軟件無線電應(yīng)用推進(jìn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)升級(jí)

摘要： 本文介紹了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在軟件無線電技術(shù)中的應(yīng)用，并對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)在軟件無線電應(yīng)用中的發(fā)展與趨勢(shì)做了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞： 軟件無線電；ADC；DAC；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

假設(shè)將來有一天，你的移動(dòng)電話除了作為日常通信工具之外，還將融合汽車遙控器、衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、電視接收機(jī)等多種功能，那將是多么令人向往的個(gè)人移動(dòng)多媒體信息娛樂時(shí)代！

隨著越來越多的移動(dòng)電話成為結(jié)合通信、計(jì)算和娛樂功能的多合一設(shè)備，這些設(shè)備需要支持包括Wi-Fi、WiMAX、音視頻廣播、導(dǎo)航等多種射頻(RF)標(biāo)準(zhǔn)。所有這些RF標(biāo)準(zhǔn)都使移動(dòng)電話的設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜，而軟件無線電(SDR)就是解決這些問題的答案。

SDR通過能夠把寬的射頻頻譜數(shù)字化的高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)，為RF級(jí)和天線提供一個(gè)模擬接口。這樣，就不必利用多個(gè)芯片來解碼射頻信號(hào)，從而在單一集成電路上用軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，為SDR系統(tǒng)提供所需要的靈活性、頻譜效率、低成本和小的形狀因子。據(jù)iSuppli預(yù)測(cè)，在移動(dòng)電話中SDR的應(yīng)用將呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)，交付使用的SDR移動(dòng)電話將從2007年僅僅4.2萬(wàn)部上升到2014年的6740萬(wàn)部，如圖1所示。

圖1  移動(dòng)電話中SDR的應(yīng)用將呈現(xiàn)強(qiáng)勁的增長(zhǎng)

隨著軟件無線電應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為了主要半導(dǎo)體器件供應(yīng)商的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)之一，主要的廠商包括：TI、AD、Maxim、Linear和NS。本文試圖向你說明，ADC和DAC轉(zhuǎn)換器的最新進(jìn)展已經(jīng)接近軟件無線電系統(tǒng)的要求，值得引起中國(guó)無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的關(guān)注。

ADC的瓶頸和發(fā)展趨勢(shì)

盡管主要SDR技術(shù)的采用是由DSP和FPGA的發(fā)展所加速，但是，模擬性能的鴻溝卻阻止SDR在許多常見應(yīng)用中的使用，因此，掌握ADC和DAC轉(zhuǎn)換器的最新進(jìn)展對(duì)于軟件無線電的應(yīng)用有著積極的意義。對(duì)于ADC和DAC之類的器件，一般地說，性能要求的重點(diǎn)是噪聲和失真特性。ADC器件的主要指標(biāo)是信噪比(SNR)和無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)，DAC器件的指標(biāo)包括噪聲頻譜密度(NSD)、鄰道泄漏比(ACLR)或鄰道功率比(ACPR)。

轉(zhuǎn)換器指標(biāo)包含許多性能標(biāo)準(zhǔn)。除了噪聲和失真之外，其它要求如采樣率和帶寬也是至關(guān)重要的。采樣率需要足夠地匹配應(yīng)用帶寬以滿足奈奎斯特頻率的要求。此外，過采樣可以作為壓低噪聲密度的一種手段，但是，假如滿足奈奎斯特頻率，這就不是嚴(yán)格必需的。目前的采樣率和在采樣率上的技術(shù)進(jìn)展已經(jīng)跟上了應(yīng)用需求。

另一方面，帶寬總是小于應(yīng)用需求。新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)總是尋求以更高的頻率進(jìn)行采樣(對(duì)于ADC來說)或合成(對(duì)于DAC來說)，其目的在于獲得更高的中頻(IF)，同時(shí)，滿足直接RF采樣及合成的要求。直接RF采樣可能是極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和進(jìn)一步降低成本的關(guān)鍵。

