RF轉(zhuǎn)換器：一種支持寬帶無線電的技術

　　Daniel E. Fague和Steven Rose

　　ADI公司

　　摘要

　　能夠直接合成無線電頻率范圍內(nèi)信號的轉(zhuǎn)換器（RF轉(zhuǎn)換器）已經(jīng)成熟，常規(guī)無線電設計將因此發(fā)生變革。由于能夠數(shù)字化并合成高達2 GHz到3 GHz的瞬時信號帶寬，RF轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在可以兌現(xiàn)提供真正寬帶無線電的承諾，無線電設計人員得以大幅減少創(chuàng)建無線電所需的硬件數(shù)量，并支持通過軟件實現(xiàn)更高水平的再配置能力，這對于常規(guī)無線電設計來說完全沒有可能。本文探討了RF轉(zhuǎn)換器技術的進步使得這種新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和寬帶無線電成為可能，并討論了軟件配置能力帶來的可能性。

　　簡介

　　每位無線電設計人員都要面對這樣一個設計約束，即需要權衡信號帶寬的質(zhì)量與無線電的功耗。無線電設計人員如何滿足這一約束決定了無線電的尺寸和重量，并從根本上影響無線電的位置，包括建筑物、塔樓、電線桿、地下車輛、包裹、口袋、耳朵或眼鏡。每個無線電位置都有一個與其位置相稱的可用功率量。例如，建筑物或塔樓上的可用功率很可能高于口袋中的智能手機或耳內(nèi)的藍牙耳機提供的功率。所有情況下都存在一個基本事實：無線電需要的功率越小，并且單位功率所能支持的吞吐量越大，則無線電尺寸越小，重量越輕。這個事實影響巨大，多年來一直是通信電子行業(yè)中很多創(chuàng)新背后的推動力。

　　半導體公司將更多的功能和更高的性能集成到相同或更小尺寸的器件中，使用此類器件的設備得以實現(xiàn)更小、更多功能或更輕（某些情況下這三者都能得到實現(xiàn)）的承諾。設備越小、越輕、功能越多則越好，這樣就可以把設備放置在以前由于其他約束而不能放的位置。例如，原先需要建筑物，現(xiàn)在由于占地面積減小，設備可以放在塔樓上；原先放在塔樓上的無線電單元，如果重量足夠輕，就可以縮小成放在電線柱上的單元；原先因為較重而需要車輛攜帶的單元，現(xiàn)在可以放在一個背包中。

　　當今的環(huán)境充斥著各種需要放在建筑物、塔樓、柱子和車輛上的傳統(tǒng)裝置。由于需要將世界各地的人員彼此聯(lián)系起來，工程師們利用當時可用的器件設計設備以應對挑戰(zhàn)，這才有了我們今天通信無處不在的環(huán)境。我們可以隨時隨地通過多種不同網(wǎng)絡（包括移動網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)、特設短距離無線網(wǎng)絡等）進行通話、發(fā)消息、即時通訊、傳照片、下載、上傳和瀏覽。所有這些都連接到寬帶有線網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)由RF電纜傳輸，最終通過光纖傳輸。

　　圖1.RF轉(zhuǎn)換器支持寬帶無線電提供視頻流和游戲等需要大量數(shù)據(jù)的服務。

　　增強視頻體驗

　　多項研究表明1，2，對數(shù)據(jù)的需求預計會在未來十年持續(xù)增長。其驅(qū)動力是人們對數(shù)據(jù)更豐富的內(nèi)容的似乎無止境的需求，因而需要更寬的帶寬。例如，有線電視和光纖到戶運營商通過提供更高速度的連接和更多高清電視頻道，不斷在家庭寬帶服務方面展開競爭。超高清（UHD或4k清晰度）電視需要的容量是高清電視的兩倍以上，通道帶寬需求超過當今使用的帶寬。

　　此外，包括虛擬現(xiàn)實（VR）在內(nèi)的沉浸式視頻，以及具有多維自由度的游戲和3D效果（180°或全景視覺等），全部使用4k超高清電視，每用戶需要高達1 Gb的帶寬2，這遠遠超出了簡單的4k UHD電視廣播和流媒體已然很苛刻的要求。在線游戲需要網(wǎng)絡提供對稱的數(shù)據(jù)帶寬，因為延遲時間至關重要，這推動了更寬帶寬上行傳輸能力的發(fā)展。這種對更寬上行能力的需求反過來又促使設備制造商升級其設計，以實現(xiàn)對稱的寬帶寬傳輸。

