摘要
高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器用于通信應(yīng)用已有多年，它存在于很多設(shè)備 中，這些設(shè)備組成了我們的互連世界—從蜂窩手機(jī)基站，到 有線電話前端設(shè)備，再到雷達(dá)和專業(yè)通信系統(tǒng)。最近的技術(shù) 進(jìn)步使高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘速率具有越來(lái)越高的頻率。這 些時(shí)鐘速率較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與JESD204B高速串行接口配合 使用，使DAC的有效控制和輸出數(shù)據(jù)的傳輸?shù)靡褜?shí)現(xiàn)。形成 了一種全新的轉(zhuǎn)換器類(lèi)型，稱為RF（射頻）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。它 們可以直接頻率合成或捕捉RF信號(hào)，無(wú)需使用具有模擬無(wú)線 電鏈路的傳統(tǒng)上變頻或下變頻。
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本文重點(diǎn)討論最新的RF數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (RF DAC) 系列產(chǎn)品— AD9162和AD9164，及其擴(kuò)展軟件定義無(wú)線電 (SDR) 定義的 能力。AD9164使RF DAC產(chǎn)品達(dá)到了全新的性能等級(jí)，讓傳 統(tǒng)的無(wú)線電設(shè)計(jì)相比前代的RF或IF類(lèi)DAC更高效。世界一流 的性能加上豐富的功能讓AD9164成為系統(tǒng)之間開(kāi)關(guān)無(wú)線電的 首選，并向真正的軟件定義無(wú)線電前進(jìn)了一步。

簡(jiǎn)介
傳統(tǒng)無(wú)線電設(shè)備使用高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及正交調(diào)制器作為有 線和無(wú)線通信鏈路的主要構(gòu)建模塊。經(jīng)典的外差、超外差和 直接變頻架構(gòu)中發(fā)送器和接收器對(duì)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的要求是相 同的，突破了數(shù)字處理到真實(shí)世界中的模擬信號(hào)和模擬信號(hào) 到數(shù)字處理之間的界限。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進(jìn)步連同濾波器 技術(shù)和功率放大器技術(shù)一起，奠定了無(wú)線電設(shè)計(jì)進(jìn)步的基礎(chǔ)。

采用一組基帶高速ADC構(gòu)建的經(jīng)典無(wú)線電發(fā)送器如圖1所示。 數(shù)字基帶數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)同步高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送，同相數(shù)據(jù) 通過(guò)I DAC，正交數(shù)據(jù)通過(guò)Q DAC。DAC輸出至正交調(diào)制器。 取決于調(diào)制器的類(lèi)型，輸出可以是低中頻（比如200 MHz至 400 MHz），也可以是較高的IF頻率（比如500 MHz至1 GHz）， 甚至RF頻率（1 GHz至5 GHz范圍）。圖中顯示了后續(xù)上變頻至 實(shí)際的最終頻率。輸出信號(hào)采用帶通濾波器進(jìn)行濾波，然后通 過(guò)功率放大器和另一個(gè)帶通濾波器發(fā)送（可集成在雙工器內(nèi)）。

圖1. 使用高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的經(jīng)典超外差發(fā)送器圖例。

這類(lèi)架構(gòu)常見(jiàn)的瞬時(shí)發(fā)送帶寬為幾十至幾百M(fèi)Hz，主要受轉(zhuǎn) 換器、功率放大器和濾波器帶寬的限制。對(duì)于最新的E頻段微 波回傳無(wú)線電等系統(tǒng)來(lái)說(shuō)這是不夠的，這類(lèi)系統(tǒng)要求500 MHz、1 GHz甚至2 GHz無(wú)線電通道帶寬。如果考慮使用無(wú)線 基礎(chǔ)設(shè)施基站（舉例而言）中可能采用的多頻段無(wú)線電，可 能需要同等寬度的500 MHz或700 MHz，甚至1 GHz，用來(lái)覆 蓋部分頻段組合。采用兩個(gè)傳統(tǒng)射頻通道也許可以滿足要求， 每頻段使用一個(gè)射頻通道。無(wú)論出于成本、尺寸或是其它因 素的考慮，將多個(gè)射頻通道合成一個(gè)射頻通道是更適合需求 的一個(gè)方案。此時(shí)便需要一種新的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

