ADC技術(shù)在SDR實(shí)現(xiàn)中的挑戰(zhàn)

本文主要討論模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換在SDR實(shí)現(xiàn)中的挑戰(zhàn)，以及ADC的哪些突破可以促進(jìn)軟件無(wú)線電的實(shí)際應(yīng)用。

存在的問(wèn)題

SDR對(duì)于電信公司來(lái)說(shuō)，可以以最少的基礎(chǔ)設(shè)施部署成本，滿(mǎn)足覆蓋范圍寬廣的無(wú)線電頻率與標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)付它們的未來(lái)演進(jìn)。針對(duì)此需求，要求設(shè)計(jì)具有足夠的彈性，以支持比平常更寬的頻帶，并提供超過(guò)窄頻應(yīng)用所需的動(dòng)態(tài)范圍。即最終必須能夠在多載波環(huán)境中，處理調(diào)制方式與帶寬皆不同的載波，以及信號(hào)阻隔(blocking)等需求。

DSP技術(shù)的進(jìn)步已大幅提高無(wú)線射頻系統(tǒng)數(shù)字后端的功能，有助于SDR的實(shí)現(xiàn)。目前還缺少的，就是將敏感度極高的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為處理方便的數(shù)字信號(hào)。在這些無(wú)線電系統(tǒng)中AD轉(zhuǎn)換對(duì)于實(shí)現(xiàn)最終的目標(biāo)非常重要。無(wú)線射頻系統(tǒng)的接收器(Rx)和發(fā)射器(Tx)都會(huì)用到ADC，它是SDR應(yīng)用中不可或缺的器件。

ADC重要規(guī)格

靈敏度與可用帶寬是無(wú)線射頻系統(tǒng)接收器設(shè)計(jì)的主要規(guī)格。靈敏度是指無(wú)線射頻系統(tǒng)對(duì)天線輸入端微弱信號(hào)的處理能力，通常以dBm表示。對(duì)ADC而言，靈敏度通常轉(zhuǎn)換成信噪比(SNR)指標(biāo)，并以dBc或dBFS表示(dBc是以載波信號(hào)為基準(zhǔn)所表示的信噪比，dBFS則是以ADC的滿(mǎn)刻度輸入為基準(zhǔn))。無(wú)線射頻系統(tǒng)的小信號(hào)接收能力以及大干擾信號(hào)抑制能力皆與ADC的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)密切相關(guān)，SFDR是目標(biāo)信號(hào)(載波)與ADC輸出中次高的雜散信號(hào)(無(wú)論是否為諧波)的比值，通常以dBc表示。

最后，轉(zhuǎn)換器的可用帶寬其實(shí)是定義不明確的名詞，主要指ADC在適當(dāng)SNR和SFDR性能下所能處理的實(shí)際信號(hào)帶寬。在業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)做法里，ADC規(guī)格是以模擬輸入頻率響應(yīng)的-3dB為參考點(diǎn)。然而，現(xiàn)今許多轉(zhuǎn)換器雖標(biāo)示有高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz的帶寬，實(shí)際性能卻在模擬輸入頻率增加到200-300MHz后就大幅下降。

帶寬考慮

SDR的重要優(yōu)點(diǎn)之一，是它不需要新硬件就能處理更大頻率范圍，就當(dāng)前的全球頻譜使用情形來(lái)看，此點(diǎn)格外吸引人。每一種無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)定義多種工作頻率，例如，GSM就能在400MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz甚至2500-2690MHz的GSM延伸頻帶上工作;3GPP頻率包括1800MHz、1900MHz和2100MHz;WiMAX頻率則包括2500MHz、3500MHz和往上一直到5GHz，而且未來(lái)還會(huì)應(yīng)用在更多的頻率上。

由于頻率種類(lèi)復(fù)雜繁多，通過(guò)ADC盡可能把最大信號(hào)帶寬數(shù)字化就成為一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)，這也使得ADC的采樣頻率成為這類(lèi)設(shè)計(jì)的重要關(guān)鍵。根據(jù)奈奎斯特條件，ADC在不產(chǎn)生迭頻(aliasing，目標(biāo)信號(hào)數(shù)字化后混迭自身而造成失真的過(guò)程)下所能數(shù)字化的帶寬，為其采樣頻率一半 (Fs/2)。例如，采樣頻率為200MSPS的ADC最大能將100MHz帶寬的信號(hào)數(shù)字化。然而在實(shí)際應(yīng)用里，負(fù)責(zé)將模擬輸入端帶寬限制為Fs/2的濾波器不可能是完美的，因此會(huì)降低實(shí)際可用的帶寬。

除了接收器外，大帶寬對(duì)無(wú)線發(fā)射來(lái)說(shuō)也很重要。由于功率放大器成本與其輸出功率成正比，提高效率就成為減少零件用料和工作成本的重要方法。現(xiàn)代的數(shù)字預(yù)失真算法雖能將發(fā)射器功率放大器線性化，卻需要將帶寬放大到發(fā)射信號(hào)帶寬的好幾倍，再將此數(shù)字化帶寬回授給數(shù)字處理器，因此采樣速率極高的ADC在系統(tǒng)中即為一不可或缺的角色。

信噪比

為了維持最高靈敏度，SDR必須擁有很高的信噪比，以分辨微弱信號(hào)和進(jìn)行解調(diào)。無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)到6?QAM等高階調(diào)制機(jī)制后，對(duì)于ADC的信噪比性能要求更為嚴(yán)格。當(dāng)天線接收輸入功率很低時(shí)，ADC的信噪比(再加上本地振蕩器的相位噪聲)就成為限制因素，決定整個(gè)接收器的靈敏度。

