新型RF DAC拓寬了軟件定義的無(wú)線(xiàn)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(huà)基站到電纜前端設(shè)備，再到雷達(dá)和專(zhuān)用通信系統(tǒng)。最近的技術(shù)進(jìn)步使高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘速率能夠向越來(lái)越高的頻率移動(dòng)。結(jié)合JESD204B高速串行接口，實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)的實(shí)際管理和傳輸，這些更高時(shí)鐘速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器形成了一類(lèi)新的轉(zhuǎn)換器，稱(chēng)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(hào)，而無(wú)需使用模擬無(wú)線(xiàn)電鏈進(jìn)行傳統(tǒng)的上變頻或下變頻。

本文將重點(diǎn)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(wú)線(xiàn)電（SDR）定義的能力。AD9164為RF DAC類(lèi)帶來(lái)了新的性能水平，使傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電設(shè)計(jì)比前幾代RF級(jí)或IF級(jí)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(wú)線(xiàn)電環(huán)境從一個(gè)系統(tǒng)切換到另一個(gè)系統(tǒng)的自然選擇，離真正的軟件定義無(wú)線(xiàn)電更近一步。

介紹

傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)或無(wú)線(xiàn)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(shí)模擬信號(hào)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(jìn)也為無(wú)線(xiàn)電設(shè)計(jì)的進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)。

使用一組基帶高速DAC實(shí)現(xiàn)的經(jīng)典無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器如圖1所示。數(shù)字基帶數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)I DAC，正交數(shù)據(jù)通過(guò)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(lèi)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(hào)用帶通濾波器濾波，然后通過(guò)功率放大器和另一個(gè)帶通濾波器發(fā)送，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(shí)帶寬通常為幾十到幾百M(fèi)Hz，主要受轉(zhuǎn)換器、功率放大器和濾波器帶寬的限制。這對(duì)于某些系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不夠的，例如需要 500 MHz、1 GHz 甚至 2 GHz 無(wú)線(xiàn)電信道的新 E 波段微波回程無(wú)線(xiàn)電。如果考慮多頻段無(wú)線(xiàn)電，例如可能在無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施基站中實(shí)現(xiàn)，則可能需要同樣寬的500 MHz或700 MHz甚至1 GHz的間隔來(lái)覆蓋某些頻段組合。傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電將通過(guò)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，每個(gè)頻段一個(gè)。將無(wú)線(xiàn)電組合成一個(gè)無(wú)線(xiàn)電鏈可能更可取，無(wú)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(zhǎng)期以來(lái)，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）等項(xiàng)目。互調(diào)失真（IMD）也很重要，無(wú)論是單音信號(hào)還是調(diào)制信號(hào)，例如GSM和3G（WCDMA）和4G（OFDM）等流行無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，以及使用256 QAM的電纜應(yīng)用中的信號(hào)。

更高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率為無(wú)線(xiàn)電設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，信號(hào)圖像的頻率被推高，使模擬重建濾波器的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、更易于實(shí)現(xiàn)。此外，更高的更新速率會(huì)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(dāng)直接合成的信號(hào)足夠高時(shí)，可以從無(wú)線(xiàn)電中移除整個(gè)模擬頻率轉(zhuǎn)換或上變頻階段，從而簡(jiǎn)化頻率規(guī)劃并降低無(wú)線(xiàn)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(jìn)步，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中添加信號(hào)處理已變得司空見(jiàn)慣。DAC中新增的NCO和插值器功能集減輕了FPGA或ASIC實(shí)現(xiàn)這些功能的負(fù)擔(dān)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(yùn)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(dá)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(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電中的第一次頻率轉(zhuǎn)換，因此在當(dāng)今的無(wú)線(xiàn)電中，通常可以找到數(shù)百M(fèi)Hz的中頻，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器上的NCO和插值器實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)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(yùn)行的最終更新速率，以及信號(hào)處理的添加也能夠處理這些速度。這種功能集和速度的強(qiáng)大組合可以極大地改變無(wú)線(xiàn)電架構(gòu)設(shè)計(jì)，并為可重新配置和軟件定義的無(wú)線(xiàn)電開(kāi)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(gè)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(xiàng)，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(shí)信號(hào)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(dá)到12 GSPS，從而將圖像移得更遠(yuǎn)，并放寬濾波要求。可選的FIR85后跟一個(gè)48位數(shù)控振蕩器（NCO），當(dāng)啟用FIR6時(shí)，該振蕩器以12 GSPS更新速率或85 GSPS更新速率運(yùn)行。NCO之后是一個(gè)x/sinx補(bǔ)償濾波器，它通過(guò)預(yù)先加重DAC內(nèi)核的輸入來(lái)校正DAC的sinx/x滾降。

DAC內(nèi)核采用ADI公司獲得專(zhuān)利的四通道開(kāi)關(guān)架構(gòu)設(shè)計(jì)1，提供卓越的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 （SFDR） 和噪聲頻譜密度 （NSD），從而獲得業(yè)界最佳的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)還提供四路開(kāi)關(guān)支持的熟悉的 DAC 解碼器選項(xiàng)：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(xiàng)稱(chēng)為2xNRZ模式的新功能，稍后將對(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)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(xiàng)獨(dú)特的功能，使其對(duì)高速測(cè)試儀器、本振更換、安全無(wú)線(xiàn)電通信和雷達(dá)激勵(lì)器等市場(chǎng)極具吸引力。FFH NCO 引擎由 32 個(gè) <> 位 NCO 實(shí)現(xiàn)，每個(gè) NCO 都有自己的相位累加器和一個(gè)支持快速跳頻的選擇塊。