支持技術(shù)

高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)發(fā)展長(zhǎng)期側(cè)重于提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器速率， 同時(shí)保持性能指標(biāo)不變。性能指標(biāo)包括噪聲頻譜密度 (NSD) 和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 等項(xiàng)目。交調(diào)失真 (IMD) 亦很重 要—無(wú)論是單音信號(hào)還是調(diào)制信號(hào)， 比如GSM、3G (WCDMA)、4G (OFDM) 和使用256 QAM的有線應(yīng)用等普遍 使用的無(wú)線通信系統(tǒng)中的信號(hào)。

較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率能為無(wú)線電設(shè)計(jì)人員提供多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。首 先，信號(hào)鏡像被推向更高的頻率，使模擬重建濾波器的設(shè)計(jì) 更簡(jiǎn)單、更可靠。此外，更高的更新速率創(chuàng)造出更寬的第一 奈奎斯特區(qū)，進(jìn)而使轉(zhuǎn)換器可直接合成更高的輸出頻率。當(dāng) 直接頻率合成的信號(hào)足夠高的時(shí)候，整個(gè)的模擬頻率變換， 或者上變頻器就可以從無(wú)線電設(shè)備中移除。簡(jiǎn)化頻率規(guī)劃， 降低無(wú)線電的功耗并縮小尺寸。更高的更新速率增加了帶寬， 量化噪聲可以擴(kuò)展到更寬的有用帶寬內(nèi)，使處理設(shè)備獲得了 更好性能的發(fā)射噪聲頻譜密度。

隨著CMOS處理技術(shù)的進(jìn)步，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中加入信號(hào)處理 功能也變得十分普遍。DAC中增加的NCO和插值器特性集減 少了實(shí)現(xiàn)這些特性的FPGA或ASIC的負(fù)擔(dān)和功耗，同時(shí)DAC 相比沒(méi)有這些特性集時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率要求更低。較低的數(shù) 據(jù)速率降低了系統(tǒng)總功耗，某些情況下使數(shù)據(jù)芯片（布速范 圍最高300 MHz至400 MHz）得以跟上轉(zhuǎn)換器的速度。在芯片 上集成NCO可實(shí)現(xiàn)無(wú)線電的第一奈奎斯特區(qū)頻率在數(shù)字域中 的轉(zhuǎn)換，因此當(dāng)今無(wú)線電設(shè)計(jì)中通常采用數(shù)百M(fèi)Hz的中等頻 率，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中集成了NCO和插值器。

信號(hào)處理RF DAC

RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的改變之處在于其工作的最終轉(zhuǎn)換速率發(fā)生了 變化，并且新增的信號(hào)處理同樣可以處理這些速度的信號(hào)。 這些新的功能與速度的強(qiáng)大結(jié)合可以極大地改變無(wú)線電架構(gòu) 設(shè)計(jì)，為可重新配置和軟件定義無(wú)線電開(kāi)啟了新的可能性。

圖2. AD9162和AD9164系列RF DAC框圖。

AD9162和AD9164系列RF DAC便是很好的例子。AD9162和 AD9164的框圖如圖2所示。AD9162是一款16位、6 GSPS RF DAC，集成從1倍旁路模式直到24倍插值的多種插值選項(xiàng)。插 值器工作帶寬為經(jīng)典的80%帶寬，或更寬的90%帶寬，后者瞬 時(shí)信號(hào)帶寬更高，功耗也略高。數(shù)據(jù)路徑同樣集成了最終半 帶插值器FIR85，圖2中以NCO之前的"HB 2×"模塊顯示，能有 效地使DAC更新速率翻倍，達(dá)到12 GSPS，可以將鏡像移動(dòng)至 更遠(yuǎn)處，放寬濾波要求。可選FIR85后接一個(gè)工作在6 GSPS更 新速率或12 GSPS更新速率（若FIR85使能）的48位數(shù)控振蕩 器 (NCO)。NCO 后面的反sinc 濾波器預(yù)先處理了送往 DAC 核的數(shù)據(jù)，從了矯正了DAC 輸出的sinc 包絡(luò)特性。

