通過RF DAC拓寬軟件定義的無線電視野

高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器已在通信應(yīng)用中使用多年，并且可以在構(gòu)成我們互聯(lián)世界基礎(chǔ)的許多設(shè)備中找到，從蜂窩電話基站到電纜前端設(shè)備，再到雷達和專用通信系統(tǒng)。最近的技術(shù)進步使高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的時鐘速率能夠向越來越高的頻率移動。結(jié)合JESD204B高速串行接口，實現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)的實際管理和傳輸，這些更高時鐘速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器形成了一類新的轉(zhuǎn)換器，稱為RF（射頻）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。它們能夠直接合成或捕獲RF信號，而無需使用模擬無線電鏈進行傳統(tǒng)的上變頻或下變頻。

本文將重點介紹新的RF數(shù)模轉(zhuǎn)換器（RF DAC）系列產(chǎn)品AD9162和AD9164，以及它們拓寬軟件定義無線電（SDR）定義的能力。AD9164為RF DAC類帶來了新的性能水平，使傳統(tǒng)無線電設(shè)計比前幾代RF級或IF級DAC更高效。AD9164集世界最佳性能和豐富的功能集于一身，是將無線電環(huán)境從一個系統(tǒng)切換到另一個系統(tǒng)的自然選擇，離真正的軟件定義無線電更近一步。

介紹

傳統(tǒng)的無線電設(shè)備將高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與正交調(diào)制器結(jié)合使用，作為有線或無線通信鏈路的一些主要構(gòu)建模塊。經(jīng)典的外差、超外差和直接變頻架構(gòu)共同需要發(fā)射器和接收器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器跨越從數(shù)字處理到真實模擬信號的邊界，然后再返回。除了濾波器技術(shù)和功率放大器技術(shù)外，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的改進也為無線電設(shè)計的進步奠定了基礎(chǔ)。

使用一組基帶高速DAC實現(xiàn)的經(jīng)典無線電發(fā)射器如圖1所示。數(shù)字基帶數(shù)據(jù)通過兩個同步高速數(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的輸出被發(fā)送到正交調(diào)制器。根據(jù)調(diào)制器的類型，其輸出可以是低中頻，例如200 MHz至400 MHz，較高的IF頻率，例如500 MHz至1 GHz，甚至是1 GHz至5 GHz范圍內(nèi)的RF頻率。該圖顯示了隨后的上變頻到最終的最終頻率。產(chǎn)生的信號用帶通濾波器濾波，然后通過功率放大器和另一個帶通濾波器發(fā)送，例如，帶通濾波器可能是雙工器的一部分。

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

使用這種架構(gòu)傳輸?shù)乃矔r帶寬通常為幾十到幾百MHz，主要受轉(zhuǎn)換器、功率放大器和濾波器帶寬的限制。這對于某些系統(tǒng)來說是不夠的，例如需要 500 MHz、1 GHz 甚至 2 GHz 無線電信道的新 E 波段微波回程無線電。如果考慮多頻段無線電，例如可能在無線基礎(chǔ)設(shè)施基站中實現(xiàn)，則可能需要同樣寬的500 MHz或700 MHz甚至1 GHz的間隔來覆蓋某些頻段組合。傳統(tǒng)的無線電將通過實現(xiàn)兩個無線電來解決這個問題，每個頻段一個。將無線電組合成一個無線電鏈可能更可取，無論是出于成本還是尺寸或其他因素。在這種情況下，需要一種新的方法。

使能技術(shù)

長期以來，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)開發(fā)的重點是提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率，同時保持一致的性能品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)包括噪聲頻譜密度（NSD）和無雜散動態(tài)范圍（SFDR）等項目。互調(diào)失真（IMD）也很重要，無論是單音信號還是調(diào)制信號，例如GSM和3G（WCDMA）和4G（OFDM）等流行無線通信系統(tǒng)，以及使用256 QAM的電纜應(yīng)用中的信號。

