支持寬帶無線電的RF轉(zhuǎn)換器技術(shù)介紹

可以直接在射頻范圍內(nèi)合成信號(hào)的轉(zhuǎn)換器（RF轉(zhuǎn)換器）已經(jīng)成熟到可以改變傳統(tǒng)無線電設(shè)計(jì)的程度。 RF轉(zhuǎn)換器具有數(shù)字化和合成高達(dá)2 GHz或3 GHz瞬時(shí)信號(hào)帶寬的能力，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)真正寬帶無線電的承諾，使無線電設(shè)計(jì)人員能夠大幅減少創(chuàng)建無線電所需的硬件數(shù)量，并啟用通過軟件實(shí)現(xiàn)新的可重新配置水平，這是傳統(tǒng)無線電設(shè)計(jì)所無法實(shí)現(xiàn)的。本文探討了RF轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進(jìn)步，使這種新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和寬帶無線電成為可能，并討論了軟件可配置性產(chǎn)生的可能性。

簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)約束面向每個(gè)無線電設(shè)計(jì)師的是設(shè)計(jì)信號(hào)帶寬，以最高質(zhì)量與無線電功耗進(jìn)行權(quán)衡。無線電設(shè)計(jì)師如何滿足這一限制決定了無線電的大小和重量，并從根本上影響無線電的放置，包括建筑物，塔，桿，地下車輛，包，口袋，耳朵或眼鏡。每個(gè)無線電位置都有一定數(shù)量的可用功率，與其位置相稱。例如，建筑物或塔樓可能比口袋中的智能手機(jī)或耳機(jī)中的藍(lán)牙?耳機(jī)具有更多可用功率。在所有情況下，存在一個(gè)基本事實(shí)：無線電所消耗的功率越少，每單位功率能夠提供的吞吐量越多，無線電就越小，越輕。這帶來了巨大的后果，并且多年來一直是通信電子行業(yè)大部分創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力。

隨著半導(dǎo)體公司將更多功能和更高性能集成到相同或更小尺寸的組件中，在某些情況下，使用它們的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更小，更多功能，更輕或三者的承諾。更小，更輕的設(shè)備具有更多功能，可以將這種更好的設(shè)備放置在之前由于某些其他約束而被禁止的位置，例如建筑物所需的不動(dòng)產(chǎn)量，當(dāng)設(shè)備可以減少時(shí)在塔上，塔式無線電單元的大小，如果單元的重量足夠低，可以減少到極單元，或者由于其重量而需要在車輛中攜帶的單元現(xiàn)在可以在一包。

今天的環(huán)境充滿了需要建筑物，塔樓，電線桿和車輛的傳統(tǒng)裝置。在需要將世界各地的人們彼此聯(lián)系的驅(qū)動(dòng)下，工程師通過設(shè)計(jì)當(dāng)時(shí)可用組件的設(shè)備來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，并為我們提供了我們今天擁有的通信豐富的環(huán)境;我們可以在幾個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)之一，包括移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)無線局域網(wǎng)，臨時(shí)短距離無線網(wǎng)絡(luò)等，幾乎可以在任何地方進(jìn)行通話，文本，即時(shí)消息，照片，下載，上傳和瀏覽。這些都連接到寬帶有線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)由射頻電纜傳輸，最終通過光纖傳輸。

增強(qiáng)視頻體驗(yàn)

正如一些研究表明的那樣， 1,2 預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)需求將持續(xù)增長(zhǎng)到下一個(gè)十年。這是由對(duì)需要更寬帶寬的更豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容的看似無法滿足的需求所推動(dòng)的。例如，有線電視和光纖到戶運(yùn)營(yíng)商通過提供更高速的連接和更高清晰度的電視頻道，繼續(xù)在寬帶服務(wù)上與家庭競(jìng)爭(zhēng)。超高清（UHD或4k清晰度）電視的轉(zhuǎn)播要求是高清電視容量的兩倍以上，并且需要比現(xiàn)在使用的更寬的頻道帶寬。

此外，沉浸式視頻，包括虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），以及具有多維自由度的180°或全景觀看等游戲和3D效果，全部采用4k UHD電視，每位用戶需要高達(dá)1千兆位的帶寬。 2 這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出簡(jiǎn)單的4k UHD電視廣播和流媒體已經(jīng)苛刻的需求。在線游戲需要網(wǎng)絡(luò)中的對(duì)稱數(shù)據(jù)帶寬，因?yàn)檠舆t時(shí)間是至關(guān)重要的，這推動(dòng)了更寬帶寬上行傳輸能力的發(fā)展。這種對(duì)更廣泛上行能力的需求反過來又促使設(shè)備制造商升級(jí)其設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的寬帶傳輸。

