作者：Daniel E. Fague and Steven Rose

可以直接合成射頻范圍內(nèi)信號的轉(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)計的地步。憑借數(shù)字化和合成高達(dá) 2 GHz 或 3 GHz 的瞬時信號帶寬的能力，RF 轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在可以兌現(xiàn)真正寬帶無線電的承諾，使無線電設(shè)計人員能夠大幅減少創(chuàng)建無線電所需的硬件數(shù)量，并通過軟件實現(xiàn)新水平的可重構(gòu)性，這是傳統(tǒng)無線電設(shè)計根本無法實現(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創(chuàng)造的可能性。

介紹

每個無線電設(shè)計人員面臨的一個設(shè)計約束是，在設(shè)計盡可能高質(zhì)量的信號帶寬與無線電功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。無線電設(shè)計人員如何滿足此約束決定了無線電的大小和重量，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、背包、口袋、耳朵或眼鏡。每個無線電位置都有與其位置相稱的可用功率量。例如，建筑物或塔樓可能比口袋里的智能手機或耳朵里的藍(lán)牙耳機有更多的電力。在所有情況下，都存在一個基本事實：無線電消耗的功率越少，每單位功率能夠提供的吞吐量就越大，無線電就會越小越輕。這產(chǎn)生了巨大的影響，并且多年來一直是通信電子行業(yè)許多創(chuàng)新背后的驅(qū)動力。

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，使用它們的設(shè)備已經(jīng)能夠兌現(xiàn)更小、功能更強大、更輕或在某些情況下三者兼而有之的承諾。更小、更輕、功能更好的設(shè)備可以放置在以前由于其他一些限制而禁止的位置，例如當(dāng)單元可以上塔時減少建筑物所需的空間量，如果單元的重量足夠低，則可以減小到桿單元的塔式無線電單元的大小， 或者由于其重量而需要用車輛運輸?shù)膯卧F(xiàn)在可以打包攜帶。

當(dāng)今的環(huán)境充滿了需要建筑物、塔樓、電線桿和車輛的傳統(tǒng)裝置。在將世界上的人們相互連接的需求的驅(qū)動下，工程師通過設(shè)計具有當(dāng)時可用組件的設(shè)備來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，并為我們提供了我們今天擁有的通信豐富的環(huán)境;我們可以在幾個不同的網(wǎng)絡(luò)之一上進(jìn)行交談、文本、即時消息、拍照、下載、上傳和瀏覽幾乎任何我們希望的地方，包括移動網(wǎng)絡(luò)無線局域網(wǎng)、臨時短程無線網(wǎng)絡(luò)等。它們都連接到寬帶有線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通過射頻電纜傳輸，最終通過光纖傳輸。

增強的視頻體驗

正如一些研究表明的那樣，1, 2預(yù)計未來十年，對數(shù)據(jù)的需求將繼續(xù)增長。這是由對需要更寬帶寬的更豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容的看似永不滿足的需求推動的。例如，有線電視和光纖到戶運營商通過提供更高速的連接和更多的高清電視頻道，繼續(xù)在家庭寬帶服務(wù)方面競爭。向超高清（UHD或4k清晰度）電視的轉(zhuǎn)變需要兩倍于高清電視的容量，并且需要比目前使用的更寬的頻道帶寬。

此外，沉浸式視頻，包括虛擬現(xiàn)實（VR），以及游戲和3D效果，如180°或多維自由的全景觀看，所有這些都使用4k UHD電視，每個用戶將需要高達(dá)1千兆位的帶寬。2這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了簡單的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)中的對稱數(shù)據(jù)帶寬，因為延遲時間至關(guān)重要，這推動了更寬帶寬的上游傳輸能力的發(fā)展。這種對更寬上行能力的需求反過來又促使設(shè)備制造商升級其設(shè)計，以實現(xiàn)對稱、寬帶寬傳輸。

當(dāng)今RF轉(zhuǎn)換器的增強功能對于實現(xiàn)此類豐富視頻內(nèi)容的交付至關(guān)重要。它們必須能夠創(chuàng)建具有出色無雜散性能的高動態(tài)范圍信號，以便能夠使用256-QAM、1024-QAM和4k-QAM等高階調(diào)制方案。需要這些高階調(diào)制方法來提高每個通道的頻譜效率，因為安裝的同軸電纜設(shè)備和分配放大器具有1.2 GHz至1.7 GHz的有限帶寬。 前端傳輸設(shè)備的更高性能延長了已安裝設(shè)備基礎(chǔ)的使用壽命，緩解了資本預(yù)算限制，并允許多個服務(wù)運營商（MSO）有更長的時間窗口來升級其設(shè)備和傳輸系統(tǒng)。

