Marc Stackler, Teledyne e2v半導體亞太區(qū)產(chǎn)品應用工程師

多年來，數(shù)字收發(fā)機被應用在多種類型的應用中，包括地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信和基于雷達的監(jiān)視、地球觀測和監(jiān)控。它們的性能直接影響新的5G移動網(wǎng)絡(luò)的效率和系統(tǒng)成本。

過去，收發(fā)機的系統(tǒng)工程師在這些應用中使用中頻架構(gòu)?，F(xiàn)在，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最新發(fā)展，使新型基于射頻采樣的架構(gòu)成為可能。和過去的方案相比，它在系統(tǒng)層面有很多優(yōu)勢。

這些優(yōu)勢不僅包括"SWAP-C"——減少尺寸、重量、功耗和成本，還包括縮短投向市場的時間，以及軟件定義無線電(SDR)和軟件定義微波(SDM)帶來的靈活性。這使工程師可以在不同的應用中使用相同的支持多種配置和需求的硬件系統(tǒng)。

在討論最新一代的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器如何實現(xiàn)這些優(yōu)勢之前，讓我們先看一看兩種不同的收發(fā)機系統(tǒng)的架構(gòu)。

中頻架構(gòu)

中頻架構(gòu)需增加特定的射頻硬件，通過一個或多個中頻環(huán)節(jié)產(chǎn)生射頻頻率。這些環(huán)節(jié)被稱為發(fā)射(TX)端的上變頻器（其作用是把低頻轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l）和接收(RX)端的下變頻器（其作用是把高頻轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l）。圖1展示了兩級頻率轉(zhuǎn)換的架構(gòu)。

圖1. 兩級頻率轉(zhuǎn)換的中頻架構(gòu)的TX和RX端

上變頻器環(huán)節(jié)包括一個混頻器，其頻率由本地振蕩器(LO)提供，用來完成頻率轉(zhuǎn)換。接下來是濾波器環(huán)節(jié)，用來移除混頻或放大帶來的鏡像。圖2展示了這個兩級頻率轉(zhuǎn)換的例子中的連續(xù)轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)。必須仔細處理頻率鏡像，以免產(chǎn)生由混疊和畸變引起的性能下降。這里我們不詳細討論。

圖2. 兩級頻率轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)

在發(fā)射端，第一級上變頻器把基帶或第一奈奎斯特域的信號轉(zhuǎn)變成中頻(IF1)，第二級上變頻器把IF1信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號。在接收端的過程正好相反（射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)镮F1，然后IF1信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐Щ虻谝荒慰固赜虻男盘枺缓?a href="http://www.makelele.cn/tags/adc/" target="_blank">ADC把模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號，用于解調(diào)的數(shù)字處理。不同的應用，頻率轉(zhuǎn)換器的數(shù)量和中頻的值是不同的，發(fā)射端和接收端的實現(xiàn)也不一定相同。

中頻架構(gòu)是在“一戰(zhàn)”時發(fā)明的，從那時起就被廣泛應用，主要原因是它曾經(jīng)是唯一的一種數(shù)字處理射頻信號的解決方案。如今，這種方案最主要的優(yōu)勢是能提供高頻射頻信號和僅支持基帶頻率轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接口。

由于多年來數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器只能處理低頻和數(shù)字域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，人們只能使用特定的模擬方案處理射頻頻譜，并進行數(shù)字化處理。這一方案的主要弊端在于增加了射頻硬件的數(shù)量，使SWAP-C和性能下降。另一個弊端是缺少靈活度，因為中頻已經(jīng)被LO頻率和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出頻率決定了。如果不和另一種架構(gòu)比較，這一弊端很難被發(fā)現(xiàn)。

射頻采樣架構(gòu)
射頻采樣架構(gòu)直接把射頻頻率轉(zhuǎn)變到數(shù)字域，不需要任何的上變頻器和下變頻器，其使用寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器恢復射頻信號（如圖3所示）。

圖 3. 射頻采樣架構(gòu)系統(tǒng)的TX和RX端

射頻采樣架構(gòu)需要能直接在高奈奎斯特域完成信號轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。奈奎斯特域是一個由香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理定義的寬度等于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣率一半的頻帶，可表示為，這里k是整數(shù)。圖4表示信號如何在第四奈奎斯特域直接采樣。

圖4. 第四奈奎斯特域的射頻采樣

射頻采樣是使模擬域處理工作量達到最小的關(guān)鍵。把越多的處理工作放在數(shù)字域，系統(tǒng)的靈活度就越高——能夠在多個平臺重用硬件，減少投向市場的時間和認證的成本，降低風險。

除了能提高靈活度，射頻采樣架構(gòu)還能通過移除模擬頻率轉(zhuǎn)換器來降低成本和功耗。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在，系統(tǒng)工程師們有充分的理由采用射頻采樣架構(gòu)。

迄今為止，采用射頻采樣架構(gòu)的應用的瓶頸在于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的能力?，F(xiàn)在的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器完全可以滿足高達C波段甚至X波段射頻采樣架構(gòu)的需求，但是在更高的波段（比如K波段、E波段、V波段這些未來5G回程系統(tǒng)需使用的波段）的性能并不夠。

表1給出了中頻采樣和射頻采樣的高級別的比較。射頻采樣的優(yōu)勢很大，但是也帶來了新的挑戰(zhàn)和要求，尤其是對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

表1. 中頻和射頻采樣的高級別比較

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的作用
今天的收發(fā)機的性能通常受限于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，它在數(shù)字域和模擬域的接口上扮演著關(guān)鍵角色。無論選擇哪種架構(gòu)，都需考慮ADC和DAC的性能和規(guī)格要求。但是，射頻采樣架構(gòu)需要額外關(guān)注某些特定的關(guān)鍵指標，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的模擬帶寬和DAC的輸出模式。

