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作者： Daniel E. Fague，ADI公司 摘要 高速數據轉換器用于通信應用已有多年，它存在于很多設備 中，這些設備組成了我們的互連世界—從蜂窩手機基站，到有線(xiàn)電話(huà)前端設備，再到雷達和專(zhuān)業(yè)通信系統。最近的技術(shù) 進(jìn)步使高速數據轉換器的時(shí)鐘速率具有越來(lái)越高的頻率。這 些時(shí)鐘速率較高的數據轉換器與JESD204B高速串行接口配合使用，使DAC的有效控制和輸出數據的傳輸得已實(shí)現。形成 了一種全新的轉換器類(lèi)型，稱(chēng)為RF（射頻）數據轉換器。它 們可以直接頻率合成或捕捉RF信號，無(wú)需使用具有模擬無(wú)線(xiàn) 電鏈路的傳統上變頻或下變頻。 本文重點(diǎn)討論最新的RF數模轉換器 (RF DAC) 系列產(chǎn)品— AD9162和AD9164，及其擴展軟件定義無(wú)線(xiàn)電 (SDR) 定義的 能力。AD9164使RF DAC產(chǎn)品達到了全新的性能等級，讓傳 統的無(wú)線(xiàn)電設計相比前代的RF或IF類(lèi)DAC更高效。世界一流 的性能加上豐富的功能讓AD9164成為系統之間開(kāi)關(guān)無(wú)線(xiàn)電的 首選，并向真正的軟件定義無(wú)線(xiàn)電前進(jìn)了一步。 簡(jiǎn)介 傳統無(wú)線(xiàn)電設備使用高速數據轉換器以及正交調制器作為有 線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信鏈路的主要構建模塊。經(jīng)典的外差、超外差和 直接變頻架構中發(fā)送器和接收器對于數據轉換器的要求是相 同的，突破了數字處理到真實(shí)世界中的模擬信號和模擬信號 到數字處理之間的界限。數據轉換器技術(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(wú)線(xiàn)電設計進(jìn)步的基礎。 采用一組基帶高速ADC構建的經(jīng)典無(wú)線(xiàn)電發(fā)送器如圖1所示。 數字基帶數據通過(guò)兩個(gè)同步高速數據轉換器發(fā)送，同相數據 通過(guò)I DAC，正交數據通過(guò)Q DAC。DAC輸出至正交調制器。 取決于調制器的類(lèi)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）。圖中顯示了后續上變頻至 實(shí)際的最終頻率。輸出信號采用帶通濾波器進(jìn)行濾波，然后通 過(guò)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）。 
圖1. 使用高速數據轉換器的經(jīng)典超外差發(fā)送器圖例。 這類(lèi)架構常見(jiàn)的瞬時(shí)發(fā)送帶寬為幾十至幾百MHz，主要受轉 換器、功率放大器和濾波器帶寬的限制。對于最新的E頻段微 波回傳無(wú)線(xiàn)電等系統來(lái)說(shuō)這是不夠的，這類(lèi)系統要求500 MHz、1 GHz甚至2 GHz無(wú)線(xiàn)電通道帶寬。如果考慮使用無(wú)線(xiàn) 基礎設施基站（舉例而言）中可能采用的多頻段無(wú)線(xiàn)電，可 能需要同等寬度的500 MHz或700 MHz，甚至1 GHz，用來(lái)覆 蓋部分頻段組合。采用兩個(gè)傳統射頻通道也許可以滿(mǎn)足要求， 每頻段使用一個(gè)射頻通道。無(wú)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(lái)實(shí)現。 支持技術(shù) 高速數據轉換器的技術(shù)發(fā)展長(cháng)期側重于提高數據轉換器速率， 同時(shí)保持性能指標不變。性能指標包括噪聲頻譜密度 (NSD) 和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 等項目。交調失真 (IMD) 亦很重 要—無(wú)論是單音信號還是調制信號， 比如GSM、3G (WCDMA)、4G (OFDM) 和使用256 QAM的有線(xiàn)應用等普遍 使用的無(wú)線(xiàn)通信系統中的信號。 較高的數據轉換速率能為無(wú)線(xiàn)電設計人員提供多項優(yōu)勢。首 先，信號鏡像被推向更高的頻率，使模擬重建濾波器的設計 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，進(jìn)而使轉換器可直接合成更高的輸出頻率。當 直接頻率合成的信號足夠高的時(shí)候，整個(gè)的模擬頻率變換， 或者上變頻器就可以從無(wú)線(xiàn)電設備中移除。簡(jiǎn)化頻率規劃， 降低無(wú)線(xiàn)電的功耗并縮小尺寸。更高的更新速率增加了帶寬， 量化噪聲可以擴展到更寬的有用帶寬內，使處理設備獲得了 更好性能的發(fā)射噪聲頻譜密度。 