AD9162具有兩種針對(duì)特定市場(chǎng)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(yuǎn)程 PHY 應(yīng)用，符合 DOCSIS 3.0 規(guī)范。信號(hào)帶寬和動(dòng)態(tài)范圍降低，無(wú)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(dòng)態(tài)范圍。該器件的全動(dòng)態(tài)范圍及其 1 GHz 的寬瞬時(shí)帶寬以及全范圍 NCO，使該器件適用于單頻段或雙頻段無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施基站以及傳統(tǒng)頻段的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波系統(tǒng)，同時(shí)還具有無(wú)需出口許可證的優(yōu)勢(shì)。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(biāo)市場(chǎng)摘要

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)路徑亮點(diǎn)

數(shù)據(jù)通過(guò)9162通道、9164.8 Gbps JESD12B接口傳遞到AD5和AD204。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(dǎo)線(xiàn)數(shù)量，從而簡(jiǎn)化了電路板布局的復(fù)雜性。數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供了接口操作的詳細(xì)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(gè)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(gè)都具有可選的 80% 或 90% 信號(hào)帶寬。兩個(gè)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(gè)插值器中的任何一個(gè)。FIR85 還以 90% 的帶寬運(yùn)行。由于所有后續(xù)濾波器都在插值線(xiàn)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(shí)實(shí)現(xiàn)2xNRZ模式，其實(shí)現(xiàn)方式與其他插值器濾波器不同。它利用DAC的四通道開(kāi)關(guān)架構(gòu)，并使用DAC時(shí)鐘的上升沿和下降沿對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。這種采樣方法在時(shí)鐘的每個(gè)邊沿對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，因此它可以將DAC的采樣速率提高一倍，達(dá)到12 GSPS。這會(huì)將信號(hào)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(shí)現(xiàn)的模擬濾波器過(guò)濾圖像。這種采樣和插值方法使DAC輸出對(duì)時(shí)鐘平衡更加敏感，但DAC時(shí)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(guò)串行外設(shè)接口（SPI）對(duì)寄存器進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出了詳細(xì)信息。

48位NCO是一款全正交NCO，可實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的無(wú)圖像頻移或單個(gè)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(kāi)關(guān)中，頻率調(diào)諧字（FTW）更新，但相位累加器未復(fù)位，從而導(dǎo)致頻率連續(xù)相位變化。在相位不連續(xù)模式下，當(dāng)FTW更新時(shí)，相位累加器將復(fù)位。串行外設(shè)接口 （SPI） 保證為 100 MHz，以實(shí)現(xiàn) FTW 的快速更新。

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

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

應(yīng)用和測(cè)量性能

AD9162和AD9164的信號(hào)處理特性和高采樣速率簡(jiǎn)化了圖1所示的無(wú)線(xiàn)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(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)字處理器中創(chuàng)建，然后簡(jiǎn)單地從RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器播放。因此，實(shí)現(xiàn)變送器所需的硬件數(shù)量大大減少。此外，無(wú)線(xiàn)電更易于實(shí)現(xiàn)，無(wú)需校準(zhǔn)正交調(diào)制器的LO和DAC輸入來(lái)抑制LO泄漏和不需要的鏡像，因?yàn)檎{(diào)制器在RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。

圖3.使用RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器架構(gòu)。

這種類(lèi)型的架構(gòu)僅使用模擬低通濾波器來(lái)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(wú)線(xiàn)電開(kāi)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(shí)現(xiàn)許多不同的無(wú)線(xiàn)電。圖 4 顯示了一個(gè)無(wú)線(xiàn)基站雙頻發(fā)射器輸出示例，該輸出由 5 MHz 的 1800 MHz WCDMA 載波和 5 MHz 的 2100 個(gè) 5 MHz WCDMA 載波組成。 圖 194 顯示了 DOCSIS 6.256 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 3 個(gè) 1 MHz 寬 6 QAM 載波。圖260顯示了一個(gè)240 ns的快速跳頻停留時(shí)間示例，寄存器編程（單字節(jié)寫(xiě)入）為20 ns，跳頻時(shí)間為7 ns。圖9164顯示了AD125出色的相位噪聲性能，當(dāng)采用10 GHz恒溫晶體振蕩器并合成4.3 GHz正弦波時(shí)，在9 kHz失調(diào)時(shí)具有優(yōu)于–<> dBc/Hz的性能。

圖4.1.8 GHz 和 2.1 GHz 頻段的雙頻 WCDMA 信號(hào)。

圖5.DOCSIS 194.6 頻段（256 MHz 至 3.1 GHz）中的 50 個(gè) 1 MHz 2 QAM 信號(hào)。

圖6.AD9164的快速跳頻性能— 每跳260 ns停留時(shí)間。

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

結(jié)論

RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以簡(jiǎn)化無(wú)線(xiàn)電架構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)消除無(wú)線(xiàn)電信號(hào)鏈中的許多組件來(lái)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(mǎn)足各種無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器應(yīng)用的需求，表明真正的軟件定義無(wú)線(xiàn)電比以往任何時(shí)候都更接近現(xiàn)實(shí)。

審核編輯：郭婷