當(dāng)今RF轉(zhuǎn)換器的增強(qiáng)功能對(duì)于實(shí)現(xiàn)此類豐富視頻內(nèi)容的傳輸至關(guān)重要。它們必須能夠創(chuàng)建具有出色無雜散性能的高動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)，以便能夠使用更高階的調(diào)制方案，如256-QAM，1024-QAM和4k-QAM。由于安裝的同軸電纜設(shè)備和分配放大器具有1.2GHz至1.7GHz的有限帶寬，因此需要這些更高階調(diào)制方法來提高每個(gè)信道的頻譜效率。前端傳輸設(shè)備的更高性能延長(zhǎng)了已安裝設(shè)備基礎(chǔ)的使用壽命，緩解了資本預(yù)算限制，并使多個(gè)服務(wù)運(yùn)營(yíng)商（MSO）能夠在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)升級(jí)其設(shè)備和傳輸系統(tǒng)。

多頻段，多模測(cè)試

今天的智能手機(jī)與傳統(tǒng)手機(jī)相似，因?yàn)槠渲邪喙δ?。這些特征中的許多具有與它們相關(guān)聯(lián)的無線電，因此，今天的移動(dòng)設(shè)備中具有多達(dá)五個(gè)或七個(gè)或更多無線電。在生產(chǎn)智能手機(jī)時(shí)，必須對(duì)這些無線電中的每一個(gè)進(jìn)行測(cè)試，這給多模通信測(cè)試儀的制造商帶來了新的挑戰(zhàn)。盡管測(cè)試的數(shù)量隨著無線電的數(shù)量而增加，但仍需要速度來降低測(cè)試成本。就測(cè)試器的尺寸和成本而言，為移動(dòng)設(shè)備中的每個(gè)無線電建立不同的無線電硬件變得不切實(shí)際。隨著更多頻段開放或被提議用于移動(dòng)業(yè)務(wù)， 3 在移動(dòng)設(shè)備中測(cè)試越來越多的無線電的挑戰(zhàn)越來越多。

這一挑戰(zhàn)可以通過RF轉(zhuǎn)換器很好地解決。在發(fā)射器和接收器中，RF轉(zhuǎn)換器可以提供傳統(tǒng)無線電無法實(shí)現(xiàn)的靈活性。寬帶RF轉(zhuǎn)換器能夠同時(shí)捕獲和直接合成每個(gè)頻段的信號(hào)，從而可以同時(shí)測(cè)試移動(dòng)設(shè)備中的多個(gè)無線電。通過RF DAC和RF ADC內(nèi)置的通道器，可以在轉(zhuǎn)換器中有效地處理這些多個(gè)無線電信號(hào)。例如，在圖2中，顯示了每個(gè)RF DAC的3個(gè)信道器，使得三個(gè)不同的信號(hào)和頻帶能夠直接合成，組合，然后通過數(shù)字控制振蕩器（NCO）進(jìn)行數(shù)字上變頻，然后由RF轉(zhuǎn)換為RF信號(hào)DAC。

在其他市場(chǎng)領(lǐng)域，如航空航天和國(guó)防測(cè)試設(shè)備，對(duì)脈沖雷達(dá)和軍事通信的寬帶測(cè)試解決方案的需求正在增加。由于需要測(cè)試的雷達(dá)，電子情報(bào)，電子戰(zhàn)設(shè)備和通信設(shè)備的數(shù)量和類型，測(cè)試設(shè)備制造商必須創(chuàng)建具有豐富功能的靈活儀器。 4 例如，任意波形發(fā)生器必須能夠在很寬的輸出頻率和帶寬范圍內(nèi)產(chǎn)生各種信號(hào)，包括線性頻率調(diào)制，脈沖信號(hào)，相位相干信號(hào)和調(diào)制信號(hào)。測(cè)量設(shè)備必須具有相同的能力，以便在測(cè)試激勵(lì)器或發(fā)射器時(shí)接收這些信號(hào)。 RF轉(zhuǎn)換器通過在RF頻率下實(shí)現(xiàn)直接RF合成和測(cè)量，很好地滿足了這一應(yīng)用。在某些情況下，這可以消除向上或向下轉(zhuǎn)換的需要，并且在其他情況下可以減少單次轉(zhuǎn)換所需的數(shù)量。這簡(jiǎn)化了硬件，因此可以減小其尺寸，重量和功率要求。增加數(shù)字功能，如信道化器，內(nèi)插器，NCO和合路器，可在專用的低功耗CMOS技術(shù)上實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)處理。