更高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率為無線電設(shè)計人員帶來了幾個優(yōu)勢。首先，信號圖像的頻率被推高，使模擬重建濾波器的設(shè)計更簡單、更易于實現(xiàn)。此外，更高的更新速率會產(chǎn)生更寬的第一奈奎斯特區(qū)，從而使轉(zhuǎn)換器能夠直接合成更高的輸出頻率。當直接合成的信號足夠高時，可以從無線電中移除整個模擬頻率轉(zhuǎn)換或上變頻階段，從而簡化頻率規(guī)劃并降低無線電的功耗和尺寸。更高的更新速率也增加了可用于傳播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器量化噪聲的帶寬量，從而為發(fā)射器的噪聲頻譜密度提供處理增益。

隨著CMOS工藝技術(shù)的進步，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中添加信號處理已變得司空見慣。DAC中新增的NCO和插值器功能集減輕了FPGA或ASIC實現(xiàn)這些功能的負擔和功耗，并使DAC能夠以比其他方式更低的數(shù)據(jù)傳輸速率運行。較低的數(shù)據(jù)速率降低了系統(tǒng)的總體功耗，在某些情況下，使結(jié)構(gòu)速度可能高達300 MHz至400 MHz的數(shù)字芯片能夠與轉(zhuǎn)換器保持同步。在芯片上安裝NCO可以在數(shù)字域中實現(xiàn)無線電中的第一次頻率轉(zhuǎn)換，因此在當今的無線電中，通常可以找到數(shù)百MHz的中頻，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器上的NCO和插值器實現(xiàn)。

信號處理射頻數(shù)字轉(zhuǎn)換器

RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的變化是RF轉(zhuǎn)換器能夠運行的最終更新速率，以及信號處理的添加也能夠處理這些速度。這種功能集和速度的強大組合可以極大地改變無線電架構(gòu)設(shè)計，并為可重新配置和軟件定義的無線電開辟新的可能性。

圖2.AD9162和AD9164系列RF DAC的框圖

AD9162和AD9164系列RF DAC就是一個很好的例子。AD9162和AD9164的框圖如圖2所示。AD9162是一款16位、6 GSPS RF DAC，具有多種插值選項，從1×旁路模式到24×插值模式。插值器在經(jīng)典的 80% 帶寬或更寬的 90% 帶寬下工作，以略高的功率提供更大的瞬時信號帶寬。數(shù)據(jù)路徑還具有最終的半帶插值器FIR85，如圖2中NCO之前的“HB 2×”模塊所示，可有效地將DAC更新速率提高一倍，達到12 GSPS，從而將圖像移得更遠，并放寬濾波要求?？蛇x的FIR85后跟一個48位數(shù)控振蕩器（NCO），當啟用FIR85時，該振蕩器以6 GSPS更新速率或12 GSPS更新速率運行。NCO之后是一個x/sinx補償濾波器，它通過預(yù)先加重DAC內(nèi)核的輸入來校正DAC的sinx/x滾降。

DAC內(nèi)核采用ADI公司獲得專利的四通道開關(guān)架構(gòu)設(shè)計1，提供卓越的無雜散動態(tài)范圍 （SFDR） 和噪聲頻譜密度 （NSD），從而獲得業(yè)界最佳的動態(tài)范圍，同時還提供四路開關(guān)支持的熟悉的 DAC 解碼器選項：不歸零 （NRZ） 模式、歸零 （RZ） 模式和混合模式?.FIR85為DAC解碼器增加了一項稱為2xNRZ模式的新功能，稍后將對此進行更詳細的描述。

AD9164具有AD9162的基本特性，并以快速跳頻（FFH）NCO引擎的形式增加了直接數(shù)字頻率合成（DDS）功能。FFH NCO 具有多項獨特的功能，使其對高速測試儀器、本振更換、安全無線電通信和雷達激勵器等市場極具吸引力。FFH NCO 引擎由 32 個 32 位 NCO 實現(xiàn)，每個 NCO 都有自己的相位累加器和一個支持快速跳頻的選擇塊。

