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

多年來，數(shù)字收發(fā)機(jī)被應(yīng)用在多種類型的應(yīng)用中，包括地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信和基于雷達(dá)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)的效率和系統(tǒng)成本。

過去，收發(fā)機(jī)的系統(tǒng)工程師在這些應(yīng)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(shí)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(yīng)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(shí)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(jī)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(gè)或多個(gè)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(jí)頻率轉(zhuǎn)換的架構(gòu)。

圖1. 兩級(jí)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(gè)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(gè)兩級(jí)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(xì)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(xì)討論。

圖2. 兩級(jí)頻率轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)

在發(fā)射端，第一級(jí)上變頻器把基帶或第一奈奎斯特域的信號(hào)轉(zhuǎn)變成中頻(IF1)，第二級(jí)上變頻器把IF1信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號(hào)。在接收端的過程正好相反（射頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镮F1，然后IF1信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐Щ虻谝荒慰固赜虻男盘?hào)），然后ADC把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)，用于解調(diào)的數(shù)字處理。不同的應(yīng)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(shí)現(xiàn)也不一定相同。

中頻架構(gòu)是在“一戰(zhàn)”時(shí)發(fā)明的，從那時(shí)起就被廣泛應(yīng)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(hào)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(hào)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(jìn)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(gè)弊端是缺少靈活度，因?yàn)橹蓄l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(fù)射頻信號(hào)（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(hào)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(gè)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(hào)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(dá)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(gè)平臺(tái)重用硬件，減少投向市場的時(shí)間和認(rèn)證的成本，降低風(fēng)險(xiǎn)。

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(yīng)用的瓶頸在于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的能力。現(xiàn)在的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器完全可以滿足高達(dá)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(jí)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(duì)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

表1. 中頻和射頻采樣的高級(jí)別比較

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的作用
今天的收發(fā)機(jī)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(biāo)，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(duì)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(shí)現(xiàn)方案的。

香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理說，當(dāng)采樣率至少是被采樣信號(hào)的總帶寬的兩倍時(shí)(即，這里，被采樣信號(hào)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(duì)基帶系統(tǒng)是足夠的，但為了達(dá)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(yīng)會(huì)使得每個(gè)奇數(shù)的奈奎斯特域產(chǎn)生相同信息的信號(hào)，每個(gè)偶數(shù)的奈奎斯特域產(chǎn)生相反信息的信號(hào)，如圖5所示。通過在感興趣的奈奎斯特域進(jìn)行抗混疊濾波，射頻采樣能關(guān)注包含有用信息的單個(gè)信號(hào)。

圖5. 混疊原理

射頻采樣需考慮的第一個(gè)額外的指標(biāo)是ADC和DAC的模擬帶寬。器件的帶寬會(huì)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(hào)頻率。圖6表示一個(gè)簡單的例子，這里在第二奈奎斯特域之后，信號(hào)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(duì)射頻采樣能力的影響實(shí)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(huì)影響能夠被收發(fā)機(jī)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(huì)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(hào)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?yàn)檫@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(dāng)然，在高頻輸出時(shí)，帶寬對(duì)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(duì)于不需要非常高的輸出功率的應(yīng)用，可以使用能夠產(chǎn)生高于標(biāo)稱模擬帶寬的高頻信號(hào)的器件進(jìn)行射頻采樣。當(dāng)為射頻采樣選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，既要考慮帶寬，也要考慮高頻的性能。

另一個(gè)影響射頻采樣性能的DAC的參數(shù)是輸出模式，更準(zhǔn)確的說，是對(duì)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(hào)。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(gè)采樣周期輸出采樣值，另外半個(gè)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(gè)采樣周期輸出采樣值，另外半個(gè)周期輸出相反的值

從這些模式的頻率響應(yīng)中能更容易理解輸出模式對(duì)輸出功率的影響。應(yīng)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(dá)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(duì)輸出功率只有5dB的影響。

輸出模式的頻率響應(yīng)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(shí)NRZ模式是最適合的。

對(duì)于應(yīng)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(biāo)射頻頻率上達(dá)到足夠的輸出功率和性能指標(biāo)，包括模擬帶寬、動(dòng)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(yīng)用射頻采樣架構(gòu)。

使用最新ADC的架構(gòu)對(duì)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(jí)中頻架構(gòu)、單級(jí)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(gè)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(shí)，噪聲性能并沒有變化。這是因?yàn)槿绻谝患?jí)的放大器能提供足夠的增益，噪聲性能通常由第一級(jí)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(duì)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(yīng)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(jìn)步將帶來更高的性能，支持更高頻率的直接射頻采樣。