　　當今RF轉(zhuǎn)換器的增強功能對于推動傳輸如此豐富視頻內(nèi)容的進步至關重要。RF轉(zhuǎn)換器必須能夠創(chuàng)建具有出色無雜散性能的高動態(tài)范圍信號，從而支持使用256-QAM、1024-QAM和4k-QAM等更高階的調(diào)制方案。已安裝的同軸電纜設備和分配放大器具有1.2 GHz至1.7 GHz的有限帶寬，為了提高每個通道的頻譜效率，必須使用上述更高階的調(diào)制方法。前端傳輸設備的更高性能可延長已安裝設備群的使用壽命，緩解資本預算限制，以及支持向多家服務運營商（MSO）提供更長時間窗口來升級其設備和傳輸系統(tǒng)。

　　多頻段、多模式測試

　　隨著集成的功能越來越多，如今的智能手機與傳統(tǒng)手機已相去甚遠。許多功能都有與之相關聯(lián)的無線電，因此，當前的移動設備中可能有五到七個甚至更多的無線電。生產(chǎn)智能手機時，每種無線電都必須進行測試，這給多模式通信測試儀制造商帶來了新的挑戰(zhàn)。盡管測試量隨著無線電數(shù)量的增加而增加，但仍需要快速測試以降低測試成本。考慮到測試儀的尺寸和成本，為移動設備中的每個無線電構建不同的無線電硬件變得不切實際。隨著更多的頻段開放或被提議用于移動服務3，測試移動設備中越來越多的無線電的挑戰(zhàn)難度在加大。

　　RF轉(zhuǎn)換器可以很好地應對這一挑戰(zhàn)。在發(fā)射器和接收器中，RF轉(zhuǎn)換器均能提供常規(guī)無線電無法實現(xiàn)的靈活性。寬帶RF轉(zhuǎn)換器可以同時捕捉并直接合成每個頻段中的信號，從而支持同時測試移動設備中的多個無線電。利用RF DAC和RF ADC內(nèi)置的通道選擇器，多個無線電信號可以在轉(zhuǎn)換器中得到高效處理。例如，圖2中顯示每個RF DAC有3個通道選擇器，可以直接合成三個不同的信號和頻段并加以合并，然后利用數(shù)字控制振蕩器（NCO）進行數(shù)字上變頻，再由RF DAC轉(zhuǎn)換為RF信號。

　　圖2.帶通道選擇器的RF DAC示例。

　　在其他市場領域，例如針對航空航天和防務市場的測試設備，對用于脈沖雷達和軍用通信的寬帶測試解決方案的需求日益增加。由于需要測試的雷達、電子情報、電子戰(zhàn)設備和通信設備的數(shù)量與類型眾多，測試設備制造商必須創(chuàng)造一種具有豐富特性組合的靈活儀器4。例如，任意波形發(fā)生器必須能夠創(chuàng)建各種信號，包括線性頻率調(diào)制脈沖信號、相位相干信號以及各種輸出頻率和帶寬的調(diào)制信號。測量設備必須同樣強大，以便在測試激勵器或發(fā)射器時能接收這些信號。RF轉(zhuǎn)換器支持直接RF合成和RF頻率下的測量，可以很好地服務于此類應用。在某些情況下，這可以消除上變頻或下變頻的需求，而在其他情況下，這可以減少單一變頻所需的次數(shù)。硬件得以簡化，尺寸、重量和功耗要求得以降低。增加通道選擇器、內(nèi)插器、NCO和合成器等數(shù)字特性，可在專用低功耗CMOS技術上實現(xiàn)高效信號處理。

　　軟件定義無線電

　　RF轉(zhuǎn)換器是軟件定義無線電的關鍵賦能因素之一。RF轉(zhuǎn)換器能夠直接合成和捕獲多GHz范圍內(nèi)的無線電頻率，以數(shù)字方式實現(xiàn)上變頻或下變頻功能，這樣整個上變頻或下變頻級都不再需要，無線電架構得以簡化。模擬變頻級和相關混頻器、LO合成器、濾波器的消除，可減小無線電的尺寸、重量和功耗（SWaP），使無線電能夠放在更多地方，并可使用更小的電源供電。這種技術使得無線電小巧輕便，足以手持、車載或安裝在飛機、直升機、無人機（UAV）等各種機載資產(chǎn)中。

