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鑒于SDR的接收器僅僅由一個(gè)低噪聲放大器 (LNA) 和一個(gè)濾波器和ADC組成，隨著(zhù)半導體行業(yè)在RF采樣模數轉換器 (ADC) 領(lǐng)域的進(jìn)步，那些預見(jiàn)到真正軟件定義無(wú)線(xiàn)電 (SDR) 的系統工程師們借此得以實(shí)現了之前的設想。例如：在RF波段范圍處于700MHz到3.8GHz之間的蜂窩通信基礎設施中，這一愿望就將很快成為現實(shí)。這是因為隨著(zhù)越來(lái)越多功能越來(lái)越強大的設備的涌現，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)對更小外形尺寸、更低系統功耗和更高密度的要求，從而讓系統設計師的構想成為可能。 目前的高性能接收器主要使用一種外差架構，在這種架構中，輸入信號的RF范圍在700MHz到數兆赫茲之間，隨后下行轉換為DC-500MHz之間的低中頻 (IF)。例如在某些諸如軍用雷達的應用中，當從10GHz(X波段)或者25至40GHz(Ka波段)范圍內高很多的初級RF波段進(jìn)行下行轉換時(shí)，次級IF就在1至3GHz范圍(S波段，L波段)。 RF采樣ADC直接采集RF輸入，并因此取代了圖1中所示的整個(gè)下行轉換級。由于不使用RF本地振蕩器 (LO)、混音器和額外的增益與濾波級，從而節省了印刷電路板 (PCB) 面積，并可以實(shí)現更加緊湊的系統設計。ADC的兆赫茲采樣時(shí)鐘，在輸入處于第二那奎斯特區間內或者更高區間內時(shí)，將已采樣RF能量下行轉換為較低的數字中間頻率，從而成為高效LO。與外差架構中的混音器LO相類(lèi)似，ADC時(shí)鐘需要極佳的相位噪聲來(lái)防止來(lái)自較大信號的能量混合進(jìn)入小信號所處的同一頻率，因為這樣會(huì )降低接收器的靈敏度。 傳統RF采樣ADC需要極寬的數字接口來(lái)輸出數據。由于低壓差分信令 (LVDS) 通常情況下的速度最高只有大約1Gbps，所以一個(gè)12位，4Gsps ADC將會(huì )需要大約49個(gè)差分對(其中的48個(gè)用于數據，剩余的一個(gè)用于時(shí)鐘)。這就要求足夠大的封裝尺寸，和在PCB上較大的走線(xiàn)面積。而例如ADC12J4000使用了一款10Gbps JESD204b接口，只用8個(gè)差分對即可傳送同樣的數據量—將所需的差分對數量減少了83%(圖2)。對于窄帶應用來(lái)說(shuō)，片上數字抽取濾波器 (DDC) 可實(shí)現片上芯片濾波，以進(jìn)一步減少數據流量和所需的信道數量。例如，一個(gè)帶寬為100MHz的信號，只使用一條5Gbps的單信道即可以250Msps的速度進(jìn)行傳輸(具有IQ輸出的抽取因子32)。 RF采樣ADC的信噪比 (SNR) 遠遠低于IF采樣ADC，然而動(dòng)態(tài)范圍并沒(méi)有變差。其原因是它們用過(guò)采樣來(lái)彌補了其中的差距，并且通過(guò)將每赫茲水平的SNR標準化實(shí)現了差不多的SNR。 例如，信噪比為70dB SNR的14位，250Msps ADC的噪聲頻譜密度 (NSD) 為-151dBFS/Hz，而信噪比為55dB SNR的12位，4Gsps ADC的NSD為-148dBFS/Hz。它們之間的差異只有3dB。 RF采樣ADC的優(yōu)勢 RF采樣ADC有兩個(gè)明顯優(yōu)勢，一是將大量信號帶寬數字化，二是直接在RF上捕捉信號，從而簡(jiǎn)化了信號鏈。 但它還有一個(gè)鮮少被提及的優(yōu)勢，即在所需信號波段遠遠小于采樣率時(shí)，它能夠使用快速采樣率進(jìn)行頻率規劃。選擇一個(gè)至少比信號帶寬快5至10倍的采樣率可以使系統設計人員能夠規劃那些無(wú)法濾除的帶內干擾源的負面影響，因此可實(shí)現更好的動(dòng)態(tài)范圍。 與外差接收器正好相類(lèi)似的是，ADC的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 性能限制了對低輸入信號的檢測功能(圖3)。所需帶寬內的干擾源(或者是通信基礎設施中的攔截器)是無(wú)法濾除的。這就要求信號鏈降低增益來(lái)避免ADC飽和。信號鏈中減少的增益會(huì )削弱把小信號(例如，“有用信號B”)提升到ADC噪底以上的能力，因而不能進(jìn)行適當的檢測。帶內干擾源的諧波雜散還會(huì )落在有用信號的頂部，從而限制了接收器的靈敏度。這是軍用雷達(用來(lái)偵測小型物體)，軟件定義無(wú)線(xiàn)電和蜂窩基站中的一個(gè)關(guān)鍵要素。 在過(guò)采樣配置中使用RF采樣ADC(諸如ADC12J4000)可以避免干擾源的限制諧波對小幅有用信號的阻斷。例如，200MHz的所需帶寬可在中央頻率為1.75GHz的RF上，以4Gsps的采樣率進(jìn)行采樣。前四個(gè)通常是高速ADC中最差的諧波(HD2，HD3，HD4和HD5)，以及其他來(lái)自帶內干擾源的交叉雜散就全都落在了波段之外(圖4)。 ADC采樣率的加快也放寬了對為驅動(dòng)放大器所需的對抗混疊濾波器的要求。200MHz波段可以用500Msps ADC進(jìn)行采樣，但是將會(huì )需要非常精確的濾波器，這是因為下一個(gè)圖像只隔了50MHz(假定波段在那奎斯特區域的中心)。相反地，采樣率為4Gsps，以1.75GHz為中心的同一波段，就只需要和針對最近距離大約為300MHz的圖像(混疊 = 2.15-2.35GHz，交叉圖像 = 1150-1350MHz)同樣的波段外濾波器衰減技術(shù)規格，對濾波器的要求就放寬了許多。 在成功使用頻率規劃后，SFDR性能只受到較高階諧波(不是HD2-5中的任何一個(gè))的限制�？梢酝ㄟ^(guò)采用小信號抖動(dòng)來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)這些較高階雜散。兆采樣RF ADC的高采樣率提供很多“未占用”頻譜，可將波段受限抖動(dòng)放置在其中，而又不會(huì )影響到任何有用信號(圖5)。 抖動(dòng)是軟件定義無(wú)線(xiàn)電中的常用技術(shù)，并且可將雜散底噪改進(jìn)5至10dB。 總結 目前諸如ADC12J4000的RF采樣ADC可以大大提高超寬波段接收器的使用和性能。其高輸入帶寬在RF上直接實(shí)現了信號的數字化，與此同時(shí)，快速采樣率又降低了濾波器要求，并實(shí)現了帶內干擾器諧波周?chē)念l率規劃。通過(guò)添加片上數字濾波器來(lái)大大降低數字接口數據流量，從而使ADC12J4000成為小型、低功耗、下一代數字無(wú)線(xiàn)電的完美選擇 。 作者：Tommy Neu，德州儀器 (TI)系統工程師 |