AD9162具有兩種針對特定市場的衍生產(chǎn)品。AD9161是一款11位、6 GSPS RF DAC，具有最小2×插值。AD9161 的 SFDR 和 NSD 適用于電纜頭端和遠程 PHY 應(yīng)用，符合 DOCSIS 3.0 規(guī)范。信號帶寬和動態(tài)范圍降低，無需獲得AD9161的出口許可證。AD9163是一款16位、6 GSPS RF DAC，具有最小6×插值，保留主產(chǎn)品AD9162的全動態(tài)范圍。該器件的全動態(tài)范圍及其 1 GHz 的寬瞬時帶寬以及全范圍 NCO，使該器件適用于單頻段或雙頻段無線基礎(chǔ)設(shè)施基站以及傳統(tǒng)頻段的點對點微波系統(tǒng)，同時還具有無需出口許可證的優(yōu)勢。表 1 總結(jié)了產(chǎn)品系列和主要特性。

表 1.AD9162和AD9164系列6 GSPS RF DAC特性和目標市場摘要

數(shù)字數(shù)據(jù)路徑亮點

數(shù)據(jù)通過8通道、12.5 Gbps JESD204B接口傳遞到AD9162和AD9164。這種高速串行接口減少了將數(shù)字基帶器件連接到DAC所需的導線數(shù)量，從而簡化了電路板布局的復雜性。數(shù)據(jù)手冊中提供了接口操作的詳細指南，ADI公司網(wǎng)站上提供了JESD204B接口的綜合指南。

AD9162和AD9164數(shù)據(jù)路徑中的第一個插值器是2×半帶或3×第三頻段濾波器。這些濾波器中的任何一個都具有可選的 80% 或 90% 信號帶寬。兩個濾波器都具有85 dB或更高的阻帶抑制。90%濾波器具有更尖銳的截止特性，因此抽頭次數(shù)更多，因此以更高的功率工作。其余2×半帶濾波器均以90%帶寬工作，以適應(yīng)第一個插值器中的任何一個。FIR85 還以 90% 的帶寬運行。由于所有后續(xù)濾波器都在插值線的更下方，因此它們可以在90%帶寬下工作，而功耗增加幾乎不被注意。

FIR85在啟用時實現(xiàn)2xNRZ模式，其實現(xiàn)方式與其他插值器濾波器不同。它利用DAC的四通道開關(guān)架構(gòu)，并使用DAC時鐘的上升沿和下降沿對數(shù)據(jù)進行采樣。這種采樣方法在時鐘的每個邊沿對新數(shù)據(jù)進行采樣，因此它可以將DAC的采樣速率提高一倍，達到12 GSPS。這會將信號的圖像推送到 2xf代數(shù)轉(zhuǎn)換器– f外從 F代數(shù)轉(zhuǎn)換器– f外，從而更容易使用可實現(xiàn)的模擬濾波器過濾圖像。這種采樣和插值方法使DAC輸出對時鐘平衡更加敏感，但DAC時鐘輸入需要調(diào)整，以調(diào)諧以獲得更好的性能。這些調(diào)整是通過串行外設(shè)接口（SPI）對寄存器進行編程來實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)手冊中給出了詳細信息。

48位NCO是一款全正交NCO，可實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)信號的無圖像頻移或單個音調(diào)的直接數(shù)字合成。NCO 有兩種可選工作模式，相位連續(xù)或相位不連續(xù)頻率切換。在相位連續(xù)開關(guān)中，頻率調(diào)諧字（FTW）更新，但相位累加器未復位，從而導致頻率連續(xù)相位變化。在相位不連續(xù)模式下，當FTW更新時，相位累加器將復位。串行外設(shè)接口 （SPI） 保證為 100 MHz，以實現(xiàn) FTW 的快速更新。

