高速轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進(jìn)步使下一代無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為可能

作者：Yi Zhang and Michelle Viani

隨著消費(fèi)者對(duì)增強(qiáng)數(shù)據(jù)服務(wù)和更多帶寬使用的需求不斷增加，無線通信網(wǎng)絡(luò)正在迅速發(fā)展。新一代無線通信系統(tǒng)需要更高的數(shù)據(jù)吞吐量、更低的功耗和更高的可靠性。這些要求經(jīng)常相互沖突。滿足這些需求需要高采樣率、高信號(hào)帶寬和高能效數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）解決方案。新一代高速DAC產(chǎn)品具有GSPS采樣率和輸入數(shù)據(jù)速率，為多頻段、多標(biāo)準(zhǔn)無線電基站提供多載波GSM兼容性能，同時(shí)降低系統(tǒng)總功耗和散熱密度。本文討論高速轉(zhuǎn)換器如何通過提供更高的采樣速率、更大的數(shù)據(jù)帶寬和更低的功耗來幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員推進(jìn)無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新前沿。

高帶寬下的系統(tǒng)挑戰(zhàn)

現(xiàn)代移動(dòng)基站的傳輸帶寬超過300 MHz的情況并不少見。支持更寬的日期帶寬和數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的要求提高了高速DAC產(chǎn)品可用信號(hào)帶寬和動(dòng)態(tài)性能的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)更高系統(tǒng)帶寬的挑戰(zhàn)有三個(gè)方面。

首先，更高的信號(hào)帶寬需要更快的DAC采樣速率。奈奎斯特-香農(nóng)采樣定理要求轉(zhuǎn)換器采樣速率至少是要合成信號(hào)的兩倍。因此，在不考慮其他設(shè)計(jì)約束的情況下，DAC采樣速率需要以信號(hào)帶寬速率的2倍增加。模擬重建濾波是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中推動(dòng)更快DAC采樣速率的另一個(gè)主要因素。在無線發(fā)射器中內(nèi)置磚墻模擬濾波器既不可行也不高效。實(shí)際上，系統(tǒng)要求DAC采樣速率在合成信號(hào)帶寬上具有一定的過采樣比，以便在所需信號(hào)和需要抑制的高頻DAC采樣鏡像之間建立濾波器過渡帶。例如，如果要合成的信號(hào)在150 MHz的中心頻率周圍傳播±50 MHz，則DAC輸出信號(hào)的高端為200 MHz，而當(dāng)信號(hào)以300 MHz為中心，帶寬為±150 MHz時(shí)，則為450 MHz?？梢钥闯?，第二種情況需要具有更高采樣率的DAC。

其次，更高的信號(hào)帶寬需要更快、更可靠的轉(zhuǎn)換器日期接口。所需的信號(hào)帶寬與傳輸日期吞吐量成比例增加。為了使用I/Q調(diào)制實(shí)現(xiàn)300 MHz系統(tǒng)帶寬，雙通道DAC（I和Q）的組合輸入數(shù)據(jù)速率為750 MSPS，考慮0.2的濾波器滾降因子。這意味著輸入日期周期為1.33 ns，這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了很大的壓力，要求他們最大限度地減少數(shù)據(jù)總線上的位間時(shí)序失調(diào)，以滿足建立和保持時(shí)序要求。對(duì)于傳統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)接口方案，如LVDS和CMOS，這是非常具有挑戰(zhàn)性的。新型JESD204B高速串行接口為遷移到更高的數(shù)據(jù)速率提供了可靠且可擴(kuò)展的解決方案。

第三，集成電路（IC）器件不是理想的元件。DAC也不例外。較高的輸出帶寬要求DAC器件具有更好的動(dòng)態(tài)性能，原因有兩個(gè)。動(dòng)態(tài)范圍通常隨著DAC輸出頻率的增加而減小。此外，當(dāng)帶寬較大時(shí)，更多的雜散內(nèi)容往往會(huì)落在帶內(nèi)。但是，系統(tǒng)雜散要求不會(huì)隨信號(hào)帶寬而擴(kuò)展或放松。無論支持的信號(hào)帶寬如何，移動(dòng)基站仍然需要滿足受監(jiān)管的發(fā)射模板要求。具有卓越動(dòng)態(tài)性能的DAC簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的頻率規(guī)劃和濾波。

圖1和圖2顯示了AD9144 DAC以2800 MSPS的DAC采樣速率合成80 MHz信號(hào)（16載波W-CDMA）的實(shí)測(cè)頻譜性能。

圖1.測(cè)量的AD9144 DAC的寬帶性能（高達(dá)奈奎斯特頻率） 合成16載波W-CDMA信號(hào)，f代數(shù)轉(zhuǎn)換器= 2800 MSPS。

圖2.在ADRF6720下測(cè)得的寬帶性能1QMOD輸出為3 GHz RF頻率，AD9144 DAC輸出（如圖1所示）驅(qū)動(dòng)QMOD。

低功耗和高可靠性的系統(tǒng)挑戰(zhàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在增加傳輸帶寬和數(shù)據(jù)容量方面還面臨著其他挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括功耗、散熱和系統(tǒng)可靠性。這些維度通常與更高系統(tǒng)帶寬的目標(biāo)正交，有時(shí)甚至沖突。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要一種新的DAC產(chǎn)品，該產(chǎn)品能夠在同一封裝中提供更高水平的功能集成、更低的功耗、更低的工作熱密度和更寬的帶寬。