SDR設(shè)計(jì)人員直到最近都還必須犧牲信噪比來(lái)提高采樣頻率(帶寬)，因?yàn)椴蓸勇矢哌_(dá)數(shù)百M(fèi)SPS的最先進(jìn)ADC只有10位，信噪比則在50dBFS左右。隨著ADS5463(12位/500MSPS)的出現(xiàn)， ADC的采樣頻率已大幅提高一倍(過(guò)去最高僅250MSPS)，使信噪比躍增至65dBFS左右，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)去無(wú)法做到的許多設(shè)計(jì)。

除了能夠有效重建最大模擬信號(hào)帶寬外，處理增益是ADC采樣頻率的另一項(xiàng)附帶優(yōu)點(diǎn)。一般而言，ADC的信噪比都是以正弦波功率與轉(zhuǎn)換器在整個(gè)奈奎斯特頻帶(從0Hz到Fs/2，不包含直流)噪聲總和的比值來(lái)計(jì)算，總噪聲通常會(huì)均勻分布在奈奎斯特區(qū)域。當(dāng)接收器處理該區(qū)域的某個(gè)頻帶信號(hào)時(shí)，數(shù)字濾波器就能大幅衰減該頻帶以外的噪聲。假設(shè)目標(biāo)信號(hào)帶寬為BWSIG，ADC的采樣頻率為Fs，則實(shí)際的處理增益可計(jì)算如下：

圖1是采樣速率為500MSPS ADS5463這類(lèi)超高速ADC所能提供的處理增益。SDR的數(shù)字后端可以充分利用ADC的寬帶性能優(yōu)點(diǎn)。

圖1：ADC在500MSPS采樣頻率下的處理增益與目標(biāo)信號(hào)帶寬關(guān)系圖。

無(wú)線接收器不斷進(jìn)步，最后將能直接采樣射頻信號(hào)。這類(lèi)作業(yè)所需的ADC技術(shù)雖未出現(xiàn)，但相關(guān)技術(shù)突破是可預(yù)期的。值得注意的是，信號(hào)抖動(dòng)最后也會(huì)對(duì)信噪比造成限制，也要列入考慮。在采樣系統(tǒng)里，下列公式2表示信噪比與抖動(dòng)之間的關(guān)系：

其中fin代表模擬輸入頻率，tjitter則是系統(tǒng)抖動(dòng)的均方根值。ADC采樣電路的內(nèi)部抖動(dòng)會(huì)以平方根和的方式，加到外部提供的轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘。值得注意的是，信噪比的限制與實(shí)際采樣頻率無(wú)關(guān)，但會(huì)直接受到模擬輸入頻率的影響。這項(xiàng)基本限制將影響決定接收器中頻位置時(shí)，亦即當(dāng)中頻提高時(shí)，簡(jiǎn)化接收器架構(gòu)和濾波電路(也就是降低成本)的好處，會(huì)被ADC頻率和抖動(dòng)造成的限制所抵消。

無(wú)雜散信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍

ADC的線性特性通常以其無(wú)雜散信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)表示，在接收器天線的入射功率達(dá)到相當(dāng)水平時(shí)，此特性變得非常關(guān)鍵，這可能發(fā)生在當(dāng)目標(biāo)信號(hào)很強(qiáng)(理想情形)，或頻帶內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)干擾之時(shí)。如果是后者，ADC的線性特性就決定了目標(biāo)信號(hào)能否被解調(diào)，特別是當(dāng)目標(biāo)信號(hào)功率很低時(shí)。由于強(qiáng)干擾的出現(xiàn)，可能會(huì)讓總信號(hào)(目標(biāo)信號(hào)加干擾源)接近模擬輸入的滿(mǎn)刻度范圍，而限制了任何自動(dòng)增益控制(AGC)功能的應(yīng)用。此時(shí)，ADC固有的線性性能就變成了瓶頸。

就像抖動(dòng)會(huì)限制SDR設(shè)計(jì)師可以設(shè)定多高的中頻一樣，SFDR對(duì)其選擇也有很大的影響。市場(chǎng)雖有許多ADC具備良好的線性特性，但都僅限于輸入頻率在200MHz以下，使高中頻的優(yōu)點(diǎn)受到SFDR滾降性能限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

采用最先進(jìn)BiCMOS工藝技術(shù)的新型模擬架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了模擬輸入緩沖器的集成，可在高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz的范圍提供很高的SFDR性能。ADS5463的模擬輸入緩沖器能將敏感的模擬輸入與轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電路完全隔離開(kāi)，使設(shè)計(jì)師能輕易達(dá)到器件數(shù)據(jù)手冊(cè)所列的性能。另外，ADS5463能在輸入頻率范圍提供固定不變的阻抗值。如圖2所示，ADS5463至少能在500MHz中頻范圍達(dá)到超過(guò)70dBc的SFDR性能。激增的性能將大幅簡(jiǎn)化無(wú)線電設(shè)計(jì)，當(dāng)它配合非常高的信噪比和處理增益時(shí)更為有用。采用超高輸入頻率能進(jìn)一步降低無(wú)線電成本，能省下額外的降頻轉(zhuǎn)換步驟與相關(guān)的元件材料。

圖2：ADS5463在模擬輸入頻率范圍的SNR與SFDR性能(500MSPS采樣頻率)

本文小結(jié)

最新的混合信號(hào)技術(shù)，已能在前所未見(jiàn)的采樣頻率和模擬輸入頻率上提供強(qiáng)大性能，不但簡(jiǎn)化無(wú)線電設(shè)計(jì)，并提供更大工作帶寬及更高靈敏度。ADC技術(shù)不斷突破極限將持續(xù)為真正可重配置多標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電的來(lái)臨奠定基礎(chǔ)。