　　除了實現(xiàn)更好的跨平臺通信之外，利用RF轉(zhuǎn)換器構建的無線電硬件還有支持多功能、多模式和多頻段的潛力。RF轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在能夠達到較低的雷達波段，在不久的將來會達到較高的波段，因此單臺設備既可用作雷達也可用作戰(zhàn)術通信鏈路的概念有望變成現(xiàn)實。這樣一種設備在現(xiàn)場維修、升級、采購程序和成本方面具有明顯的優(yōu)勢。

　　直接合成和捕獲雷達頻率的能力使得RF轉(zhuǎn)換器非常適合相控陣雷達系統(tǒng)。直接RF轉(zhuǎn)換器合成和捕獲可消除非常多的常規(guī)無線電硬件，使單個信號鏈更小更輕。如此便能將很多這種無線電收納在一個更小的空間中。適合船載的陣列或地面相控陣，以及用于信號情報操作的較小陣列和單元，可以實現(xiàn)更小的SWaP。

　　圖3.RF轉(zhuǎn)換器驅(qū)動的軟件定義無線電支持跨平臺互連通信。

　　RF轉(zhuǎn)換器背后的技術

　　RF轉(zhuǎn)換器得以成功的關鍵技術進步之一是持續(xù)微縮的細線CMOS工藝。隨著基本CMOS晶體管的柵極長度和特征尺寸變小，數(shù)字門電路變得更快、更小且功耗更低6。這使得具有合理功耗和面積的RF轉(zhuǎn)換器可以將大量數(shù)字信號處理功能集成到芯片上。容納數(shù)字通道選擇器、調(diào)制器和軟件可編程濾波器，對于構建高效靈活的無線電非常重要。這種更高效的DSP也為利用數(shù)字處理來幫助糾正轉(zhuǎn)換器中的模擬缺陷打開了大門。在模擬方面，每個新節(jié)點都提供速度更快的晶體管，其單位面積的匹配性能也更好。這些改進對于實現(xiàn)速度更快的高精度轉(zhuǎn)換器至關重要。

　　單靠工藝技術進步是不夠的，還有一些重要的架構改進使得RF轉(zhuǎn)換器成為可能。RF DAC的首選架構是電流導引DAC架構。此類DAC的性能取決于構成DAC的電流源的匹配。未經(jīng)校準的電流源匹配與電流源面積的平方根成正比7。單位面積的匹配隨著技術節(jié)點的升級而改善。但是，對于高分辨率轉(zhuǎn)換器而言，即便是最先進的節(jié)點且隨機失配足夠低，其電流源也會非常大。這種大電流源會使轉(zhuǎn)換器變大，更糟糕的是，大電流源的寄生電容會降低DAC的高頻性能。更有吸引力的解決方案是校準較小電流源以達到所需的匹配水平。這樣可以顯著降低來自電流源的附加寄生效應，實現(xiàn)所需的線性度性能而不損害高頻性能。如果正確執(zhí)行，這種校準可以在整個溫度范圍內(nèi)保持高度穩(wěn)定，并且校準可以一次完成。穩(wěn)定的一次性校準意味著不需要在后臺定期運行校準，從而節(jié)省運行功耗，并減輕因后臺運行校準而產(chǎn)生雜散產(chǎn)物的問題。

　　還有一個幫助超高速轉(zhuǎn)換器達到性能指標的架構選擇，那就是用于導引DAC電流的開關架構選擇。傳統(tǒng)的雙開關結(jié)構（圖4）在以非常高的速度運行時存在幾個缺點9，10。驅(qū)動到雙路開關的數(shù)據(jù)可以在一個到多個時鐘周期內(nèi)保持不變，因此尾節(jié)點的建立時間依賴于數(shù)據(jù)。如果時鐘速率足夠慢，使得此節(jié)點可以在一個時鐘周期內(nèi)建立，那么這不成問題。但在非常高的速率下，此節(jié)點在一個時鐘周期內(nèi)無法完全建立，依賴于數(shù)據(jù)的建立時間將會導致DAC輸出失真。如果使用四路開關（圖5），數(shù)據(jù)信號就會全部歸零。這導致尾節(jié)點電壓與數(shù)據(jù)輸入無關，從而緩解上述問題。四路開關還允許DAC數(shù)據(jù)在時鐘的兩個邊沿上更新。利用此特性可有效地使DAC采樣速率加倍，而時鐘頻率無需倍增11。