近年來，高速DAC產(chǎn)品發(fā)展迅速，DAC產(chǎn)品中集成了更多的數(shù)字和模擬功能。兩個(gè)明顯的例子是DAC片上時(shí)鐘乘法器PLL和通信專用信號(hào)處理功能。這些功能過去在系統(tǒng)的其他位置實(shí)現(xiàn)，例如高速時(shí)鐘合成器和基帶ASIC/FPGA。具有這些功能的DAC不僅可以降低整體BOM成本，還可以為更簡(jiǎn)單、更可靠的設(shè)計(jì)提供途徑。利用DAC中的時(shí)鐘倍頻器，系統(tǒng)只需為器件提供一個(gè)低頻參考時(shí)鐘。時(shí)鐘乘法器鎖定至外部參考時(shí)鐘，并在內(nèi)部為DAC生成高速采樣時(shí)鐘。這意味著無需擔(dān)心PCB上的高速時(shí)鐘耦合和走線阻抗匹配。功率檢測(cè)和保護(hù)等新的數(shù)字功能為射頻鏈提供了額外的保護(hù)層，防止超量程信號(hào)或異常系統(tǒng)行為損壞。盡管功能集成度更高，但與上一代產(chǎn)品相比，DAC器件的功耗基本保持不變，甚至有所下降。高速DAC技術(shù)在更精細(xì)的硅工藝節(jié)點(diǎn)上的進(jìn)步在應(yīng)對(duì)系統(tǒng)挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著重要作用。

除了消耗更少的功率和更小的碳排放足跡外，降低組件功耗的另一個(gè)重要好處是更低的熱密度。無線通信系統(tǒng)通常被限制在防水金屬機(jī)箱內(nèi)。尺寸和重量限制通常不允許主動(dòng)冷卻。IC元件產(chǎn)生的熱量通過機(jī)箱散發(fā)。機(jī)箱內(nèi)部的型腔和PCB溫度可能非常高，以至于開始影響系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性。積聚的熱量可能會(huì)影響PCB的機(jī)械特性、元件和電路板之間的焊點(diǎn)，并加速IC元件電氣規(guī)格的長(zhǎng)期老化變化。系統(tǒng)中的熱量分布/散發(fā)不均勻。貢獻(xiàn)主要來自信號(hào)處理豐富的幾個(gè)來源。高速DAC就是其中之一。因此，功能豐富且功耗低的DAC對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員非常有吸引力。

圖3和圖4顯示了AD9144在DAC采樣速率為1966 MSPS時(shí)合成4載波W-CDMA信號(hào)的實(shí)測(cè)性能，片內(nèi)DAC時(shí)鐘乘法器分別打開和關(guān)閉。

圖3.在啟用片內(nèi)時(shí)鐘乘法器的情況下，在150 MHz輸出頻率下測(cè)得的AD9144的4載波W-CDMA ACLR性能，f裁判= 245.76兆赫，f代數(shù)轉(zhuǎn)換器= 1966 MSPS。

圖4.在禁用片內(nèi)時(shí)鐘乘法器的情況下，在150 MHz輸出頻率下測(cè)得的4載波W-CDMA ACLR性能AD9144，f代數(shù)轉(zhuǎn)換器= 1966 MSPS。

通用平臺(tái)設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)挑戰(zhàn)

在要求覆蓋范圍更廣、帶寬更高的同時(shí)，消費(fèi)者對(duì)日期服務(wù)需求的快速擴(kuò)張也要求多標(biāo)準(zhǔn)無線電 （MSR） 基站。不同的無線電技術(shù)和不斷增加的頻率分配使控制網(wǎng)絡(luò)和降低成本變得更加復(fù)雜。滿足這些需求需要一種高效且相對(duì)便宜的解決方案來解決構(gòu)建MSR基站的問題，這是一種通用的平臺(tái)設(shè)計(jì)。DAC技術(shù)的進(jìn)步支持基站設(shè)計(jì)的這種演變。多載波GSM（MC-GSM）通常被認(rèn)為是具有最嚴(yán)格動(dòng)態(tài)范圍要求的空氣標(biāo)準(zhǔn)。MC-GSM測(cè)試通常用于判斷DAC產(chǎn)品是否支持通用平臺(tái)設(shè)計(jì)。

圖5和圖6顯示了AD9144以1966 MSPS的DAC采樣速率合成6 C-GSM信號(hào)的實(shí)測(cè)性能。

圖5.在50 MHz DAC輸出頻率下測(cè)得AD9144的6C-GSM IMD性能，f代數(shù)轉(zhuǎn)換器= 1966 MSPS。

圖6.在50 MHz DAC輸出頻率下測(cè)得AD9144的6 C-GSM寬帶性能，f代數(shù)轉(zhuǎn)換器= 1966 MSPS。

總結(jié)

現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)正在不斷發(fā)展，以提供更多的日期服務(wù)和更多的帶寬使用。為了支持這一趨勢(shì)，新一代無線通信系統(tǒng)需要具有更高的數(shù)據(jù)吞吐量、更低的功耗和更高的可靠性。高速DAC技術(shù)的進(jìn)步，如ADI公司的AD9144，實(shí)現(xiàn)了下一代多標(biāo)準(zhǔn)無線電設(shè)計(jì)，并幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)維度上實(shí)現(xiàn)了突破性創(chuàng)新。

審核編輯：郭婷