多頻段、多模測試

今天的智能手機與傳統(tǒng)手機更不像，因為其中包含了更多的功能。其中許多功能都有與之相關(guān)的無線電，因此，今天的移動設(shè)備中有超過五七個或更多的無線電。這些無線電中的每一個都必須在智能手機生產(chǎn)時進(jìn)行測試，這給多模通信測試儀制造商帶來了新的挑戰(zhàn)。盡管測試數(shù)量隨著無線電數(shù)量的增加而增加，但需要速度來降低測試成本。在移動設(shè)備中為每個無線電構(gòu)建不同的無線電硬件在測試儀的尺寸和成本方面變得不切實際。隨著更多頻段的開放或提議用于移動服務(wù)，3在移動設(shè)備中測試越來越多的無線電的挑戰(zhàn)越來越大。

RF轉(zhuǎn)換器可以很好地解決這一挑戰(zhàn)。在發(fā)射器和接收器中，RF轉(zhuǎn)換器可以提供傳統(tǒng)無線電無法實現(xiàn)的靈活性。寬帶RF轉(zhuǎn)換器能夠同時捕獲和直接合成每個頻段的信號，從而可以在移動設(shè)備中同時測試多個無線電。由于RF DAC和RF ADC內(nèi)置了通道選擇器，這些多個無線電信號在轉(zhuǎn)換器中得到高效處理。例如，在圖2中，每個RF DAC顯示3個通道選擇器，使三個不同的信號和頻段能夠直接合成、組合，然后通過數(shù)控振蕩器（NCO）進(jìn)行數(shù)字上變頻，然后再由RF DAC轉(zhuǎn)換為RF信號。

在航空航天和國防測試設(shè)備等其他細(xì)分市場中，對脈沖雷達(dá)和軍事通信寬帶測試解決方案的需求正在增加。由于需要測試的雷達(dá)、電子情報、電子戰(zhàn)設(shè)備和通信設(shè)備的數(shù)量和類型，測試設(shè)備制造商必須創(chuàng)建具有豐富功能集的靈活儀器。4例如，任意波形發(fā)生器必須能夠產(chǎn)生各種信號，包括線性頻率調(diào)制、脈沖信號、相位相干信號以及跨寬輸出頻率和帶寬范圍的調(diào)制信號。測量設(shè)備必須具有相同的能力，以便在測試激勵器或變送器時接收此類信號。RF轉(zhuǎn)換器支持RF頻率的直接RF合成和測量，從而很好地服務(wù)于此應(yīng)用。在某些情況下，這可以消除向上或向下轉(zhuǎn)換的需要，而在其他情況下，可以減少單次轉(zhuǎn)換所需的數(shù)量。這簡化了硬件，從而可以減小其尺寸、重量和功率要求。通過增加通道選擇器、插值器、NCO和合路器等數(shù)字功能，可在專用的低功耗CMOS技術(shù)上實現(xiàn)高效的信號處理。

圖2.帶通道器的RF DAC示例。

軟件定義無線電

RF轉(zhuǎn)換器可以成為軟件定義無線電的關(guān)鍵推動因素。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，通過消除整個上變頻或下變頻級，而是以數(shù)字方式實現(xiàn)它們，從而簡化了無線電架構(gòu)。去掉模擬轉(zhuǎn)換級以及相關(guān)的混頻器、LO頻率合成器和濾波器，減小了無線電的尺寸、重量和功耗（SWaP），使無線電能夠位于更多位置，并采用更小的電源供電。這種技術(shù)使無線電可以小巧輕便，可以手提，在小型地面車輛中驅(qū)動，或安裝在飛機，直升機和無人機（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段的潛力。由于RF轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在能夠到達(dá)較低的雷達(dá)頻段，并且在不久的將來將達(dá)到較高的頻段，因此可以同時用作雷達(dá)和戰(zhàn)術(shù)通信鏈路的單個單元的概念可以成為現(xiàn)實。這種單位在現(xiàn)場維修、升級以及采購程序和成本方面具有明顯的杠桿作用。

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)換器合成和捕獲消除了許多傳統(tǒng)的無線電硬件，因此單個信號鏈更小、更輕。因此，可以將許多這些無線電封裝到較小的空間中。適用于艦載或陸基相控陣的陣列，以及用于信號情報操作的較小陣列和單元，都可以使用較小的SWaP構(gòu)建。

射頻轉(zhuǎn)換器背后的技術(shù)

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晶體管的柵極長度和特征尺寸變小，數(shù)字柵極變得更快、更小、更低功耗。6這允許在RF轉(zhuǎn)換器的芯片上以合理的功率和面積進(jìn)行重要的數(shù)字信號處理。包含軟件可編程的數(shù)字通道選擇器、調(diào)制器和濾波器對于構(gòu)建高效靈活的無線電至關(guān)重要。這種更高效的DSP也為使用數(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)點都提供更快的晶體管，每單位面積具有更好的匹配。這些改進(jìn)對于更快的高精度轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。