在解釋為什么這些參數(shù)對于這種架構(gòu)非常重要的原因，以及它們?nèi)绾斡绊懴到y(tǒng)性能之前，我們有必要回顧一下香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理是如何從理論上定義這種實現(xiàn)方案的。

香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理說，當采樣率至少是被采樣信號的總帶寬的兩倍時(即，這里，被采樣信號能夠被重建。這條定理通常被闡述成第一奈奎斯特域的版本，即。這對基帶系統(tǒng)是足夠的，但為了達到高奈奎斯特域的射頻采樣，必須理解完整版的定理。混疊效應會使得每個奇數(shù)的奈奎斯特域產(chǎn)生相同信息的信號，每個偶數(shù)的奈奎斯特域產(chǎn)生相反信息的信號，如圖5所示。通過在感興趣的奈奎斯特域進行抗混疊濾波，射頻采樣能關(guān)注包含有用信息的單個信號。

圖5. 混疊原理

射頻采樣需考慮的第一個額外的指標是ADC和DAC的模擬帶寬。器件的帶寬會產(chǎn)生和低通濾波器類似的影響，從而限制能在指定精度有效轉(zhuǎn)換的信號頻率。圖6表示一個簡單的例子，這里在第二奈奎斯特域之后，信號由于帶寬的限制產(chǎn)生了很大的衰減。

圖6. ADC/DAC的模擬帶寬對射頻采樣能力的影響實例

另外，還需考慮模擬前端的總帶寬。ADC和DAC模擬前端的放大器和濾波器會影響能夠被收發(fā)機還原的總帶寬。

帶寬并不是影響直接射頻采樣性能的唯一參數(shù)。由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的工藝和架構(gòu)不同，性能會有很大的差異。例如，某些ADC和DAC使用CMOS工藝，帶寬超過6GHz，但是從3-5GHz的信號開始，性能就有明顯的降低。這是采用雙極型工藝和BiCMOS工藝制造ADC和DAC的主要原因之一，因為這些工藝可以保證即使在轉(zhuǎn)換頻率高于轉(zhuǎn)換器帶寬的情況下也能得到良好的性能。

當然，在高頻輸出時，帶寬對產(chǎn)生的輸出功率有很大的影響，從而限制系統(tǒng)的性能。但是，對于不需要非常高的輸出功率的應用，可以使用能夠產(chǎn)生高于標稱模擬帶寬的高頻信號的器件進行射頻采樣。當為射頻采樣選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時，既要考慮帶寬，也要考慮高頻的性能。

另一個影響射頻采樣性能的DAC的參數(shù)是輸出模式，更準確的說，是對其產(chǎn)生的輸出功率的影響。DAC可以以不同的輸出模式產(chǎn)生輸出信號。比如，最新一代的DAC提供四種不同的輸出模式：

· 非歸零模式 (NRZ) – 最常見的輸出模式，在全采樣周期輸出采樣值

· 歸零模式 (RTZ) – 這種輸出模式也很常見，在半個采樣周期輸出采樣值，另外半個周期輸出0

· 窄歸零模式(NRTZ) – 這種輸出模式提供了NRZ模式和RTZ模式之間的靈活的解決方案，在采樣周期的某一段(X)輸出采樣值，前后的部分(1-X)/2輸出0

· 射頻模式 (射頻) – 這種輸出模式主要面向射頻采樣，在半個采樣周期輸出采樣值，另外半個周期輸出相反的值

從這些模式的頻率響應中能更容易理解輸出模式對輸出功率的影響。應該根據(jù)感興趣的奈奎斯特域選擇合適的模式，使輸出功率達到最大。這就是說，要基于采樣率和產(chǎn)生的射頻頻率選擇模式。例如，采樣率是6Gsps，輸出頻率在C波段（4-8GHz），在第二或第三奈奎斯特域，射頻模式的輸出功率最大，對輸出功率只有5dB的影響。

輸出模式的頻率響應取決于采樣率。工作在12Gsps采樣率、輸出頻率為C波段的DAC最多在第二奈奎斯特域，這時NRZ模式是最適合的。

對于應用在射頻采樣中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，除了常規(guī)的要求外，它們必須能在目標射頻頻率上達到足夠的輸出功率和性能指標，包括模擬帶寬、動態(tài)性能和輸出模式（只適用于DAC）。一旦選擇了合適的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，就可在系統(tǒng)中應用射頻采樣架構(gòu)。

使用最新ADC的架構(gòu)對比
為了突出射頻采樣和中頻架構(gòu)相比的優(yōu)勢，Teledyne e2v最新一代的ADC可采用三種不同的配置：兩級中頻架構(gòu)、單級中頻架構(gòu)和射頻采樣架構(gòu)。

表2展示了三種不同配置的功耗和噪聲?？梢钥闯?，移除每個下變頻器環(huán)節(jié)都能顯著降低系統(tǒng)的功耗，從雙下變頻器到射頻采樣架構(gòu)降低了約25%。同時，噪聲性能并沒有變化。這是因為如果第一級的放大器能提供足夠的增益，噪聲性能通常由第一級的放大器決定。

表 2. 使用最新一代ADC的中頻和射頻采樣架構(gòu)的性能對比

雖然不同形式的中頻架構(gòu)的歷史悠久，但是如今數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展使這種架構(gòu)越來越不適合射頻應用。射頻采樣架構(gòu)有明顯的SWAP-C優(yōu)勢，并隨著新一代的高速、高帶寬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展而發(fā)展。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進步將帶來更高的性能，支持更高頻率的直接射頻采樣。