RF轉(zhuǎn)換器：一種支持寬帶無線電的技術(shù)

摘要

能夠直接合成無線電頻率范圍內(nèi)信號(hào)的轉(zhuǎn)換器（RF轉(zhuǎn)換器）已經(jīng)成熟，常規(guī)無線電設(shè)計(jì)將因此發(fā)生變革。由于能夠數(shù)字化并合成高達(dá)2 GHz到3 GHz的瞬時(shí)信號(hào)帶寬，RF轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在可以兌現(xiàn)提供真正寬帶無線電的承諾，無線電設(shè)計(jì)人員得以大幅減少創(chuàng)建無線電所需的硬件數(shù)量，并支持通過軟件實(shí)現(xiàn)更高水平的再配置能力，這對(duì)于常規(guī)無線電設(shè)計(jì)來說完全沒有可能。本文探討了RF轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進(jìn)步使得這種新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和寬帶無線電成為可能，并討論了軟件配置能力帶來的可能性。

簡介

每位無線電設(shè)計(jì)人員都要面對(duì)這樣一個(gè)設(shè)計(jì)約束，即需要權(quán)衡信號(hào)帶寬的質(zhì)量與無線電的功耗。無線電設(shè)計(jì)人員如何滿足這一約束決定了無線電的尺寸和重量，并從根本上影響無線電的位置，包括建筑物、塔樓、電線桿、地下車輛、包裹、口袋、耳朵或眼鏡。每個(gè)無線電位置都有一個(gè)與其位置相稱的可用功率量。例如，建筑物或塔樓上的可用功率很可能高于口袋中的智能手機(jī)或耳內(nèi)的藍(lán)牙耳機(jī)提供的功率。所有情況下都存在一個(gè)基本事實(shí)：無線電需要的功率越小，并且單位功率所能支持的吞吐量越大，則無線電尺寸越小，重量越輕。這個(gè)事實(shí)影響巨大，多年來一直是通信電子行業(yè)中很多創(chuàng)新背后的推動(dòng)力。

半導(dǎo)體公司將更多的功能和更高的性能集成到相同或更小尺寸的器件中，使用此類器件的設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)更小、更多功能或更輕（某些情況下這三者都能得到實(shí)現(xiàn)）的承諾。設(shè)備越小、越輕、功能越多則越好，這樣就可以把設(shè)備放置在以前由于其他約束而不能放的位置。例如，原先需要建筑物，現(xiàn)在由于占地面積減小，設(shè)備可以放在塔樓上；原先放在塔樓上的無線電單元，如果重量足夠輕，就可以縮小成放在電線柱上的單元；原先因?yàn)檩^重而需要車輛攜帶的單元，現(xiàn)在可以放在一個(gè)背包中。

當(dāng)今的環(huán)境充斥著各種需要放在建筑物、塔樓、柱子和車輛上的傳統(tǒng)裝置。由于需要將世界各地的人員彼此聯(lián)系起來，工程師們利用當(dāng)時(shí)可用的器件設(shè)計(jì)設(shè)備以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，這才有了我們今天通信無處不在的環(huán)境。我們可以隨時(shí)隨地通過多種不同網(wǎng)絡(luò)（包括移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、特設(shè)短距離無線網(wǎng)絡(luò)等）進(jìn)行通話、發(fā)消息、即時(shí)通訊、傳照片、下載、上傳和瀏覽。所有這些都連接到寬帶有線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)由RF電纜傳輸，最終通過光纖傳輸。

圖1 RF轉(zhuǎn)換器支持寬帶無線電提供視頻流和游戲等需要大量數(shù)據(jù)的服務(wù)

增強(qiáng)視頻體驗(yàn)

多項(xiàng)研究表明1,2，對(duì)數(shù)據(jù)的需求預(yù)計(jì)會(huì)在未來十年持續(xù)增長。其驅(qū)動(dòng)力是人們對(duì)數(shù)據(jù)更豐富的內(nèi)容的似乎無止境的需求，因而需要更寬的帶寬。例如，有線電視和光纖到戶運(yùn)營商通過提供更高速度的連接和更多高清電視頻道，不斷在家庭寬帶服務(wù)方面展開競(jìng)爭(zhēng)。超高清（UHD或4k清晰度）電視需要的容量是高清電視的兩倍以上，通道帶寬需求超過當(dāng)今使用的帶寬。