DAC內(nèi)核采用ADI公司專利的四通道開(kāi)關(guān)架構(gòu)1，提供出色的 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 和噪聲頻譜密度 (NSD)，具有業(yè)界最 佳的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)四通道開(kāi)關(guān)還提供大家熟悉的DAC解碼 器選項(xiàng)：不歸零 (NRZ) 模式、歸零 (RZ) 模式和混頻模式?。 FIR85為DAC解碼器新增了一項(xiàng)新特性，稱為2xNRZ模式，后 文將會(huì)詳細(xì)解釋。

AD9164具有AD9162的基礎(chǔ)功能，同時(shí)以快速跳頻 (FFH) NCO引擎的形式加入了直接數(shù)字頻率合成 (DDS) 功能。FFH NCO具有多項(xiàng)獨(dú)特功能，因而非常適合用在高速測(cè)試儀器儀 表、本振替代品、安全無(wú)線電通信和雷達(dá)激勵(lì)器等市場(chǎng)。 FFH NCO引擎集成32個(gè)32位NCO，每一個(gè)都有自己的相位累 加器，同時(shí)提供選擇模塊，實(shí)現(xiàn)快速跳頻。

AD9162有兩款衍生產(chǎn)品，面向?qū)I(yè)市場(chǎng)。AD9161是一款11位、 6 GSPS RF DAC，集成最低2倍插值。AD9161的SFDR和NSD適 合電纜前端和遠(yuǎn)程PHY應(yīng)用，符合DOCSIS 3.0規(guī)范。較低的信 號(hào)帶寬和動(dòng)態(tài)范圍使AD9161無(wú)需進(jìn)口許可證。AD9163是一款 16位、6 GSPS RF DAC，具有最低6倍插值，保留了AD9162主 產(chǎn)品的全動(dòng)態(tài)范圍。器件的全動(dòng)態(tài)范圍以及1 GHz寬瞬時(shí)帶寬 加上全范圍NCO使其適合單頻段或雙頻段無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施基站應(yīng) 用和傳統(tǒng)頻段中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波系統(tǒng)，同時(shí)具有無(wú)需進(jìn)口許可證 的優(yōu)勢(shì)。表1總結(jié)了該產(chǎn)品系列和主要特性。

表1. AD9162 和AD9164 系列6 GSPS RF DAC 特性與目標(biāo)市場(chǎng)匯總

產(chǎn)品型號(hào)?

位數(shù)

最小插值

是否FFH？

目標(biāo)市場(chǎng)

注釋

?

AD9161

11

2×

否

有線

面向有線客戶的11位版本

?

AD9162

16

1×

否

有線、WIFR、
儀器儀表

面向全球有線、WIFR、 儀器儀表市場(chǎng)的全性能DAC

?

AD9163

16

6×

否

WIFR

面向WIFR客戶或非全頻段有線客戶
（比如MDU）的1 GHz帶寬版本

?

AD9164

16

1×

是

儀器儀表、軍事、
有線、WIFR

面向儀器儀表、軍事、有線、WIFR市場(chǎng)的全性能
DAC和DDS；集成相位相干快速跳頻

?

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)路徑特點(diǎn)

數(shù)據(jù)通過(guò)8通道、12.5 GBPS JESD204B接口輸入AD9162和AD9164。此高速串行接口減少了數(shù)字基帶器件與DAC相連所需的導(dǎo)線數(shù)量，簡(jiǎn)化了電路板的布局復(fù)雜性。數(shù)據(jù)手冊(cè)給出了接口操作的詳細(xì)指南，ADI網(wǎng)站上給出了?JESD204B接口詳細(xì)指南。