隨著(zhù)CMOS處理技術(shù)的進(jìn)步，在數據轉換器中加入信號處理 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)現這些特性的FPGA或ASIC的負擔和功耗，同時(shí)DAC 相比沒(méi)有這些特性集時(shí)的數據傳輸速率要求更低。較低的數 據速率降低了系統總功耗，某些情況下使數據芯片（布速范 圍最高300 MHz至400 MHz）得以跟上轉換器的速度。在芯片 上集成NCO可實(shí)現無(wú)線(xiàn)電的第一奈奎斯特區頻率在數字域中 的轉換，因此當今無(wú)線(xiàn)電設計中通常采用數百MHz的中等頻 率，這是因為數據轉換器中集成了NCO和插值器。 信號處理RF DAC RF數據轉換器的改變之處在于其工作的最終轉換速率發(fā)生了 變化，并且新增的信號處理同樣可以處理這些速度的信號。 這些新的功能與速度的強大結合可以極大地改變無(wú)線(xiàn)電架構 設計，為可重新配置和軟件定義無(wú)線(xiàn)電開(kāi)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 RF DAC，集成從1倍旁路模式直到24倍插值的多種插值選項。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)信號帶寬更高，功耗也略高。數據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，達到12 GSPS，可以將鏡像移動(dòng)至 更遠處，放寬濾波要求�？蛇xFIR85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位數控振蕩 器 (NCO)。NCO 后面的反sinc 濾波器預先處理了送往 DAC 核的數據，從了矯正了DAC 輸出的sinc 包絡(luò )特性。 DAC內核采用ADI公司專(zhuān)利的四通道開(kāi)關(guān)架構1，提供出色的 無(wú)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(kāi)關(guān)還提供大家熟悉的DAC解碼 器選項：不歸零 (NRZ) 模式、歸零 (RZ) 模式和混頻模式™。 FIR85為DAC解碼器新增了一項新特性，稱(chēng)為2xNRZ模式，后 文將會(huì )詳細解釋。 AD9164具有AD9162的基礎功能，同時(shí)以快速跳頻 (FFH) NCO引擎的形式加入了直接數字頻率合成 (DDS) 功能。FFH NCO具有多項獨特功能，因而非常適合用在高速測試儀器儀 表、本振替代品、安全無(wú)線(xiàn)電通信和雷達激勵器等市場(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)現快速跳頻。 AD9162有兩款衍生產(chǎn)品，面向專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)。AD9161是一款11位、 6 GSPS RF DAC，集成最低2倍插值。AD9161的SFDR和NSD適 合電纜前端和遠程PHY應用，符合DOCSIS 3.0規范。較低的信 號帶寬和動(dòng)態(tài)范圍使AD9161無(wú)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(wú)線(xiàn)基礎設施基站應 用和傳統頻段中的點(diǎn)對點(diǎn)微波系統，同時(shí)具有無(wú)需進(jìn)口許可證 的優(yōu)勢。表1總結了該產(chǎn)品系列和主要特性。 表1. AD9162 和AD9164 系列6 GSPS RF DAC 特性與目標市場(chǎng)匯總
數字數據路徑特點(diǎn) 數據通過(guò)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字基帶器件與DAC相連所需的導線(xiàn)數量，簡(jiǎn)化了電路板的布局復雜性。數據手冊給出了接口操作的詳細指南，ADI網(wǎng)站上給出了 JESD204B接口詳細指南。 AD9162和AD9164數據路徑上的第一個(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，因為它們的截止特性更陡峭，因此抽頭數量也更多。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。由于后續所有濾波器都一路沿著(zhù)插值路線(xiàn)，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)現方式與其它插值濾波器有所不同。它利用DAC的四通道開(kāi)關(guān)架構，并在DAC時(shí)鐘的上升和下降沿對數據采樣。這種采樣方式在每一個(gè)時(shí)鐘邊沿處采樣新數據，因此可以使DAC的采樣速率翻倍，高達12GSPS。這樣就將信號鏡像從fDAC – fOUT外推至2xfDAC – fOUT，更容易通過(guò)可以實(shí)現的模擬濾波器過(guò)濾鏡像。這種采樣和插值方式使DAC的輸出對時(shí)鐘平衡更為敏感，但可以調節DAC 時(shí)鐘輸入，達到更佳的性能。這些調節是通過(guò)串行外設接口(SPI) 對寄存器編程而實(shí)現的。