然而，在高模擬頻率上運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器存在一定的不利后果。由于時(shí)鐘抖動(dòng)和有限的偏斜率的原因，噪聲和失真性能可能更糟糕。過去十年當(dāng)中，高速轉(zhuǎn)換器開發(fā)過程中的創(chuàng)新一直就集中在以更高的模擬頻率改進(jìn)轉(zhuǎn)換器的工作。例如，盡管過去十年當(dāng)中SFDR的改進(jìn)不大，但是，輸入帶寬卻得到了很大提高。圖2所示為ADC帶寬和SFDR的改進(jìn)情況，該圖清楚地表明IF采樣轉(zhuǎn)換器的性能持續(xù)得到改進(jìn)。

圖2  ADC帶寬和SFDR的改進(jìn)情況

大多數(shù)高速ADC用電容來采集輸入信號(hào)，采樣開關(guān)的導(dǎo)通阻抗與采樣電容一起，自然而然地構(gòu)成了一個(gè)濾波器。因此，ADC的帶寬受到電容大小的限制，如方程1所示。電容越小，電路就越易于驅(qū)動(dòng)，從而提高帶寬并改進(jìn)SFDR性能。圖3所示為ADC噪聲譜密度逐年降低的情況。

   (1)
其中，BW是轉(zhuǎn)換器的帶寬。除了改進(jìn)SFDR性能和獲得更大的輸入帶寬之外，該電路容許更多的噪聲通過采樣電容。輸入噪聲的增加會(huì)導(dǎo)致ADC SNR進(jìn)一步降低，因此，這就引出了有趣的折衷問題，如方程2所示。

   (2)
盡管如此，對(duì)業(yè)已增加的輸入帶寬，SNR仍然保持相對(duì)平坦。通過把噪聲分布在奈奎斯特帶寬上，可以把SNR轉(zhuǎn)換為NSD，從而生成一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所使用的關(guān)鍵參數(shù)。高速轉(zhuǎn)換器的NSD隨著時(shí)間的推移而得到了改進(jìn)，并且每年穩(wěn)定提高大約1 dB/Hz。這就轉(zhuǎn)化為改進(jìn)了接收靈敏度，并進(jìn)一步提高了SDR設(shè)計(jì)的可用動(dòng)態(tài)范圍。例如，對(duì)于GSM應(yīng)用來說，典型的高速轉(zhuǎn)換器的NSD必須在-157 dBm/Hz數(shù)量級(jí)或86dBFS(滿刻度分貝)；無雜散性能要求大約為-110dBFS。從圖2和圖3可見，所要求的性能仍未達(dá)到，然而，這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是顯而易見的，而所需要的性能在下一代產(chǎn)品中應(yīng)該能達(dá)到。

圖3  ADC噪聲譜密度逐年降低的情況

在許多高性能應(yīng)用中，采用進(jìn)一步提高集成度的ADC是重要的發(fā)展趨勢(shì)。例如，AD6655 IF分集接收器提供高性能的接收器功能，包括ADC、數(shù)字調(diào)諧器和有助于構(gòu)成自動(dòng)增益控制(AGC)環(huán)路的功率檢測(cè)。因?yàn)镾DR系統(tǒng)需要寬的動(dòng)態(tài)范圍，所以，AGC是至關(guān)重要的。例如，在一次采樣上，輸入信號(hào)可能接近噪聲基底，那么，在幾次采樣之內(nèi)，輸入就會(huì)被快速地驅(qū)動(dòng)到逼近轉(zhuǎn)換器的滿刻度數(shù)值。AGC環(huán)路通常被用來維持在輸入上的最大可能信號(hào)，與此同時(shí)，要對(duì)信號(hào)電平的突然增加做出響應(yīng)，以防止對(duì)接收器輸入的削波。

DAC的噪聲性能至關(guān)重要

從DAC的觀點(diǎn)看，主要性能要求是雜散信號(hào)、NSD、ACPR和ACLR。為了滿足發(fā)射要求，通常要求DAC的SFDR大約為-75dBFS，如圖4所示，對(duì)于現(xiàn)有這一代DAC都不成問題。

