直接射頻采樣架構(gòu)解讀及優(yōu)勢(shì)分析

多年來，數(shù)字收發(fā)機(jī)被應(yīng)用在多種類型的應(yīng)用中，包括地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信和基于雷達(dá)的監(jiān)視、地球觀測(cè)和監(jiān)控。過去，收發(fā)機(jī)的系統(tǒng)工程師在這些應(yīng)用中使用中頻架構(gòu)。現(xiàn)在，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最新發(fā)展，使新型基于射頻直接采樣的架構(gòu)成為可能。

轉(zhuǎn)換器技術(shù)每年都在發(fā)展。 主要半導(dǎo)體公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的采樣速率比十年前的產(chǎn)品快了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 例如，2005年，世界上速度最快的12位分辨率ADC采樣速率為250 MS/s；而到了2018年，12位ADC的采樣率已經(jīng)達(dá)到6.4 GS/s。由于這些性能的提高，轉(zhuǎn)換器可以直接數(shù)字化RF頻率的信號(hào)，并為現(xiàn)代通信和雷達(dá)系統(tǒng)提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。

雖然在使用高采樣率（主要是動(dòng)態(tài)范圍）轉(zhuǎn)換器時(shí)需要進(jìn)行權(quán)衡，但該技術(shù)允許您將廣泛使用的外差RF架構(gòu)替換成直接RF架構(gòu)，以支持特定應(yīng)用。 例如，對(duì)于需要更小外形尺寸或降低成本的寬帶RF應(yīng)用，經(jīng)過前端簡(jiǎn)化的直接RF采樣儀器就是非常理想的選擇。尤其是，這項(xiàng)技術(shù)在雷達(dá)和電子戰(zhàn)等一些國(guó)防和航空航天應(yīng)用中得到了進(jìn)一步發(fā)展。

1. 什么是直接射頻采樣？

如果要了解直接RF架構(gòu)，則需要了解該架構(gòu)與其他RF架構(gòu)的區(qū)別。在外差結(jié)構(gòu)中，接收器接收RF頻率的信號(hào)之后，將信號(hào)下變頻到較低的中頻（IF），并進(jìn)行數(shù)字化、濾波和解調(diào)。 圖1顯示的是外差接收器的程序框圖。 可以看到，該儀器的RF前端包含了帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器和本地振蕩器（LO）。

1.此外差接收器框圖顯示了一個(gè)帶有RF前端的儀器，該前端由帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器和本地振蕩器組成。

而直接RF采樣接收器架構(gòu)僅由低噪聲放大器、適當(dāng)?shù)臑V波器和ADC組成。 圖2中的接收器不需要使用混頻器和LO；ADC直接數(shù)字化RF信號(hào)并將其發(fā)送到處理器。 在這個(gè)架構(gòu)中，您可以在數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片上實(shí)現(xiàn)接收器的許多模擬組件。 例如，您可以使用直接數(shù)字轉(zhuǎn)換（DDC）來隔離目標(biāo)信號(hào)，而不需要使用混頻器。 此外，在大多數(shù)情況下，除了抗混疊或重建濾波器之外，您可以使用數(shù)字濾波替換大部分模擬濾波。

由于不需要模擬頻率轉(zhuǎn)換，直接RF采樣接收器的整體硬件設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多，從而允許更小的外形尺寸和更低的設(shè)計(jì)成本。

圖2.直接RF采樣接收器架構(gòu)可以僅包含一個(gè)低噪聲放大器、適當(dāng)?shù)臑V波器和ADC。

2. 如何實(shí)現(xiàn)直接采樣？

在近年來轉(zhuǎn)換器技術(shù)得到快速發(fā)展之前，由于轉(zhuǎn)換器采樣率和分辨率的限制，直接采樣架構(gòu)并不實(shí)用。 半導(dǎo)體公司利用新技術(shù)在更高的采樣頻率下提高分辨率，以降低轉(zhuǎn)換器內(nèi)的噪聲。 隨著具有更高分辨率的超高速轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，RF輸入信號(hào)可以直接轉(zhuǎn)換為數(shù)千兆Hz的信號(hào)。目前Teledyne e2v（英國(guó)）、TI、ADI等半導(dǎo)體公司的最新一代ADC都可以達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)。

這些轉(zhuǎn)換速率使得工程師能夠在L波段和S波段以非常高的瞬時(shí)帶寬進(jìn)行數(shù)字化。 隨著轉(zhuǎn)換器的不斷發(fā)展，在其他頻段（如C波段和X波段）進(jìn)行直接射頻采樣也并非空想。

3. 什么情況下應(yīng)考慮使用直接RF采樣架構(gòu)？

直接RF采樣的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了RF信號(hào)鏈，降低了每個(gè)通道的成本以及通道密度。 基于直接RF采樣架構(gòu)的儀器由于使用的模擬組件較少，因此外形尺寸通常更小，功率效率更高。 如果構(gòu)建的是高通道數(shù)系統(tǒng)，直接RF采樣可以減少系統(tǒng)的占地面積和成本。 在構(gòu)建完全有源的相控陣?yán)走_(dá)等系統(tǒng)時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)檫@些雷達(dá)通過對(duì)來自多達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)天線發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行移相來形成波束。 由于同一系統(tǒng)包含有多個(gè)RF信號(hào)發(fā)生器和分析儀，因此每個(gè)通道尺寸和成本便成為一個(gè)重要的考量因素。

除了尺寸、重量和功率（SWaP）減小之外，簡(jiǎn)化的架構(gòu)還可消除RF儀器本身內(nèi)部可能的噪聲、映像和其他誤差來源，例如LO泄漏和正交減損。

最后，直接RF采樣架構(gòu)還可以簡(jiǎn)化同步。 例如，要實(shí)現(xiàn)RF系統(tǒng)的相位一致性，必須同步RF儀器的內(nèi)部時(shí)鐘和LO。 在不需要LO的直接采樣中，只需關(guān)注器件的時(shí)鐘同步即可。 同樣，對(duì)于需要多個(gè)相位相干RF接收器的相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)用中，直接采樣架構(gòu)是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的有效選擇。