僅靠工藝技術(shù)進(jìn)步是不夠的，還有一些關(guān)鍵的架構(gòu)進(jìn)步使這些轉(zhuǎn)換器成為可能。RF DAC的首選架構(gòu)是電流轉(zhuǎn)向DAC架構(gòu)。這種類型的DAC的性能取決于組成DAC的電流源的匹配。未校準(zhǔn)的電流源匹配與電流源面積的平方根成正比。7單位面積的匹配將隨著每個技術(shù)節(jié)點的提高而提高。然而，即使在最先進(jìn)的節(jié)點中，對于高分辨率轉(zhuǎn)換器來說，具有足夠低的隨機失配的電流源也會非常大。擁有如此大的電流源會使轉(zhuǎn)換器變大，更關(guān)鍵的是，這種大電流源的寄生電容會降低DAC的高頻性能。一個更具吸引力的解決方案是校準(zhǔn)較小的電流源，以實現(xiàn)所需的匹配水平。這可以顯著減少來自電流源的寄生蟲，從而在不影響高頻性能的情況下實現(xiàn)所需的線性度性能。如果操作正確，該校準(zhǔn)可以在整個溫度范圍內(nèi)非常穩(wěn)定，并且允許進(jìn)行一次校準(zhǔn)。穩(wěn)定的一次性校準(zhǔn)意味著校準(zhǔn)不需要在后臺定期運行，從而節(jié)省工作功耗，并減輕由于校準(zhǔn)在后臺運行而產(chǎn)生虛假產(chǎn)品的擔(dān)憂。8

另一種有助于在極高速度下滿足所需轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)的架構(gòu)選擇是用于控制DAC電流的開關(guān)架構(gòu)選擇。傳統(tǒng)的雙開關(guān)結(jié)構(gòu)（圖 4）在高速運行時有幾個缺點。9, 10由于驅(qū)動到雙開關(guān)中的數(shù)據(jù)可以在一到多個時鐘周期的任何地方保持不變，因此尾節(jié)點將有一個數(shù)據(jù)相關(guān)的時間來建立。如果時鐘速率足夠慢，以至于該節(jié)點在一個時鐘周期內(nèi)建立，則這不是問題。然而，在非常高的速率下，該節(jié)點不會在一個時鐘周期內(nèi)完全建立，因此與數(shù)據(jù)相關(guān)的建立時間將導(dǎo)致DAC輸出失真。如果使用四路開關(guān)（圖5），則數(shù)據(jù)信號全部歸零。這導(dǎo)致尾節(jié)點電壓與數(shù)據(jù)輸入無關(guān)，從而緩解了上述問題。四通道開關(guān)還允許在時鐘的兩個邊沿更新DAC數(shù)據(jù)。此功能可用于有效地使DAC采樣速率加倍，而不會使時鐘頻率加倍。11

圖4.雙開關(guān)DAC單元示例。

圖5.四路開關(guān)DAC單元示例。

使用精心設(shè)計的電流源校準(zhǔn)算法和四開關(guān)電流轉(zhuǎn)向單元，結(jié)合當(dāng)今的精細(xì)CMOS工藝，可以設(shè)計出能夠以非常高速率采樣并具有出色動態(tài)范圍的DAC。這允許在很寬的頻率范圍內(nèi)合成高質(zhì)量信號。當(dāng)這種寬帶DAC與支持DSP相結(jié)合時，它就變成了一個非常靈活的高性能無線電發(fā)射器，可以配置為為本文前面提到的所有不同應(yīng)用提供信號。

未來無線電

雖然當(dāng)今的RF轉(zhuǎn)換器已經(jīng)使無線電架構(gòu)設(shè)計發(fā)生了根本性的變化，但它們有望在未來實現(xiàn)更大的變化。隨著工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步和RF轉(zhuǎn)換器設(shè)計的進(jìn)一步優(yōu)化，RF轉(zhuǎn)換器對功耗和無線電尺寸的影響將繼續(xù)縮小。這些合適的技術(shù)進(jìn)步恰逢其時，使下一代無線電成為可能，例如大規(guī)模MIMO等新興的5G無線基站應(yīng)用，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)將使更多的數(shù)字電路放置在RF轉(zhuǎn)換器芯片上，集成關(guān)鍵的計算密集型功能，如數(shù)字預(yù)失真（DPD）13波峰因數(shù)降低 （CFR） 算法有助于提高功率放大器效率并顯著降低整體系統(tǒng)功耗。這種集成將減輕高功耗FPGA邏輯的壓力，并將這些功能轉(zhuǎn)移到功耗吝嗇的專用邏輯中。其他可能性包括將RF轉(zhuǎn)換器及其數(shù)字引擎與RF、微波或毫米波模擬組件集成，進(jìn)一步減小尺寸并進(jìn)一步簡化無線電設(shè)計，并提供比特到天線的系統(tǒng)級無線電設(shè)計方法。對于RF轉(zhuǎn)換器，存在廣泛的機會。射頻轉(zhuǎn)換器是領(lǐng)先于一切可能的技術(shù)?.

審核編輯：郭婷