　　圖4.雙開關DAC單元示例。

　　采用精心設計的電流源校準算法和四開關電流導引單元，結(jié)合當今的細線CMOS工藝，可以設計出具有出色動態(tài)范圍的高速采樣DAC。這樣就能在很寬的頻率范圍內(nèi)合成高質(zhì)量信號。當這種寬帶DAC與輔助DSP相結(jié)合時，它變成一個非常靈活的高性能無線電發(fā)射器，經(jīng)過配置可為本文前面提到的所有不同應用提供信號。

　　圖5.四開關DAC單元示例。

　　未來無線電

　　當今的RF轉(zhuǎn)換器已經(jīng)促使無線電架構設計發(fā)生了根本性的改變，而在未來，它將引發(fā)更大的改變。隨著工藝技術的不斷進步和RF轉(zhuǎn)換器設計的進一步優(yōu)化，RF轉(zhuǎn)換器對無線電功耗和尺寸的影響將繼續(xù)縮小。這些技術進步來的正是時候，有力地推動了新一代無線電，例如新興5G無線基站應用（如大規(guī)模MIMO），以及大規(guī)模相控陣雷達和波束合成應用。深亞微米光刻技術將使得更多數(shù)字電路能夠放置在RF轉(zhuǎn)換器芯片上，從而集成需要大量計算的關鍵功能，如數(shù)字預失真（DPD） 13和波峰因數(shù)降低（CFR）算法等，這有助于提高功率放大器效率并顯著減少系統(tǒng)整體功耗。這種集成將減輕對高能耗FPGA邏輯的壓力，并將相關功能轉(zhuǎn)移到功耗較低的專用邏輯中。其他可能性包括將RF轉(zhuǎn)換器及其數(shù)字引擎與RF、微波或毫米波模擬器件集成在一起，進一步縮小尺寸并簡化無線電設計，為無線電設計提供比特到天線的系統(tǒng)級方法。由于有了RF轉(zhuǎn)換器，各種各樣的機遇迸發(fā)出來。RF轉(zhuǎn)換器是助力世界超越一切可能的技術。

　　參考文獻

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　　11 Gil Engel、Shawn Kuo和Steve Rose?！?4位3 GHz/6 GHz電流導引RF DAC，采用0.18 μm CMOS，2.9 GHz時提供66 dB ACLR”。2012 IEEE國際固態(tài)電路會議，IEEE，2012。

　　12 Daniel Fague。“最新RF DAC拓寬軟件無線電的應用視野”?！赌M對話》，第50卷第7期，2016年7月。

　　13 Patrick Pratt和Frank Kearney?！俺瑢拵?shù)字預失真（DPD）：在電纜分配系統(tǒng)中實現(xiàn)帶來的優(yōu)勢（功率和性能）和挑戰(zhàn)”?！赌M對話》，第51卷第07期，2017年7月。

　　作者簡介

　　Daniel E. Fague是ADI公司高速產(chǎn)品部的系統(tǒng)應用工程總監(jiān)。他于1989年獲得貢薩格大學電子工程學士學位（BSEE），并于1991年獲得加州大學戴維斯分校電子工程碩士學位（MSEE）。他于1995年加入ADI公司無線手機部門，主要進行GSM、EDGE、CDMA和藍牙手機無線電架構設計（包括直接變頻無線電）。此前，他在美國國家半導體公司工作了5年，從事DECT和PHS的無線電架構設計。自2011年加入高速產(chǎn)品部門以來，Dan一直從事RF轉(zhuǎn)換器的開發(fā)。他擁有7項專利，發(fā)表過30多篇文章和論文。聯(lián)系方式：daniel.fague@analog.com。

　　Steven C. Rose是ADI公司高速產(chǎn)品部的設計工程師。他于1999年獲得密歇根大學電子工程學士學位（BSEE），并于2002年獲得加州大學伯克利分校電子工程碩士學位（MSEE）。他于2002年加入ADI公司高速轉(zhuǎn)換產(chǎn)品部門，主要從事有線電視接收器射頻構建模塊的設計。自2009年以來，Steve一直專注于RF DAC的設計。