軟件定義的無線電

RF轉(zhuǎn)換器可以是軟件定義無線電中的關(guān)鍵推動(dòng)因素。 RF轉(zhuǎn)換器能夠直接合成和捕獲數(shù)GHz范圍內(nèi)的無線電頻率，通過消除整個(gè)上變頻或下變頻階段，而不是數(shù)字化地實(shí)現(xiàn)它們，簡(jiǎn)化了無線電架構(gòu)。模擬轉(zhuǎn)換級(jí)和相關(guān)混頻器，LO合成器和濾波器的移除減小了無線電的尺寸，重量和功率（SWaP），使無線電能夠位于更多的地方，并且可以使用更小的電源供電。這種技術(shù)使無線電體積小，重量輕，可以手動(dòng)攜帶，在小型地面車輛中驅(qū)動(dòng)，或安裝在各種機(jī)載資產(chǎn)中，如飛機(jī)，直升機(jī)和無人駕駛飛行器（UAV）。

< p>除了實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的更好通信之外，使用RF轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的無線電硬件還具有多功能，以及多模和多頻帶的潛力。由于RF轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在能夠到達(dá)較低的雷達(dá)波段，并且在不久的將來將達(dá)到更高的波段，因此可以用作雷達(dá)和戰(zhàn)術(shù)通信鏈路的單個(gè)單元的概念可以成為現(xiàn)實(shí)。這樣的單位在現(xiàn)場(chǎng)維修，升級(jí)，采購(gòu)程序和成本方面提供了明確的杠桿作用。

直接合成和捕獲雷達(dá)頻率的能力使RF轉(zhuǎn)換器成為相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的理想選擇。由于直接RF轉(zhuǎn)換器的合成和捕獲消除了如此多的傳統(tǒng)無線電硬件，因此單個(gè)信號(hào)鏈更小更輕。因此，可以將許多這些無線電裝入較小的空間。適用于船載或地面相控陣列的陣列，以及用于信號(hào)情報(bào)操作的較小陣列和單元，可以使用較小的SWaP構(gòu)建。

RF轉(zhuǎn)換器背后的技術(shù)< / h3>

使RF轉(zhuǎn)換器成為可能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步之一是不斷向更精細(xì)的CMOS工藝邁進(jìn)。隨著基本CMOS晶體管的柵極長(zhǎng)度和特征尺寸變小，數(shù)字柵極變得更快，更小，功耗更低。 6 這允許使用RF轉(zhuǎn)換器將重要的數(shù)字信號(hào)處理包含在芯片上合理的功率和面積。包含軟件可編程的數(shù)字信道化器，調(diào)制器和濾波器對(duì)于構(gòu)建高效靈活的無線電至關(guān)重要。這種更高效的DSP還為使用數(shù)字處理幫助糾正轉(zhuǎn)換器中的模擬缺陷打開了大門。在模擬方面，每個(gè)新節(jié)點(diǎn)提供更快的晶體管，每單位面積具有更好的匹配。這些改進(jìn)對(duì)于更快的高精度轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。

僅靠流程技術(shù)的進(jìn)步是不夠的 - 還有一些關(guān)鍵的架構(gòu)改進(jìn)使這些轉(zhuǎn)換器成為可能。 RF DAC的首選架構(gòu)是電流控制DAC架構(gòu)。這種類型的DAC的性能取決于構(gòu)成DAC的電流源的匹配。未校準(zhǔn)的電流源匹配與電流源區(qū)域的平方根成比例。 7 每個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的單位面積匹配將得到改善。然而，即使在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)中，對(duì)于高分辨率轉(zhuǎn)換器具有足夠低的隨機(jī)失配的電流源也將非常大。具有如此大的電流源將使轉(zhuǎn)換器變大，并且更關(guān)鍵的是，該大電流源的寄生電容降低了DAC的高頻性能。更有吸引力的解決方案是校準(zhǔn)較小的電流源以實(shí)現(xiàn)期望的匹配水平。這可以顯著減少來自電流源的增加的寄生電流，并因此允許所需的線性度性能而不損害高頻性能。如果操作正確，可以在整個(gè)溫度范圍內(nèi)使校準(zhǔn)非常穩(wěn)定，這樣就可以進(jìn)行一次校準(zhǔn)。穩(wěn)定的一次性校準(zhǔn)意味著校準(zhǔn)不需要在后臺(tái)定期運(yùn)行，這樣可以節(jié)省操作功率并減輕由于校準(zhǔn)在后臺(tái)運(yùn)行而產(chǎn)生虛假產(chǎn)品的擔(dān)憂。 8