此外，包括虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)在內(nèi)的沉浸式視頻，以及具有多維自由度的游戲和3D效果（180°或全景視覺等），全部使用4k超高清電視，每用戶需要高達(dá)1 Gb的帶寬2，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了簡單的4k UHD電視廣播和流媒體已然很苛刻的要求。在線游戲需要網(wǎng)絡(luò)提供對(duì)稱的數(shù)據(jù)帶寬，因?yàn)檠舆t時(shí)間至關(guān)重要，這推動(dòng)了更寬帶寬上行傳輸能力的發(fā)展。這種對(duì)更寬上行能力的需求反過來又促使設(shè)備制造商升級(jí)其設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的寬帶寬傳輸。

當(dāng)今RF轉(zhuǎn)換器的增強(qiáng)功能對(duì)于推動(dòng)傳輸如此豐富視頻內(nèi)容的進(jìn)步至關(guān)重要。RF轉(zhuǎn)換器必須能夠創(chuàng)建具有出色無雜散性能的高動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)，從而支持使用256-QAM、1024-QAM和4k-QAM等更高階的調(diào)制方案。已安裝的同軸電纜設(shè)備和分配放大器具有1.2 GHz至1.7 GHz的有限帶寬，為了提高每個(gè)通道的頻譜效率，必須使用上述更高階的調(diào)制方法。前端傳輸設(shè)備的更高性能可延長已安裝設(shè)備群的使用壽命，緩解資本預(yù)算限制，以及支持向多家服務(wù)運(yùn)營商(MSO)提供更長時(shí)間窗口來升級(jí)其設(shè)備和傳輸系統(tǒng)。

多頻段、多模式測(cè)試

隨著集成的功能越來越多，如今的智能手機(jī)與傳統(tǒng)手機(jī)已相去甚遠(yuǎn)。許多功能都有與之相關(guān)聯(lián)的無線電，因此，當(dāng)前的移動(dòng)設(shè)備中可能有五到七個(gè)甚至更多的無線電。生產(chǎn)智能手機(jī)時(shí)，每種無線電都必須進(jìn)行測(cè)試，這給多模式通信測(cè)試儀制造商帶來了新的挑戰(zhàn)。盡管測(cè)試量隨著無線電數(shù)量的增加而增加，但仍需要快速測(cè)試以降低測(cè)試成本?？紤]到測(cè)試儀的尺寸和成本，為移動(dòng)設(shè)備中的每個(gè)無線電構(gòu)建不同的無線電硬件變得不切實(shí)際。隨著更多的頻段開放或被提議用于移動(dòng)服務(wù)3，測(cè)試移動(dòng)設(shè)備中越來越多的無線電的挑戰(zhàn)難度在加大。

RF轉(zhuǎn)換器可以很好地應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。在發(fā)射器和接收器中，RF轉(zhuǎn)換器均能提供常規(guī)無線電無法實(shí)現(xiàn)的靈活性。寬帶RF轉(zhuǎn)換器可以同時(shí)捕捉并直接合成每個(gè)頻段中的信號(hào)，從而支持同時(shí)測(cè)試移動(dòng)設(shè)備中的多個(gè)無線電。利用RF DAC和RF ADC內(nèi)置的通道選擇器，多個(gè)無線電信號(hào)可以在轉(zhuǎn)換器中得到高效處理。例如，圖2中顯示每個(gè)RF DAC有3個(gè)通道選擇器，可以直接合成三個(gè)不同的信號(hào)和頻段并加以合并，然后利用數(shù)字控制振蕩器(NCO)進(jìn)行數(shù)字上變頻，再由RF DAC轉(zhuǎn)換為RF信號(hào)。

