作者：Daniel E. Fague and Steven Rose

可以直接合成射頻范圍內(nèi)信號(hào)的轉(zhuǎn)換器（RF轉(zhuǎn)換器）已經(jīng)成熟到可以改變傳統(tǒng)無(wú)線電設(shè)計(jì)的地步。憑借數(shù)字化和合成高達(dá) 2 GHz 或 3 GHz 的瞬時(shí)信號(hào)帶寬的能力，RF 轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在可以兌現(xiàn)真正寬帶無(wú)線電的承諾，使無(wú)線電設(shè)計(jì)人員能夠大幅減少創(chuàng)建無(wú)線電所需的硬件數(shù)量，并通過軟件實(shí)現(xiàn)新水平的可重構(gòu)性，這是傳統(tǒng)無(wú)線電設(shè)計(jì)根本無(wú)法實(shí)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(wú)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(gè)無(wú)線電設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)設(shè)計(jì)約束是，在設(shè)計(jì)盡可能高質(zhì)量的信號(hào)帶寬與無(wú)線電功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。無(wú)線電設(shè)計(jì)人員如何滿足此約束決定了無(wú)線電的大小和重量，并從根本上影響無(wú)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(gè)無(wú)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(jī)或耳朵里的藍(lán)牙耳機(jī)有更多的電力。在所有情況下，都存在一個(gè)基本事實(shí)：無(wú)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(wú)線電就會(huì)越小越輕。這產(chǎn)生了巨大的影響，并且多年來(lái)一直是通信電子行業(yè)許多創(chuàng)新背后的驅(qū)動(dòng)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(qiáng)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(shí)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(wú)線電單元的大小， 或者由于其重量而需要用車輛運(yùn)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(dòng)下，工程師通過設(shè)計(jì)具有當(dāng)時(shí)可用組件的設(shè)備來(lái)應(yīng)對(duì)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(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)之一上進(jìn)行交談、文本、即時(shí)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線局域網(wǎng)、臨時(shí)短程無(wú)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(qiáng)的視頻體驗(yàn)

正如一些研究表明的那樣，1, 2預(yù)計(jì)未來(lái)十年，對(duì)數(shù)據(jù)的需求將繼續(xù)增長(zhǎng)。這是由對(duì)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(dòng)的。例如，有線電視和光纖到戶運(yùn)營(yíng)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(jìng)爭(zhēng)。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(shí)（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(gè)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(jiǎn)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(duì)稱數(shù)據(jù)帶寬，因?yàn)檠舆t時(shí)間至關(guān)重要，這推動(dòng)了更寬帶寬的上游傳輸能力的發(fā)展。這種對(duì)更寬上行能力的需求反過來(lái)又促使設(shè)備制造商升級(jí)其設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱、寬帶寬傳輸。

當(dāng)今RF轉(zhuǎn)換器的增強(qiáng)功能對(duì)于實(shí)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(wú)雜散性能的高動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)，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(lái)提高每個(gè)通道的頻譜效率，因?yàn)榘惭b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(zhǎng)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(gè)服務(wù)運(yùn)營(yíng)商（MSO）有更長(zhǎng)的時(shí)間窗口來(lái)升級(jí)其設(shè)備和傳輸系統(tǒng)。

多頻段、多模測(cè)試

今天的智能手機(jī)與傳統(tǒng)手機(jī)更不像，因?yàn)槠渲邪烁嗟墓δ?。其中許多功能都有與之相關(guān)的無(wú)線電，因此，今天的移動(dòng)設(shè)備中有超過五七個(gè)或更多的無(wú)線電。這些無(wú)線電中的每一個(gè)都必須在智能手機(jī)生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行測(cè)試，這給多模通信測(cè)試儀制造商帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。盡管測(cè)試數(shù)量隨著無(wú)線電數(shù)量的增加而增加，但需要速度來(lái)降低測(cè)試成本。在移動(dòng)設(shè)備中為每個(gè)無(wú)線電構(gòu)建不同的無(wú)線電硬件在測(cè)試儀的尺寸和成本方面變得不切實(shí)際。隨著更多頻段的開放或提議用于移動(dòng)服務(wù)，3在移動(dòng)設(shè)備中測(cè)試越來(lái)越多的無(wú)線電的挑戰(zhàn)越來(lái)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(wú)線電無(wú)法實(shí)現(xiàn)的靈活性。寬帶RF轉(zhuǎn)換器能夠同時(shí)捕獲和直接合成每個(gè)頻段的信號(hào)，從而可以在移動(dòng)設(shè)備中同時(shí)測(cè)試多個(gè)無(wú)線電。由于RF DAC和RF ADC內(nèi)置了通道選擇器，這些多個(gè)無(wú)線電信號(hào)在轉(zhuǎn)換器中得到高效處理。例如，在圖2中，每個(gè)RF DAC顯示3個(gè)通道選擇器，使三個(gè)不同的信號(hào)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(hào)。