AD9164為NCO增加了一個重要特性——快速跳頻NCO（FFH NCO）。FFH NCO 通過額外的 31 個 32 位 NCO 實現(xiàn)，每個 NCO 都有自己的相位累加器。每個 NCO 都有自己的 FTW，因此可以在設(shè)備中總共編程 32 個 NCO FTW。提供FTW選擇寄存器，以便單個SPI寄存器字節(jié)寫入可以完成跳到新頻率，精度為32位。使用100 MHz SPI，這意味著可以在240 ns內(nèi)選擇新的FTW，單字節(jié)寫入。

FFH NCO具有額外的相位相干跳頻模式，使其對儀器儀表和軍事應(yīng)用具有吸引力。相位相干跳頻對于測試應(yīng)用以及需要跟蹤激勵器信號相位以供以后使用的雷達應(yīng)用非常重要。相位相干跳頻可以從一個頻率更改為另一個頻率，然后再回到原始頻率，而不會丟失對原始頻率相位累積的跟蹤。換句話說，它可以從一個頻率更改為另一個頻率，然后再返回，并且看起來好像頻率從未改變過。

應(yīng)用和測量性能

AD9162和AD9164的信號處理特性和高采樣速率簡化了圖1所示的無線電架構(gòu)。更新后的繪圖如圖 3 所示。由于RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以直接合成所需輸出頻率的信號，因此不再需要正交調(diào)制器或上變頻混頻器。信號在數(shù)字處理器中創(chuàng)建，然后簡單地從RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器播放。因此，實現(xiàn)變送器所需的硬件數(shù)量大大減少。此外，無線電更易于實現(xiàn)，無需校準正交調(diào)制器的LO和DAC輸入來抑制LO泄漏和不需要的鏡像，因為調(diào)制器在RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)以數(shù)字方式實現(xiàn)。

圖3.使用RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的無線電發(fā)射器架構(gòu)。

這種類型的架構(gòu)僅使用模擬低通濾波器來濾除數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的圖像，為可重新配置或軟件定義的無線電開辟了可能性?？梢允褂孟嗤臄?shù)字部分、RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和重建低通濾波器，只需更改功率放大器和帶通濾波器，即可實現(xiàn)許多不同的無線電。圖 4 顯示了一個無線基站雙頻發(fā)射器輸出示例，該輸出由 1800 MHz 的 5 MHz WCDMA 載波和 2100 MHz 的 3 個 5 MHz WCDMA 載波組成。 圖 5 顯示了 DOCSIS 3.1 的 50 MHz 至 1.2 GHz 頻譜中兼容的電纜頭端發(fā)射器輸出示例，該輸出為 194 個 6 MHz 寬 256 QAM 載波。圖6顯示了一個260 ns的快速跳頻停留時間示例，寄存器編程（單字節(jié)寫入）為240 ns，跳頻時間為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3.9 GHz正弦波時，在10 kHz失調(diào)時具有優(yōu)于–125 dBc/Hz的性能。

圖4.1.8 GHz 和 2.1 GHz 頻段的雙頻 WCDMA 信號。

圖5.DOCSIS 3.1 頻段（50 MHz 至 1.2 GHz）中的 194 個 6 MHz 256 QAM 信號。

圖6.AD9164的快速跳頻性能— 每跳260 ns停留時間。

圖7.AD9164的總相位噪聲性能DAC 時鐘信號源：偏移高達 600 kHz 的 4 GHz 恒溫晶體振蕩器，然后偏移超過 600 kHz 的信號發(fā)生器。

結(jié)論

RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以簡化無線電架構(gòu)設(shè)計，并通過消除無線電信號鏈中的許多組件來減小其尺寸。AD9162和AD9164將一系列令人興奮的特性和出色的RF性能結(jié)合到RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中，能夠滿足各種無線電發(fā)射器應(yīng)用的需求，表明真正的軟件定義無線電比以往任何時候都更接近現(xiàn)實。

審核編輯：郭婷