圖2 帶通道選擇器的RF DAC示例

在其他市場(chǎng)領(lǐng)域，例如針對(duì)航空航天和防務(wù)市場(chǎng)的測(cè)試設(shè)備，對(duì)用于脈沖雷達(dá)和軍用通信的寬帶測(cè)試解決方案的需求日益增加。由于需要測(cè)試的雷達(dá)、電子情報(bào)、電子戰(zhàn)設(shè)備和通信設(shè)備的數(shù)量與類型眾多，測(cè)試設(shè)備制造商必須創(chuàng)造一種具有豐富特性組合的靈活儀器4。例如，任意波形發(fā)生器必須能夠創(chuàng)建各種信號(hào)，包括線性頻率調(diào)制脈沖信號(hào)、相位相干信號(hào)以及各種輸出頻率和帶寬的調(diào)制信號(hào)。測(cè)量設(shè)備必須同樣強(qiáng)大，以便在測(cè)試激勵(lì)器或發(fā)射器時(shí)能接收這些信號(hào)。RF轉(zhuǎn)換器支持直接RF合成和RF頻率下的測(cè)量，可以很好地服務(wù)于此類應(yīng)用。在某些情況下，這可以消除上變頻或下變頻的需求，而在其他情況下，這可以減少單一變頻所需的次數(shù)。硬件得以簡化，尺寸、重量和功耗要求得以降低。增加通道選擇器、內(nèi)插器、NCO和合成器等數(shù)字特性，可在專用低功耗CMOS技術(shù)上實(shí)現(xiàn)高效信號(hào)處理。

軟件定義無線電

RF轉(zhuǎn)換器是軟件定義無線電的關(guān)鍵賦能因素之一。RF轉(zhuǎn)換器能夠直接合成和捕獲多GHz范圍內(nèi)的無線電頻率，以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)上變頻或下變頻功能，這樣整個(gè)上變頻或下變頻級(jí)都不再需要，無線電架構(gòu)得以簡化。模擬變頻級(jí)和相關(guān)混頻器、LO合成器、濾波器的消除，可減小無線電的尺寸、重量和功耗(SWaP)，使無線電能夠放在更多地方，并可使用更小的電源供電。這種技術(shù)使得無線電小巧輕便，足以手持、車載或安裝在飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)(UAV)等各種機(jī)載資產(chǎn)中。

除了實(shí)現(xiàn)更好的跨平臺(tái)通信之外，利用RF轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的無線電硬件還有支持多功能、多模式和多頻段的潛力。RF轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在能夠達(dá)到較低的雷達(dá)波段，在不久的將來會(huì)達(dá)到較高的波段，因此單臺(tái)設(shè)備既可用作雷達(dá)也可用作戰(zhàn)術(shù)通信鏈路的概念有望變成現(xiàn)實(shí)。這樣一種設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)維修、升級(jí)、采購程序和成本方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

直接合成和捕獲雷達(dá)頻率的能力使得RF轉(zhuǎn)換器非常適合相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。直接RF轉(zhuǎn)換器合成和捕獲可消除非常多的常規(guī)無線電硬件，使單個(gè)信號(hào)鏈更小更輕。如此便能將很多這種無線電收納在一個(gè)更小的空間中。適合船載的陣列或地面相控陣，以及用于信號(hào)情報(bào)操作的較小陣列和單元，可以實(shí)現(xiàn)更小的SWaP。

圖3 RF轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)的軟件定義無線電支持跨平臺(tái)互連通信

RF轉(zhuǎn)換器背后的技術(shù)

RF轉(zhuǎn)換器得以成功的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步之一是持續(xù)微縮的細(xì)線CMOS工藝。隨著基本CMOS晶體管的柵極長度和特征尺寸變小，數(shù)字門電路變得更快、更小且功耗更低6。這使得具有合理功耗和面積的RF轉(zhuǎn)換器可以將大量數(shù)字信號(hào)處理功能集成到芯片上。容納數(shù)字通道選擇器、調(diào)制器和軟件可編程濾波器，對(duì)于構(gòu)建高效靈活的無線電非常重要。這種更高效的DSP也為利用數(shù)字處理來幫助糾正轉(zhuǎn)換器中的模擬缺陷打開了大門。在模擬方面，每個(gè)新節(jié)點(diǎn)都提供速度更快的晶體管，其單位面積的匹配性能也更好。這些改進(jìn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)速度更快的高精度轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。