數據手冊中給出了詳細信息。 48位NCO是一個(gè)完全正交NCO，可實(shí)現輸入數據信號的無(wú)鏡像頻率偏移或單個(gè)信號音的直接數字頻率合成。NCO有兩種可選工作模式，即相位連續或相位斷續頻率開(kāi)關(guān)模式。在相位連續開(kāi)關(guān)模式下，頻率調諧字 (FTW) 更新，但相位累加器不復位，導致相位頻率連續改變。在相位斷續模式下，當FTW更新時(shí)，相位累加器復位。串行外設接口 (SPI) 保證具有100 MHz，可實(shí)現FTW的快速更新。 AD9164的NCO引入了一項重要的特性—快速跳頻NCO (FFHNCO)。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寄存器字節的單次寫(xiě)操作可以完成一次精度為32位的新頻率跳頻。這意味著(zhù)通過(guò)100 MHz SPI可以在240 ns內以單字節寫(xiě)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用。相位相干跳頻對于測試應用而言很重要，此外對于需要跟蹤激勵器信號相位以供后續使用的雷達應用也很重要。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(lái)的頻率，而不會(huì )丟失原來(lái)頻率的相位累加。換言之，它可以實(shí)現從一個(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。 應用和測試的性能 AD9162和AD9164的信號處理特性和高采樣速率可以簡(jiǎn)化圖1中的射頻架構。更新后的圖形如圖3所示。由于RF數據轉換器可以直接以所需的輸出頻率合成信號，因此不再需要正交調制器或上變頻混頻器。信號在數字處理器中建立，通過(guò)RF數據轉換器輸出，因而大幅減少了需要部署的硬件數量。此外，無(wú)線(xiàn)電也更容易實(shí)現，LO和DAC輸入無(wú)需校準至正交調制器以便抑制LO泄露和干擾鏡像，因為調制器以數字方式在RF數據轉換器內部實(shí)現。
圖3. 采用RF數據轉換器的無(wú)線(xiàn)電發(fā)送器架構。 此類(lèi)架構僅有一個(gè)模擬低通濾波器濾除數據轉換器鏡像，為可重新配置無(wú)線(xiàn)電或軟件定義無(wú)線(xiàn)電開(kāi)啟了新機遇�？梢允褂孟嗤臄底制骷猂F數據轉換器和重構低通濾波器，只需改變功率放大器和帶通濾波器即可實(shí)現各種不同的無(wú)線(xiàn)電。圖4顯示了一個(gè)無(wú)線(xiàn)基站雙頻段發(fā)送器輸出示例，其在1800MHz時(shí)有5個(gè)5 MHz WCDMA載波，在2100 MHz時(shí)有3 個(gè)5MHz WCDMA。圖5顯示了一個(gè)合規的有線(xiàn)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（單字節寫(xiě)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）。
圖4. 雙頻段WCDMA信號（1.8 GHz和2.1 GHz頻段）
圖5. DOCSIS 3.1頻段內的194 6 MHz 256 QAM信號（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)鐘信號源：4 GHz恒 溫晶體振蕩器，具有最高600 kHz失調特性，這樣的信號發(fā)生 器具有高于600 kHz的失調特性。 結論 RF數據轉換器可以簡(jiǎn)化無(wú)線(xiàn)電架構設計，并通過(guò)省卻無(wú)線(xiàn)電信號鏈上的很多元件而縮小尺寸。AD9162和AD9164的RF數據轉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(mǎn)足各種無(wú)線(xiàn)電發(fā)送器應用，展現出了真正的軟件定義無(wú)線(xiàn) 電比過(guò)去任何時(shí)候都要更接近現實(shí)。 1 美國專(zhuān)利第6,842,132和7,796,971號。 作者 Daniel E. Fague [dan.fague@analog.com] 是ADI 公司高速DAC 部門(mén)的應用工程師經(jīng)理。他于1989 年獲得貢薩格大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位 (BSEE)，并于1991 年獲得加州大學(xué)戴維斯分校電子工程碩士學(xué)位 (MSEE)。他于1995 年加入ADI 公司無(wú)線(xiàn)手機部門(mén)，主要進(jìn)行GSM、EDGE、CDMA 和藍牙手機無(wú)線(xiàn)電架構設計（包括直接轉換無(wú)線(xiàn)電）。此前，他在美國國家半導體公司工作了5 年，從事DECT 和PHS 的無(wú)線(xiàn)電架構設計。自從2011 年加入高速DAC 部門(mén)以來(lái)，Dan 一直從事RF DAC 的開(kāi)發(fā)。他擁有7 項專(zhuān)利，發(fā)表過(guò)30 多篇文章和論文。 |
