夠的，這類系統(tǒng)要求500 MHz、1 GHz甚至2 GHz無線電通道帶寬。如果考慮使用無線 基礎(chǔ)設(shè)施基站（舉例而言）中可能采用的多頻段無線電，可 能需要同等寬度的500 MHz或700 MHz，甚至1 GHz，用來覆 蓋部分頻段組合。采用兩個(gè)傳統(tǒng)射頻通道也許可以滿足要求， 每頻段使用一個(gè)射頻通道。無論出于成本、尺寸或是其它因 素的考慮，將多個(gè)射頻通道合成一個(gè)射頻通道是更適合需求 的一個(gè)方案。此時(shí)便需要一種新的方法來實(shí)現(xiàn)。

 

 

高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)發(fā)展長(zhǎng)期側(cè)重于提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器速率， 同時(shí)保持性能指標(biāo)不變。性能指標(biāo)包括噪聲頻譜密度 (NSD) 和無雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 等項(xiàng)目。交調(diào)失真 (IMD) 亦很重 要—無論是單音信號(hào)還是調(diào)制信號(hào)， 比如GSM、3G (WCDMA)、4G (OFDM) 和使用256 QAM的有線應(yīng)用等普遍 使用的無線通信系統(tǒng)中的信號(hào)。

 

較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率能為無線電設(shè)計(jì)人員提供多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。首 先，信號(hào)鏡像被推向更高的頻率，使模擬重建濾波器的設(shè)計(jì) 更簡(jiǎn)單、更可靠。此外，更高的更新速率創(chuàng)造出更寬的第一 奈奎斯特區(qū)，進(jìn)而使轉(zhuǎn)換器可直接合成更高的輸出頻率。當(dāng) 直接頻率合成的信號(hào)足夠高的時(shí)候，整個(gè)的模擬頻率變換， 或者上變頻器就可以從無線電設(shè)備中移除。簡(jiǎn)化頻率規(guī)劃， 降低無線電的功耗并縮小尺寸。更高的更新速率增加了帶寬， 量化噪聲可以擴(kuò)展到更寬的有用帶寬內(nèi)，使處理設(shè)備獲得了 更好性能的發(fā)射噪聲頻譜密度。

 

隨著CMOS處理技術(shù)的進(jìn)步，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中加入信號(hào)處理 功能也變得十分普遍。DAC中增加的NCO和插值器特性集減 少了實(shí)現(xiàn)這些特性的FPGA或ASIC的負(fù)擔(dān)和功耗，同時(shí)DAC 相比沒有這些特性集時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率要求更低。較低的數(shù) 據(jù)速率降低了系統(tǒng)總功耗，某些情況下使數(shù)據(jù)芯片（布速范 圍最高300 MHz至400 MHz）得以跟上轉(zhuǎn)換器的速度。在芯片 上集成NCO可實(shí)現(xiàn)無線電的第一奈奎斯特區(qū)頻率在數(shù)字域中 的轉(zhuǎn)換，因此當(dāng)今無線電設(shè)計(jì)中通常采用數(shù)百M(fèi)Hz的中等頻 率，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中集成了NCO和插值器。

 

 

RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的改變之處在于其工作的最終轉(zhuǎn)換速率發(fā)生了 變化，并且新增的信號(hào)處理同樣可以處理這些速度的信號(hào)。 這些新的功能與速度的強(qiáng)大結(jié)合可以極大地改變無線電架構(gòu) 設(shè)計(jì)，為可重新配置和軟件定義無線電開啟了新的可能性。

圖2. AD9162和AD9164系列RF DAC框圖。

 

AD9162和AD9164系列RF DAC便是很好的例子。AD9162和 AD9164的框圖如圖2所示。AD9162是一款16位、6 GSPS RFDAC，集成從1倍旁路模式直到24倍插值的多種插值選項(xiàng)。插 值器工作帶寬為經(jīng)典的80%帶寬，或更寬的90%帶寬，后者瞬 時(shí)信號(hào)帶寬更高，功耗也略高。數(shù)據(jù)路徑同樣集成了最終半 帶插值器FIR85，圖2中以NCO之前的"HB 2×"模塊顯示，能有 效地使DAC更新速率翻倍，達(dá)到12 GSPS，可以將鏡像移動(dòng)至 更遠(yuǎn)處，放寬濾波要求。可選FIR85后接一個(gè)工作在6 GSPS更 新速率或12 GSPS更新速率（若FIR85使能）的48位數(shù)控振蕩 器 (NCO)。NCO 后面的反sinc 濾波器預(yù)先處理了送往 DAC 核的數(shù)據(jù)，從了矯正了DAC 輸出的sinc 包絡(luò)特性

 