單靠工藝技術(shù)進(jìn)步是不夠的，還有一些重要的架構(gòu)改進(jìn)使得RF轉(zhuǎn)換器成為可能。RF DAC的首選架構(gòu)是電流導(dǎo)引DAC架構(gòu)。此類DAC的性能取決于構(gòu)成DAC的電流源的匹配。未經(jīng)校準(zhǔn)的電流源匹配與電流源面積的平方根成正比7。單位面積的匹配隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的升級(jí)而改善。但是，對(duì)于高分辨率轉(zhuǎn)換器而言，即便是最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)且隨機(jī)失配足夠低，其電流源也會(huì)非常大。這種大電流源會(huì)使轉(zhuǎn)換器變大，更糟糕的是，大電流源的寄生電容會(huì)降低DAC的高頻性能。更有吸引力的解決方案是校準(zhǔn)較小電流源以達(dá)到所需的匹配水平。這樣可以顯著降低來自電流源的附加寄生效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)所需的線性度性能而不損害高頻性能。如果正確執(zhí)行，這種校準(zhǔn)可以在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持高度穩(wěn)定，并且校準(zhǔn)可以一次完成。穩(wěn)定的一次性校準(zhǔn)意味著不需要在后臺(tái)定期運(yùn)行校準(zhǔn)，從而節(jié)省運(yùn)行功耗，并減輕因后臺(tái)運(yùn)行校準(zhǔn)而產(chǎn)生雜散產(chǎn)物的問題。

還有一個(gè)幫助超高速轉(zhuǎn)換器達(dá)到性能指標(biāo)的架構(gòu)選擇，那就是用于導(dǎo)引DAC電流的開關(guān)架構(gòu)選擇。傳統(tǒng)的雙開關(guān)結(jié)構(gòu)（圖4）在以非常高的速度運(yùn)行時(shí)存在幾個(gè)缺點(diǎn)9,10。驅(qū)動(dòng)到雙路開關(guān)的數(shù)據(jù)可以在一個(gè)到多個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)保持不變，因此尾節(jié)點(diǎn)的建立時(shí)間依賴于數(shù)據(jù)。如果時(shí)鐘速率足夠慢，使得此節(jié)點(diǎn)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)建立，那么這不成問題。但在非常高的速率下，此節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)無法完全建立，依賴于數(shù)據(jù)的建立時(shí)間將會(huì)導(dǎo)致DAC輸出失真。如果使用四路開關(guān)（圖5），數(shù)據(jù)信號(hào)就會(huì)全部歸零。這導(dǎo)致尾節(jié)點(diǎn)電壓與數(shù)據(jù)輸入無關(guān)，從而緩解上述問題。四路開關(guān)還允許DAC數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的兩個(gè)邊沿上更新。利用此特性可有效地使DAC采樣速率加倍，而時(shí)鐘頻率無需倍增11。

圖4 雙開關(guān)DAC單元示例

采用精心設(shè)計(jì)的電流源校準(zhǔn)算法和四開關(guān)電流導(dǎo)引單元，結(jié)合當(dāng)今的細(xì)線CMOS工藝，可以設(shè)計(jì)出具有出色動(dòng)態(tài)范圍的高速采樣DAC。這樣就能在很寬的頻率范圍內(nèi)合成高質(zhì)量信號(hào)。當(dāng)這種寬帶DAC與輔助DSP相結(jié)合時(shí)，它變成一個(gè)非常靈活的高性能無線電發(fā)射器，經(jīng)過配置可為本文前面提到的所有不同應(yīng)用提供信號(hào)。

圖5 四開關(guān)DAC單元示例

未來無線電

當(dāng)今的RF轉(zhuǎn)換器已經(jīng)促使無線電架構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生了根本性的改變，而在未來，它將引發(fā)更大的改變。隨著工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步和RF轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化，RF轉(zhuǎn)換器對(duì)無線電功耗和尺寸的影響將繼續(xù)縮小。這些技術(shù)進(jìn)步來的正是時(shí)候，有力地推動(dòng)了新一代無線電，例如新興5G無線基站應(yīng)用（如大規(guī)模MIMO），以及大規(guī)模相控陣?yán)走_(dá)和波束合成應(yīng)用。深亞微米光刻技術(shù)將使得更多數(shù)字電路能夠放置在RF轉(zhuǎn)換器芯片上，從而集成需要大量計(jì)算的關(guān)鍵功能，如數(shù)字預(yù)失真(DPD) 13和波峰因數(shù)降低(CFR)算法等，這有助于提高功率放大器效率并顯著減少系統(tǒng)整體功耗。這種集成將減輕對(duì)高能耗FPGA邏輯的壓力，并將相關(guān)功能轉(zhuǎn)移到功耗較低的專用邏輯中。其他可能性包括將RF轉(zhuǎn)換器及其數(shù)字引擎與RF、微波或毫米波模擬器件集成在一起，進(jìn)一步縮小尺寸并簡化無線電設(shè)計(jì)，為無線電設(shè)計(jì)提供比特到天線的系統(tǒng)級(jí)方法。由于有了RF轉(zhuǎn)換器，各種各樣的機(jī)遇迸發(fā)出來。RF轉(zhuǎn)換器是助力世界超越一切可能的技術(shù)。

