【導(dǎo)讀】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(shè)計將因此發(fā)生變革。由于能夠數(shù)字化并合成高達(dá)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(shè)計人員得以大幅簡化硬件設(shè)計，并很好的支持軟件可重復(fù)配置的能力，這對于常規(guī)無線電設(shè)計來說是不可能實(shí)現(xiàn)的。本文探討了RF轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進(jìn)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，并討論了軟件配置的可行性。
簡介
每位無線電設(shè)計人員都要面對這樣一個設(shè)計取舍的問題，即需要權(quán)衡信號帶寬內(nèi)的性能與功耗。無線電設(shè)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(jī)或耳內(nèi)的藍(lán)牙耳機(jī)提供的功率。所有情況下都存在一個基本事實(shí)：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(shí)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(dǎo)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(shè)備得以實(shí)現(xiàn)更小、更多功能或更輕（某些情況下這三者都能得到實(shí)現(xiàn)）的承諾。設(shè)備越小、越輕、功能越多則越好，這樣就可以把設(shè)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(shè)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?yàn)檩^重而需要車輛攜帶的單元，現(xiàn)在可以放在一個背包中。
當(dāng)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。出于世界各地人們彼此互聯(lián)的需求，工程師們利用當(dāng)時可用的器件設(shè)計設(shè)備以應(yīng)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(luò)（包括移動網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、特設(shè)短距離無線網(wǎng)絡(luò)等）進(jìn)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(luò)，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(wù)
增強(qiáng)的視頻體驗(yàn)
多項(xiàng)研究表明1,2，對數(shù)據(jù)的需求預(yù)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(yùn)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(wù)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(dāng)今使用的帶寬。
此外，包括虛擬現(xiàn)實(shí) (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(dá)1 Gb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然很苛刻的要求。在線游戲需要網(wǎng)絡(luò)提供對稱的數(shù)據(jù)帶寬，因?yàn)檠舆t時間至關(guān)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(shè)備制造商升級其設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)對稱的寬帶寬傳輸。
當(dāng)今RF轉(zhuǎn)換器強(qiáng)大的功能對于推動傳輸如此豐富視頻內(nèi)容的進(jìn)步至關(guān)重要。必須能夠提供大動態(tài)信號的輸出，同時要求具有優(yōu)秀的雜散性能，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(shè)備和分配放大器具有1.2GHz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(shè)備的更高性能可延長已安裝設(shè)備群的使用壽命，緩解資本預(yù)算限制，以及支持向多家服務(wù)運(yùn)營商 (MSO) 提供更長時間窗口來升級其設(shè)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(jī)與傳統(tǒng)手機(jī)已相去甚遠(yuǎn)。許多功能都有與之相關(guān)聯(lián)的無線電，因此，當(dāng)前的移動設(shè)備中可能有五到七個甚至更多的頻段。生產(chǎn)智能手機(jī)時，每種無線電都必須進(jìn)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?？紤]到測試儀的尺寸和成本，為移動設(shè)備中的每個無線電構(gòu)建不同的無線電硬件變得不切實(shí)際。隨著更多的頻段開放或被提議用于移動服務(wù)3，測試移動設(shè)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(yīng)對這一挑戰(zhàn)。無論是發(fā)射機(jī)還是接收機(jī)，RF轉(zhuǎn)換器均能提供常規(guī)無線電無法實(shí)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(shè)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個子通道處理單元，可以將三個頻段不同的信號合路，然后利用數(shù)字控制振蕩器 (NCO) 進(jìn)行數(shù)字上變頻，再由RF DAC轉(zhuǎn)換為RF信號。
在其他市場領(lǐng)域，例如針對航空航天和防務(wù)市場的測試設(shè)備，對用于脈沖雷達(dá)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(dá)、電子情報、電子戰(zhàn)設(shè)備和通信設(shè)備的數(shù)量與類型眾多，測試設(shè)備制造商必須制造出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(shè)備必須同樣強(qiáng)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(wù)于此類應(yīng)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，減少變頻次數(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(shù)上實(shí)現(xiàn)高效信號處理。
圖2. 帶通道選擇器的RF DAC示例。
軟件定義無線電
RF轉(zhuǎn)換器是軟件定義無線電的關(guān)鍵因素之一。RF轉(zhuǎn)換器能夠直接合成和捕獲幾個GHz 帶寬內(nèi)的無線電頻率，以數(shù)字方式實(shí)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(gòu)得以簡化。去掉模擬變頻級和相關(guān)混頻器、LO合成器、濾波器，可減小無線電的尺寸、重量和功耗 (SWaP)，使無線電能夠適應(yīng)更多的應(yīng)用場景，并可使用更小的電源供電。這種技術(shù)使得無線電小巧輕便，足以手持、車載或安裝在飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī) (UAV) 等各種機(jī)載資產(chǎn)中。