AD9162和AD9164數(shù)據(jù)路徑上的第一個(gè)插值器是一個(gè)2倍半帶或3倍第三頻段濾波器。這兩個(gè)濾波器都有可選80%或90%信號(hào)帶寬。兩個(gè)濾波器均提供85 dB或更高的阻帶抑制。90%濾波器工作需要較高的功耗消耗，因?yàn)樗鼈兊慕刂固匦愿盖停虼顺轭^數(shù)量也更多。其余2倍半帶濾波器全部工作在90%帶寬，支持全部的第一插值器。FIR85同樣工作在90%帶寬。由于后續(xù)所有濾波器都一路沿著插值路線，因此它們可以工作在90%帶寬，且功耗幾乎不增加。

FIR85使能時(shí)可提供2xNRZ模式，其實(shí)現(xiàn)方式與其它插值濾波器有所不同。它利用DAC的四通道開(kāi)關(guān)架構(gòu)，并在DAC時(shí)鐘的上升和下降沿對(duì)數(shù)據(jù)采樣。這種采樣方式在每一個(gè)時(shí)鐘邊沿處采樣新數(shù)據(jù)，因此可以使DAC的采樣速率翻倍，高達(dá)12GSPS。這樣就將信號(hào)鏡像從fDAC – fOUT外推至2xfDAC – fOUT，更容易通過(guò)可以實(shí)現(xiàn)的模擬濾波器過(guò)濾鏡像。這種采樣和插值方式使DAC的輸出對(duì)時(shí)鐘平衡更為敏感，但可以調(diào)節(jié)DAC 時(shí)鐘輸入，達(dá)到更佳的性能。這些調(diào)節(jié)是通過(guò)串行外設(shè)接口(SPI) 對(duì)寄存器編程而實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出了詳細(xì)信息。

48位NCO是一個(gè)完全正交NCO，可實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的無(wú)鏡像頻率偏移或單個(gè)信號(hào)音的直接數(shù)字頻率合成。NCO有兩種可選工作模式，即相位連續(xù)或相位斷續(xù)頻率開(kāi)關(guān)模式。在相位連續(xù)開(kāi)關(guān)模式下，頻率調(diào)諧字 (FTW) 更新，但相位累加器不復(fù)位，導(dǎo)致相位頻率連續(xù)改變。在相位斷續(xù)模式下，當(dāng)FTW更新時(shí)，相位累加器復(fù)位。串行外設(shè)接口 (SPI) 保證具有100 MHz，可實(shí)現(xiàn)FTW的快速更新。

AD9164的NCO引入了一項(xiàng)重要的特性—快速跳頻NCO (FFHNCO)。FFH NCO額外集成31個(gè)32位NCO，每一個(gè)都有自己的相位累加器。每一個(gè)NCO都有自己的FTW，因此器件內(nèi)總共可以編程32個(gè)NCO FTW。提供一個(gè)FTW選擇寄存器，以便SPI寄存器字節(jié)的單次寫(xiě)操作可以完成一次精度為32位的新頻率跳頻。這意味著通過(guò)100 MHz SPI可以在240 ns內(nèi)以單字節(jié)寫(xiě)操作選擇新的FTW。

FFH NCO具有額外的相位相干跳頻模式，適合儀器儀表和軍事應(yīng)用。相位相干跳頻對(duì)于測(cè)試應(yīng)用而言很重要，此外對(duì)于需要跟蹤激勵(lì)器信號(hào)相位以供后續(xù)使用的雷達(dá)應(yīng)用也很重要。相位相干跳頻可從一個(gè)頻率變化到另一個(gè)頻率并再次返回原來(lái)的頻率，而不會(huì)丟失原來(lái)頻率的相位累加。換言之，它可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)頻率到另一個(gè)頻率然后返回上一個(gè)頻率，就像頻率從未改變一樣。