作者簡介

Daniel E. Fague是ADI公司高速產(chǎn)品部的系統(tǒng)應(yīng)用工程總監(jiān)。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公司無線手機(jī)部門，主要進(jìn)行GSM、EDGE、CDMA和藍(lán)牙手機(jī)無線電架構(gòu)設(shè)計(jì)（包括直接變頻無線電）。此前，他在美國國家半導(dǎo)體公司工作了5年，從事DECT和PHS的無線電架構(gòu)設(shè)計(jì)。自2011年加入高速產(chǎn)品部門以來，Dan一直從事RF轉(zhuǎn)換器的開發(fā)。他擁有7項(xiàng)專利，發(fā)表過30多篇文章和論文。聯(lián)系方式：daniel.fague@analog.com。

Steven C. Rose是ADI公司高速產(chǎn)品部的設(shè)計(jì)工程師。他于1999年獲得密歇根大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)，并于2002年獲得加州大學(xué)伯克利分校電子工程碩士學(xué)位(MSEE)。他于2002年加入ADI公司高速轉(zhuǎn)換產(chǎn)品部門，主要從事有線電視接收器射頻構(gòu)建模塊的設(shè)計(jì)。自2009年以來，Steve一直專注于RF DAC的設(shè)計(jì)。聯(lián)系方式：steven.rose@analog.com。

參考文獻(xiàn)

1 “5G無線電接入”。Ericsson，2016年4月。

2 “關(guān)于未來典型無線電應(yīng)用的消費(fèi)者調(diào)查報(bào)告”。華為無線X實(shí)驗(yàn)室。

3 “調(diào)查通知FCC 17-104”。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)，2017年8月。

4 John Hansen?！袄走_(dá)、電子戰(zhàn)和電子情報(bào)測(cè)試”。Agilent Technologies，2012年8月。

5 Henry S. Kenyon，“新無線電和波形將軍用通信轉(zhuǎn)移至天空”。Signal，2013年10月。

6 William Holt?！澳柖桑呵斑M(jìn)之路”。2016 IEEE國際固態(tài)電路會(huì)議，IEEE，2016。

7 A.C.J.Duimaijer、Anton Welbers和Marcel Pelgrom，“MOS晶體管特性匹配”。IEEE固態(tài)電路雜志，IEEE，第24卷第5期，1989年10月。

8 Haiyan Zhu、Wenhua Yang、Gil Engel和Yong-Bin Kim?！半p參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)跟蹤電流源不匹配引起的溫度變化”。IEEE電路與系統(tǒng)論文集—II：簡報(bào)，IEEE，第64卷第4期，2017年4月。

9 “用于信號(hào)處理的恒定切換”。美國專利US6842132 B2，2005年1月。

10 Sungkyung Park、Gyudong Kim、Sin-Chong Park和Wonchan Kim?！盎诓罘炙拈_關(guān)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器”。IEEE固態(tài)電路雜志，IEEE，第37卷第10期，2002年10月。

11 Gil Engel、Shawn Kuo和Steve Rose?！?4位3 GHz/6 GHz電流導(dǎo)引RF DAC，采用0.18 μm CMOS，2.9 GHz時(shí)提供66 dB ACLR”。2012 IEEE國際固態(tài)電路會(huì)議，IEEE，2012。

12 Daniel Fague?！白钚翿F DAC拓寬軟件無線電的應(yīng)用視野”?！赌M對(duì)話》，第50卷第7期，2016年7月。

13 Patrick Pratt和Frank Kearney?！俺瑢拵?shù)字預(yù)失真(DPD)：在電纜分配系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)帶來的優(yōu)勢(shì)（功率和性能）和挑戰(zhàn)”。《模擬對(duì)話》，第51卷第07期，2017年7月。