另一種有助于以極高速度滿足所需轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)的架構(gòu)選擇是選擇用于控制DAC電流的開關(guān)架構(gòu)。傳統(tǒng)的雙開關(guān)結(jié)構(gòu)（圖4）在非常高的速度下運(yùn)行時(shí)有幾個(gè)缺點(diǎn)。 9,10 由于驅(qū)動(dòng)到雙開關(guān)的數(shù)據(jù)可以在一到多個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)保持不變，尾節(jié)點(diǎn)將具有數(shù)據(jù)依賴的時(shí)間量來結(jié)算。如果時(shí)鐘速率足夠慢以使該節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)穩(wěn)定，則這不是問題。但是，在非常高的速率下，該節(jié)點(diǎn)不會(huì)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完全穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)相關(guān)的建立時(shí)間將導(dǎo)致DAC輸出失真。如果使用四開關(guān)（圖5），數(shù)據(jù)信號(hào)全部返回到零。這導(dǎo)致尾節(jié)點(diǎn)電壓獨(dú)立于數(shù)據(jù)輸入，這緩解了上述問題。四通道開關(guān)還允許在時(shí)鐘的兩個(gè)邊沿更新DAC數(shù)據(jù)。此功能可用于有效地將DAC采樣率加倍，而不會(huì)使時(shí)鐘頻率加倍。 11

使用精心設(shè)計(jì)的電流源校準(zhǔn)算法四開關(guān)電流控制單元與當(dāng)今的細(xì)線CMOS工藝相結(jié)合，可以設(shè)計(jì)出能夠以極高的速率采樣并具有出色動(dòng)態(tài)范圍的DAC。這允許在寬頻率范圍內(nèi)合成高質(zhì)量信號(hào)。當(dāng)這個(gè)寬帶DAC與支持DSP結(jié)合使用時(shí)，它就變成了一個(gè)非常靈活的高性能無線電發(fā)射器，可以配置為前面提到的所有不同應(yīng)用提供信號(hào)。

未來無線電

雖然當(dāng)今的RF轉(zhuǎn)換器已經(jīng)在無線電架構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了根本性的變革，但它們有望在未來實(shí)現(xiàn)更大的變革。隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展和RF轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化，RF轉(zhuǎn)換器對(duì)功耗和無線電尺寸的影響將繼續(xù)縮小。這些適當(dāng)?shù)募夹g(shù)進(jìn)步正好趕上下一代無線電，例如新興的5G無線基站應(yīng)用，如大規(guī)模MIMO，以及大規(guī)模相控陣?yán)走_(dá)和波束成形應(yīng)用。深亞微米光刻技術(shù)可以將更大量的數(shù)字電路放置在RF轉(zhuǎn)換器芯片上，集成了重要的計(jì)算功能，如數(shù)字預(yù)失真（DPD） 13 和波峰因數(shù)降低（CFR）算法提高功率放大器效率并顯著降低整體系統(tǒng)功耗。這種集成將減輕耗電的FPGA邏輯壓力，并將這些功能轉(zhuǎn)移到功率吝嗇的專用邏輯上。其他可能性包括將RF轉(zhuǎn)換器及其數(shù)字引擎與RF，微波或毫米波模擬組件集成，進(jìn)一步減小尺寸并進(jìn)一步簡(jiǎn)化無線電設(shè)計(jì)，并為無線電設(shè)計(jì)提供比特到天線的系統(tǒng)級(jí)方法。利用RF轉(zhuǎn)換器，存在廣泛的機(jī)會(huì)。 RF轉(zhuǎn)換器是在可能的?之前的技術(shù)。