應(yīng)用和測(cè)試的性能

AD9162和AD9164的信號(hào)處理特性和高采樣速率可以簡(jiǎn)化圖1中的射頻架構(gòu)。更新后的圖形如圖3所示。由于RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以直接以所需的輸出頻率合成信號(hào)，因此不再需要正交調(diào)制器或上變頻混頻器。信號(hào)在數(shù)字處理器中建立，通過(guò)RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸出，因而大幅減少了需要部署的硬件數(shù)量。此外，無(wú)線電也更容易實(shí)現(xiàn)，LO和DAC輸入無(wú)需校準(zhǔn)至正交調(diào)制器以便抑制LO泄露和干擾鏡像，因?yàn)檎{(diào)制器以數(shù)字方式在RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

圖3. 采用RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的無(wú)線電發(fā)送器架構(gòu)。

此類(lèi)架構(gòu)僅有一個(gè)模擬低通濾波器濾除數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器鏡像，為可重新配置無(wú)線電或軟件定義無(wú)線電開(kāi)啟了新機(jī)遇。可以使用相同的數(shù)字器件—RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和重構(gòu)低通濾波器，只需改變功率放大器和帶通濾波器即可實(shí)現(xiàn)各種不同的無(wú)線電。圖4顯示了一個(gè)無(wú)線基站雙頻段發(fā)送器輸出示例，其在1800MHz時(shí)有5個(gè)5 MHz WCDMA載波，在2100 MHz時(shí)有3 個(gè)5MHz WCDMA。圖5顯示了一個(gè)合規(guī)的有線前端發(fā)送器輸出示例，寬度為194 6 MHz，在50 MHz至1.2 GHz的DOCSIS 3.1頻譜中具有256 QAM載波。圖6顯示了一個(gè)快速跳頻示例，駐留時(shí)間為260 ns，其中寄存器編程時(shí)間為240 ns（單字節(jié)寫(xiě)入），跳頻時(shí)間為20 ns。圖7顯示了AD9164出色的相位噪聲性能，當(dāng)采用4 GHz恒溫晶體振蕩器并合成一個(gè)3.9 GHz正弦波時(shí)，性能優(yōu)于–125 dBc/Hz（10 kHz失調(diào)）。

圖4. 雙頻段WCDMA信號(hào)（1.8 GHz和2.1 GHz頻段）

圖5. DOCSIS 3.1頻段內(nèi)的194 6 MHz 256 QAM信號(hào)（50 MHz至 1.2 GHz）。

圖6. AD9164的快速跳頻性能—每跳260 ns駐留時(shí)間。

圖7. AD9164的總相位噪聲性能。

DAC時(shí)鐘信號(hào)源：4 GHz恒 溫晶體振蕩器，具有最高600 kHz失調(diào)特性，這樣的信號(hào)發(fā)生 器具有高于600 kHz的失調(diào)特性。

結(jié)論

RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以簡(jiǎn)化無(wú)線電架構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)省卻無(wú)線電信號(hào)鏈上的很多元件而縮小尺寸。AD9162和AD9164的RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中集成了一組令人激動(dòng)的功能和出色的RF性能，可滿足各種無(wú)線電發(fā)送器應(yīng)用，展現(xiàn)出了真正的軟件定義無(wú)線 電比過(guò)去任何時(shí)候都要更接近現(xiàn)實(shí)。

1 美國(guó)專利第6,842,132和7,796,971號(hào)。

作者：
Daniel E. Fague [dan.fague@analog.com] 是ADI 公司高速DAC 部門(mén)的應(yīng)用工程師經(jīng)理。他于1989 年獲得貢薩格大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位 (BSEE)，并于1991 年獲得加州大學(xué)戴維斯分校電子工程碩士學(xué)位 (MSEE)。他于1995 年加入ADI 公司無(wú)線手機(jī)部門(mén)，主要進(jìn)行GSM、EDGE、CDMA 和藍(lán)牙手機(jī)無(wú)線電架構(gòu)設(shè)計(jì)（包括直接轉(zhuǎn)換無(wú)線電）。此前，他在美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司工作了5 年，從事DECT 和PHS 的無(wú)線電架構(gòu)設(shè)計(jì)。自從2011 年加入高速DAC 部門(mén)以來(lái)，Dan 一直從事RF DAC 的開(kāi)發(fā)。他擁有7 項(xiàng)專利，發(fā)表過(guò)30 多篇文章和論文。