在航空航天和國(guó)防測(cè)試設(shè)備等其他細(xì)分市場(chǎng)中，對(duì)脈沖雷達(dá)和軍事通信寬帶測(cè)試解決方案的需求正在增加。由于需要測(cè)試的雷達(dá)、電子情報(bào)、電子戰(zhàn)設(shè)備和通信設(shè)備的數(shù)量和類型，測(cè)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(hào)，包括線性頻率調(diào)制、脈沖信號(hào)、相位相干信號(hào)以及跨寬輸出頻率和帶寬范圍的調(diào)制信號(hào)。測(cè)量設(shè)備必須具有相同的能力，以便在測(cè)試激勵(lì)器或變送器時(shí)接收此類信號(hào)。RF轉(zhuǎn)換器支持RF頻率的直接RF合成和測(cè)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)處理。

圖2.帶通道器的RF DAC示例。

軟件定義無(wú)線電

RF轉(zhuǎn)換器可以成為軟件定義無(wú)線電的關(guān)鍵推動(dòng)因素。RF轉(zhuǎn)換器能夠直接合成和捕獲多GHz范圍內(nèi)的無(wú)線電頻率，通過消除整個(gè)上變頻或下變頻級(jí)，而是以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)它們，從而簡(jiǎn)化了無(wú)線電架構(gòu)。去掉模擬轉(zhuǎn)換級(jí)以及相關(guān)的混頻器、LO頻率合成器和濾波器，減小了無(wú)線電的尺寸、重量和功耗（SWaP），使無(wú)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(wú)線電可以小巧輕便，可以手提，在小型地面車輛中驅(qū)動(dòng)，或安裝在飛機(jī)，直升機(jī)和無(wú)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(tái)通信外，使用RF轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的無(wú)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(lái)將達(dá)到較高的頻段，因此可以同時(shí)用作雷達(dá)和戰(zhàn)術(shù)通信鏈路的單個(gè)單元的概念可以成為現(xiàn)實(shí)。這種單位在現(xiàn)場(chǎng)維修、升級(jí)以及采購(gòu)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(wú)線電硬件，因此單個(gè)信號(hào)鏈更小、更輕。因此，可以將許多這些無(wú)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(hào)情報(bào)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(zhǎng)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(hào)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(duì)于構(gòu)建高效靈活的無(wú)線電至關(guān)重要。這種更高效的DSP也為使用數(shù)字處理來(lái)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(gè)新節(jié)點(diǎn)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(duì)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(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的提高而提高。然而，即使在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)中，對(duì)于高分辨率轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，具有足夠低的隨機(jī)失配的電流源也會(huì)非常大。擁有如此大的電流源會(huì)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(huì)降低DAC的高頻性能。一個(gè)更具吸引力的解決方案是校準(zhǔn)較小的電流源，以實(shí)現(xiàn)所需的匹配水平。這可以顯著減少來(lái)自電流源的寄生蟲，從而在不影響高頻性能的情況下實(shí)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(gè)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(tái)定期運(yùn)行，從而節(jié)省工作功耗，并減輕由于校準(zhǔn)在后臺(tái)運(yùn)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(yùn)行時(shí)有幾個(gè)缺點(diǎn)。9, 10由于驅(qū)動(dòng)到雙開關(guān)中的數(shù)據(jù)可以在一到多個(gè)時(shí)鐘周期的任何地方保持不變，因此尾節(jié)點(diǎn)將有一個(gè)數(shù)據(jù)相關(guān)的時(shí)間來(lái)建立。如果時(shí)鐘速率足夠慢，以至于該節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)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(diǎn)不會(huì)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完全建立，因此與數(shù)據(jù)相關(guān)的建立時(shí)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(hào)全部歸零。這導(dǎo)致尾節(jié)點(diǎn)電壓與數(shù)據(jù)輸入無(wú)關(guān)，從而緩解了上述問題。四通道開關(guān)還允許在時(shí)鐘的兩個(gè)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(huì)使時(shí)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(jì)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(jì)出能夠以非常高速率采樣并具有出色動(dòng)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(hào)。當(dāng)這種寬帶DAC與支持DSP相結(jié)合時(shí)，它就變成了一個(gè)非常靈活的高性能無(wú)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(hào)。

未來(lái)無(wú)線電

雖然當(dāng)今的RF轉(zhuǎn)換器已經(jīng)使無(wú)線電架構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生了根本性的變化，但它們有望在未來(lái)實(shí)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(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化，RF轉(zhuǎn)換器對(duì)功耗和無(wú)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(shí)，使下一代無(wú)線電成為可能，例如大規(guī)模MIMO等新興的5G無(wú)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(jì)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(jiǎn)化無(wú)線電設(shè)計(jì)，并提供比特到天線的系統(tǒng)級(jí)無(wú)線電設(shè)計(jì)方法。對(duì)于RF轉(zhuǎn)換器，存在廣泛的機(jī)會(huì)。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