除了實(shí)現(xiàn)更好的跨平臺通信之外，利用RF轉(zhuǎn)換器構(gòu)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(dá)到較低的雷達(dá)頻段，在不久的將來會達(dá)到較高的頻段，因此單臺設(shè)備既可用作雷達(dá)也可用作戰(zhàn)術(shù)通信鏈路的概念有望變成現(xiàn)實(shí)。這樣一種設(shè)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(dá)頻率的能力使得RF轉(zhuǎn)換器非常適合相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。直接RF轉(zhuǎn)換器合成和捕獲可減少非常多的常規(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整合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(shí)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(shù)
RF轉(zhuǎn)換器得以成功的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步之一是持續(xù)微縮的細(xì)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(gòu)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(diǎn)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(jìn)對于實(shí)現(xiàn)速度更快的高精度轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。
單靠工藝技術(shù)進(jìn)步是不夠的，還有一些重要的架構(gòu)改進(jìn)使得RF轉(zhuǎn)換器成為可能。RF DAC的優(yōu)選架構(gòu)是電流導(dǎo)引DAC架構(gòu)。此類DAC的性能取決于構(gòu)成DAC的電流源的匹配。未經(jīng)校準(zhǔn)的電流源匹配與電流源面積的平方根成正比7。單位面積的匹配隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的升級而改善。但是，對于高分辨率轉(zhuǎn)換器而言，即便是先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)且隨機(jī)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(zhǔn)較小電流源以達(dá)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(yīng)，實(shí)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(zhǔn)可以在整個溫度范圍內(nèi)保持高度穩(wěn)定，并且校準(zhǔn)可以一次完成。穩(wěn)定的一次性校準(zhǔn)意味著不需要在后臺定期運(yùn)行校準(zhǔn)，從而節(jié)省運(yùn)行功耗，并減輕因后臺運(yùn)行校準(zhǔn)而產(chǎn)生雜散產(chǎn)物的問題。8
還有一個幫助超高速轉(zhuǎn)換器達(dá)到性能指標(biāo)的架構(gòu)選擇，那就是用于導(dǎo)引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）在以非常高的速度運(yùn)行時存在幾個缺點(diǎn)9,10。驅(qū)動到雙路開關(guān)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(dǎo)致DAC輸出失真。如果使用四路開關(guān)（圖5），數(shù)據(jù)信號就會全部歸零。這導(dǎo)致尾節(jié)點(diǎn)電壓與數(shù)據(jù)輸入無關(guān)，從而緩解上述問題。四路開關(guān)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1。11
圖4. 雙開關(guān)DAC單元示例。
圖5. 四開關(guān)DAC單元示例。
采用精心設(shè)計的電流源校準(zhǔn)算法和四開關(guān)電流導(dǎo)引單元，結(jié)合當(dāng)今的細(xì)線CMOS工藝，可以設(shè)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(dāng)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(yīng)用提供信號。
未來無線電
當(dāng)今的RF轉(zhuǎn)換器已經(jīng)促使無線電架構(gòu)設(shè)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(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)換器對無線電功耗和尺寸的影響將繼續(xù)縮小。這些技術(shù)進(jìn)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(yīng)用（如大規(guī)模MIMO），以及大規(guī)模相控陣?yán)走_(dá)和波束合成應(yīng)用。深亞微米光刻技術(shù)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(guān)鍵功能，如數(shù)字預(yù)失真 (DPD)13和削峰 (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(guān)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(jìn)一步縮小尺寸并簡化無線電設(shè)計，為無線電設(shè)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(jī)遇迸發(fā)出來。RF轉(zhuǎn)換器是助力世界超越一切可能TM的技術(shù)。
參考電路
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5 Henry S. Kenyon, "新無線電和波形將軍用通信轉(zhuǎn)移至天空" Signal，2013年10月。
6 William Holt. "摩爾定律：前進(jìn)之路" 。2016 IEEE國際固態(tài)電路會議，IEEE，2016。
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10 Sungkyung Park, Gyudong Kim, Sin-Chong Park, and Wonchan Kim. "基于差分四開關(guān)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器" 。IEEE固態(tài)電路雜志，IEEE，第37卷第10期，2002年10月。
11 Gil Engel, Shawn Kuo, and Steve Rose. "14位3 GHz/6 GHz電流導(dǎo)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(yīng)用視野"《模擬對話》，第50卷第7期，2016年7月。
13 Patrick Pratt and Frank Kearney. "超寬帶數(shù)字預(yù)失真(DPD)：在電纜 分配系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)帶來的優(yōu)勢（功率和性能）和挑戰(zhàn)" 《模擬對話》，第51卷第07期，2017年7月。
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