圖4  現(xiàn)有DAC SFDR遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了典型的-75dBFS的發(fā)射要求

另一方面，噪聲性能可能存在問題。因?yàn)镾DR應(yīng)用本質(zhì)上是寬帶應(yīng)用，功率放大器的輸出也是寬帶的。系統(tǒng)中產(chǎn)生的任何噪聲都將被放大并呈現(xiàn)在輸出上。在DAC中的過度噪聲可能被送到天線，然后，以過量RF噪聲的形式發(fā)送出去。因此，系統(tǒng)噪聲(包括DAC的噪聲)必須被最小化。目前，最先進(jìn)的調(diào)制器(用于直接發(fā)射)具有大約-156 dBm或更好的輸出噪聲密度；理想情況下，DAC應(yīng)該在這個(gè)電平之上或以下，以防整個(gè)系統(tǒng)的噪聲大幅度增加。從圖5可見，DAC的噪聲顯然低于調(diào)制器和混頻器的噪聲。以現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)而言，DAC對(duì)發(fā)展SDR系統(tǒng)的制約作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ADC。

圖5 DAC噪聲普密度逐年改進(jìn)的情況

提高集成度以改進(jìn)可用性

除了上述改進(jìn)之外，其它的因素不僅僅增強(qiáng)了性能，而且改進(jìn)了可用性。集成度就是增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品性能的一個(gè)重要因素。近年來，許多數(shù)字功能已經(jīng)被添加到ADC和DAC之中，常見的有數(shù)字濾波器、轉(zhuǎn)發(fā)器(interpolator)、降頻器(decimator)、數(shù)控振蕩器(NCO)以及其它有助于接收和發(fā)送工作的功能。

ADC片上降頻器和DAC片上轉(zhuǎn)發(fā)器的好處在于，可以極大地降低外部接口的速度，這允許采用速度較低的邏輯電路，并降低開關(guān)速度的要求，從而進(jìn)一步降低整體噪聲和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的雜散信號(hào)，最終提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

盡管存在各種瓶頸，現(xiàn)有的曲線表明轉(zhuǎn)換器的性能在穩(wěn)步提高之中。隨著這些轉(zhuǎn)換器集成度的提高，不僅僅能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，而且系統(tǒng)的性能也將得到提高，下一代的轉(zhuǎn)換器必將進(jìn)一步彌合性能和功能上的鴻溝，最終把軟件無線電技術(shù)推向普及應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

作為SDR系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，ADC和DAC器件的性能將繼續(xù)演變，它們對(duì)簡(jiǎn)化無線電系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的作用。

從圖6的無線電頻譜可見，除了 “甜蜜區(qū)”之外，隨著半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展，SDR技術(shù)將在更寬的頻譜范圍內(nèi)獲得推廣應(yīng)用，并出現(xiàn)各種應(yīng)用軟件和頻譜使用方案。軟件無線電技術(shù)將使未來的無線電產(chǎn)品具有可重配置性和滿足多標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，代表著未來無線技術(shù)發(fā)展的方向。對(duì)于中國(guó)無線電系統(tǒng)工程師來說，掌握最新的ADC和DAC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，有助于推進(jìn)軟件無線電技術(shù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用！

圖6 無線電頻譜中的“甜蜜點(diǎn)”

參考文獻(xiàn)：
1. iSuppli市場(chǎng)觀察第65期，軟件無線電在移動(dòng)電話中獲得強(qiáng)烈的認(rèn)同, www.isuppli.com
2. Roadmap of IEEE Wireless Networking Spec Overview and C&I Issues, Terng-Yin Hsu
3. Converter performance approaches software-defined radio requirements, Brad Brannon, rfdesign.com
4. 軟件定義無線電結(jié)構(gòu)的測(cè)試儀器與RF測(cè)量的新熱點(diǎn)，李儀，電子產(chǎn)品世界，2007-06-09
5．A Simple Guide To Radio Spectrum, Nigel Laflin and Bela Dajka