多年來，數字收發(fā)機被應用在多種類型的應用中，包括地面蜂窩網絡、衛(wèi)星通信和基于雷達的監(jiān)視、地球觀測和監(jiān)控。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?，F在，高速數據轉換器的最新發(fā)展，使新型基于射頻直接采樣的架構成為可能。

轉換器技術每年都在發(fā)展。 主要半導體公司的模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）的采樣速率比十年前的產品快了幾個數量級。 例如，2005年，世界上速度最快的12位分辨率ADC采樣速率為250 MS/s； 而到了2018年，12位ADC的采樣率已經達到6.4 GS/s。 由于這些性能的提高，轉換器可以直接數字化RF頻率的信號，并為現代通信和雷達系統(tǒng)提供足夠的動態(tài)范圍。

雖然在使用高采樣率（主要是動態(tài)范圍）轉換器時需要進行權衡，但該技術允許您將廣泛使用的外差RF架構替換成直接RF架構，以支持特定應用。 例如，對于需要更小外形尺寸或降低成本的寬帶RF應用，經過前端簡化的直接RF采樣儀器就是非常理想的選擇。 尤其是，這項技術在雷達和電子戰(zhàn)等一些國防和航空航天應用中得到了進一步發(fā)展。

1. 什么是直接射頻采樣？

如果要了解直接RF架構，則需要了解該架構與其他RF架構的區(qū)別。在外差結構中，接收器接收RF頻率的信號之后，將信號下變頻到較低的中頻（IF），并進行數字化、濾波和解調。圖1顯示的是外差接收器的程序框圖?？梢钥吹?，該儀器的RF前端包含了帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器和本地振蕩器（LO）。

圖1.此外差接收器框圖顯示了一個帶有RF前端的儀器，該前端由帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器和本地振蕩器組成。

而直接RF采樣接收器架構僅由低噪聲放大器、適當的濾波器和ADC組成。圖2中的接收器不需要使用混頻器和LO；ADC直接數字化RF信號并將其發(fā)送到處理器。在這個架構中，您可以在數字信號處理（DSP）芯片上實現接收器的許多模擬組件。例如，您可以使用直接數字轉換（DDC）來隔離目標信號，而不需要使用混頻器。此外，在大多數情況下，除了抗混疊或重建濾波器之外，您可以使用數字濾波替換大部分模擬濾波。

由于不需要模擬頻率轉換，直接RF采樣接收器的整體硬件設計要簡單得多，從而允許更小的外形尺寸和更低的設計成本。

圖2.直接RF采樣接收器架構可以僅包含一個低噪聲放大器、適當的濾波器和ADC。

2. 如何實現直接采樣？

在近年來轉換器技術得到快速發(fā)展之前，由于轉換器采樣率和分辨率的限制，直接采樣架構并不實用。半導體公司利用新技術在更高的采樣頻率下提高分辨率，以降低轉換器內的噪聲。隨著具有更高分辨率的超高速轉換器的出現，RF輸入信號可以直接轉換為數千兆Hz的信號。目前Teledyne e2v（英國）、TI、ADI等半導體公司的最新一代ADC都可以達到該標準。

這些轉換速率使得工程師能夠在L波段和S波段以非常高的瞬時帶寬進行數字化。隨著轉換器的不斷發(fā)展，在其他頻段（如C波段和X波段）進行直接射頻采樣也并非空想。

3. 什么情況下應考慮使用直接RF采樣架構？

直接RF采樣的主要優(yōu)點是簡化了RF信號鏈，降低了每個通道的成本以及通道密度?；谥苯覴F采樣架構的儀器由于使用的模擬組件較少，因此外形尺寸通常更小，功率效率更高。如果構建的是高通道數系統(tǒng)，直接RF采樣可以減少系統(tǒng)的占地面積和成本。在構建完全有源的相控陣雷達等系統(tǒng)時，這一點尤其重要，因為這些雷達通過對來自多達數百甚至數千個天線發(fā)射的信號進行移相來形成波束。由于同一系統(tǒng)包含有多個RF信號發(fā)生器和分析儀，因此每個通道尺寸和成本便成為一個重要的考量因素。

除了尺寸、重量和功率（SWaP）減小之外，簡化的架構還可消除RF儀器本身內部可能的噪聲、映像和其他誤差來源，例如LO泄漏和正交減損。

最后，直接RF采樣架構還可以簡化同步。例如，要實現RF系統(tǒng)的相位一致性，必須同步RF儀器的內部時鐘和LO。在不需要LO的直接采樣中，只需關注器件的時鐘同步即可。同樣，對于需要多個相位相干RF接收器的相控陣雷達應用中，直接采樣架構是簡化設計的有效選擇。

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審核編輯：湯梓紅