DAC內(nèi)核采用ADI公司專利的四通道開關(guān)架構(gòu)1，提供出色的 無雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 和噪聲頻譜密度 (NSD)，具有業(yè)界最 佳的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)四通道開關(guān)還提供大家熟悉的DAC解碼 器選項(xiàng)：不歸零 (NRZ) 模式、歸零 (RZ) 模式和混頻模式™。 FIR85為DAC解碼器新增了一項(xiàng)新特性，稱為2xNRZ模式，后 文將會(huì)詳細(xì)解釋。

 

AD9164具有AD9162的基礎(chǔ)功能，同時(shí)以快速跳頻 (FFH) NCO引擎的形式加入了直接數(shù)字頻率合成 (DDS) 功能。FFH NCO具有多項(xiàng)獨(dú)特功能，因而非常適合用在高速測(cè)試儀器儀 表、本振替代品、安全無線電通信和雷達(dá)激勵(lì)器等市場(chǎng)。 FFH NCO引擎集成32個(gè)32位NCO，每一個(gè)都有自己的相位累 加器，同時(shí)提供選擇模塊，實(shí)現(xiàn)快速跳頻。

 

AD9162有兩款衍生產(chǎn)品，面向?qū)I(yè)市場(chǎng)。AD9161是一款11位、 6 GSPS RF DAC，集成最低2倍插值。AD9161 i的SFDR和NSD適 合電纜前端和遠(yuǎn)程PHY應(yīng)用，符合DOCSIS 3.0規(guī)范。較低的信 號(hào)帶寬和動(dòng)態(tài)范圍使AD9161無需進(jìn)口許可證。AD9163是一款 16位、6 GSPS RF DAC，具有最低6倍插值，保留了AD9162主 產(chǎn)品的全動(dòng)態(tài)范圍。器件的全動(dòng)態(tài)范圍以及1 GHz寬瞬時(shí)帶寬 加上全范圍NCO使其適合單頻段或雙頻段無線基礎(chǔ)設(shè)施基站應(yīng) 用和傳統(tǒng)頻段中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波系統(tǒng)，同時(shí)具有無需進(jìn)口許可證 的優(yōu)勢(shì)。表1總結(jié)了該產(chǎn)品系列和主要特性。

 

表1. AD9162 和AD9164 系列6 GSPS RF DAC 特性與目標(biāo)市場(chǎng)匯總

 

數(shù)據(jù)通過8通道、12.5 GBPS JESD204B接口輸入AD9162和 AD9164。此高速串行接口減少了數(shù)字基帶器件與DAC相連所 需的導(dǎo)線數(shù)量，簡(jiǎn)化了電路板的布局復(fù)雜性。數(shù)據(jù)手冊(cè)給出 了接口操作的詳細(xì)指南，ADI網(wǎng)站上給出了JESD204B接口詳 細(xì)指南。

 

AD9162和AD9164數(shù)據(jù)路徑上的第一個(gè)插值器是一個(gè)2倍半帶 或3倍第三頻段濾波器。這兩個(gè)濾波器都有可選80%或90%信 號(hào)帶寬。兩個(gè)濾波器均提供85 dB或更高的阻帶抑制。90%濾 波器工作需要較高的功耗消耗，因?yàn)樗鼈兊慕刂固匦愿盖停?因此抽頭數(shù)量也更多。其余2倍半帶濾波器全部工作在90%帶 寬，支持全部的第一插值器。FIR85同樣工作在90%帶寬。由 于后續(xù)所有濾波器都一路沿著插值路線，因此它們可以工作 在90%帶寬，且功耗幾乎不增加。

 

FIR85使能時(shí)可提供2xNRZ模式，其實(shí)現(xiàn)方式與其它插值濾波 器有所不同。它利用DAC的四通道開關(guān)架構(gòu)，并在DAC時(shí)鐘 的上升和下降沿對(duì)數(shù)據(jù)采樣。這種采樣方式在每一個(gè)時(shí)鐘邊 沿處采樣新數(shù)據(jù)，因此可以使DAC的采樣速率翻倍，高達(dá)12 GSPS。這樣就將信號(hào)鏡像從fDAC – fOUT外推至2xfDAC – fOUT， 更容易通過可以實(shí)現(xiàn)的模擬濾波器過濾鏡像。這種采樣和插 值方式使DAC的輸出對(duì)時(shí)鐘平衡更為敏感，但可以調(diào)節(jié)DAC 時(shí)鐘輸入，達(dá)到更佳的性能。這些調(diào)節(jié)是通過串行外設(shè)接口 (SPI) 對(duì)寄存器編程而實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出了詳細(xì)信息。

 

48位NCO是一個(gè)完全正交NCO，可實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的無鏡 像頻率偏移或單個(gè)信號(hào)音的直接數(shù)字頻率合成。NCO有兩種 可選工作模式，即相位連續(xù)或相位斷續(xù)頻率開關(guān)模式。在相 位連續(xù)開關(guān)模式下，頻率調(diào)諧字 (FTW) 更新，但相位累加器 不復(fù)位，導(dǎo)致相位頻率連續(xù)改變。在相位斷續(xù)模式下，當(dāng) FTW更新時(shí)，相位累加器復(fù)位。串行外設(shè)接口 (SPI) 保證具有 100 MHz，可實(shí)現(xiàn)FTW的快速更新。

 

AD9164的NCO引入了一項(xiàng)重要的特性—快速跳頻NCO (FFH NCO)。FFH NCO額外集成31個(gè)32位NCO，每一個(gè)都有自己的 相位累加器。每一個(gè)NCO都有自己的FTW，因此器件內(nèi)總共 可以編程32個(gè)NCO FTW。提供一個(gè)FTW選擇寄存器，以便 SPI寄存器字節(jié)的單次寫操作可以完成一次精度為32位的新頻 率跳頻。這意味著通過100 MHz SPI可以在240 ns內(nèi)以單字節(jié) 寫操作選擇新的FTW。

 

FFH NCO具有額外的相位相干跳頻模式，適合儀器儀表和軍 事應(yīng)用。相位相干跳頻對(duì)于測(cè)試應(yīng)用而言很重要，此外對(duì)于 需要跟蹤激勵(lì)器信號(hào)相位以供后續(xù)使用的雷達(dá)應(yīng)用也很重要。 相位相干跳頻可從一個(gè)頻率變化到另一個(gè)頻率并再次返回原 來的頻率，而不會(huì)丟失原來頻率的相位累加。換言之，它可 以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)頻率到另一個(gè)頻率然后返回上一個(gè)頻率，就像 頻率從未改變一樣。

 

 

AD9162和AD9164的信號(hào)處理特性和高采樣速率可以簡(jiǎn)化圖1 中的射頻架構(gòu)。更新后的圖形如圖3所示。由于RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 可以直接以所需的輸出頻率合成信號(hào)，因此不再需要正交調(diào) 制器或上變頻混頻器。信號(hào)在數(shù)字處理器中建立，通過RF數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換器輸出，因而大幅減少了需要部署的硬件數(shù)量。此外， 無線電也更容易實(shí)現(xiàn)，LO和DAC輸入無需校準(zhǔn)至正交調(diào)制器 以便抑制LO泄露和干擾鏡像，因?yàn)檎{(diào)制器以數(shù)字方式在RF數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

圖3. 采用RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的無線電發(fā)送器架構(gòu)。

 

此類架構(gòu)僅有一個(gè)模擬低通濾波器濾除數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器鏡像，為 可重新配置無線電或軟件定義無線電開啟了新機(jī)遇?？梢允?用相同的數(shù)字器件—RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和重構(gòu)低通濾波器，只需 改變功率放大器和帶通濾波器即可實(shí)現(xiàn)各種不同的無線電。 圖4顯示了一個(gè)無線基站雙頻段發(fā)送器輸出示例，其在1800 MHz時(shí)有5個(gè)5 MHz WCDMA載波，在2100 MHz時(shí)有3 個(gè)5 MHz WCDMA。圖5顯示了一個(gè)合規(guī)的有線前端發(fā)送器輸出示 例，寬度為194 6 MHz，在50 MHz至1.2 GHz的DOCSIS 3.1頻 譜中具有256 QAM載波。圖6顯示了一個(gè)快速跳頻示例，駐留 時(shí)間為260 ns，其中寄存器編程時(shí)間為240 ns（單字節(jié)寫入）， 跳頻時(shí)間為20 ns。圖7顯示了AD9164出色的相位噪聲性能， 當(dāng)采用4 GHz恒溫晶體振蕩器并合成一個(gè)3.9 GHz正弦波時(shí)， 性能優(yōu)于–125 dBc/Hz（10 kHz失調(diào)）。

圖4. 雙頻段WCDMA信號(hào)（1.8 GHz和2.1 GHz頻段）。

圖5. DOCSIS 3.1頻段內(nèi)的194 6 MHz 256 QAM信號(hào)（50 MHz至 1.2 GHz）。

圖6. AD9164的快速跳頻性能—每跳260 ns駐留時(shí)間。

圖7. AD9164的總相位噪聲性能。DAC時(shí)鐘信號(hào)源：4 GHz恒溫晶體振蕩器，具有最高600 kHz失調(diào)特性，這樣的信號(hào)發(fā)生器具有高于600 kHz的失調(diào)特性。

 

結(jié)論

 

RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以簡(jiǎn)化無線電架構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過省卻無線電 信號(hào)鏈上的很多元件而縮小尺寸。AD9162和AD9164的RF數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換器中集成了一組令人激動(dòng)的功能和出色的RF性能，可 滿足各種無線電發(fā)送器應(yīng)用，展現(xiàn)出了真正的軟件定義無線 電比過去任何時(shí)候都要更接近現(xiàn)實(shí)。