真正軟件定義無線電的全新跨越

       鑒于SDR的接收器僅僅由一個低噪聲放大器 (LNA) 和一個濾波器和ADC組成，隨著半導(dǎo)體行業(yè)在RF采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 領(lǐng)域的進(jìn)步，那些預(yù)見到真正軟件定義無線電 (SDR) 的系統(tǒng)工程師們借此得以實(shí)現(xiàn)了之前的設(shè)想。例如：在RF波段范圍處于700MHz到3.8GHz之間的蜂窩通信基礎(chǔ)設(shè)施中，這一愿望就將很快成為現(xiàn)實(shí)。這是因?yàn)殡S著越來越多功能越來越強(qiáng)大的設(shè)備的涌現(xiàn)，能夠滿足用戶對更小外形尺寸、更低系統(tǒng)功耗和更高密度的要求，從而讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的構(gòu)想成為可能。

　　目前的高性能接收器主要使用一種外差架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，輸入信號的RF范圍在700MHz到數(shù)兆赫茲之間，隨后下行轉(zhuǎn)換為DC-500MHz之間的低中頻 (IF)。例如在某些諸如軍用雷達(dá)的應(yīng)用中，當(dāng)從10GHz(X波段)或者25至40GHz(Ka波段)范圍內(nèi)高很多的初級RF波段進(jìn)行下行轉(zhuǎn)換時，次級IF就在1至3GHz范圍(S波段，L波段)。

　　RF采樣ADC直接采集RF輸入，并因此取代了圖1中所示的整個下行轉(zhuǎn)換級。由于不使用RF本地振蕩器 (LO)、混音器和額外的增益與濾波級，從而節(jié)省了印刷電路板 (PCB) 面積，并可以實(shí)現(xiàn)更加緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。ADC的兆赫茲采樣時鐘，在輸入處于第二那奎斯特區(qū)間內(nèi)或者更高區(qū)間內(nèi)時，將已采樣RF能量下行轉(zhuǎn)換為較低的數(shù)字中間頻率，從而成為高效LO。與外差架構(gòu)中的混音器LO相類似，ADC時鐘需要極佳的相位噪聲來防止來自較大信號的能量混合進(jìn)入小信號所處的同一頻率，因?yàn)檫@樣會降低接收器的靈敏度。

　　傳統(tǒng)RF采樣ADC需要極寬的數(shù)字接口來輸出數(shù)據(jù)。由于低壓差分信令 (LVDS) 通常情況下的速度最高只有大約1Gbps，所以一個12位，4Gsps ADC將會需要大約49個差分對(其中的48個用于數(shù)據(jù)，剩余的一個用于時鐘)。這就要求足夠大的封裝尺寸，和在PCB上較大的走線面積。而例如ADC12J4000使用了一款10Gbps JESD204b接口，只用8個差分對即可傳送同樣的數(shù)據(jù)量—將所需的差分對數(shù)量減少了83%(圖2)。對于窄帶應(yīng)用來說，片上數(shù)字抽取濾波器 (DDC) 可實(shí)現(xiàn)片上芯片濾波，以進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)流量和所需的信道數(shù)量。例如，一個帶寬為100MHz的信號，只使用一條5Gbps的單信道即可以250Msps的速度進(jìn)行傳輸(具有IQ輸出的抽取因子32)。

　　RF采樣ADC的信噪比 (SNR) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IF采樣ADC，然而動態(tài)范圍并沒有變差。其原因是它們用過采樣來彌補(bǔ)了其中的差距，并且通過將每赫茲水平的SNR標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)了差不多的SNR。

　　例如，信噪比為70dB SNR的14位，250Msps ADC的噪聲頻譜密度 (NSD) 為-151dBFS/Hz，而信噪比為55dB SNR的12位，4Gsps ADC的NSD為-148dBFS/Hz。它們之間的差異只有3dB。

　　RF采樣ADC的優(yōu)勢

　　RF采樣ADC有兩個明顯優(yōu)勢，一是將大量信號帶寬數(shù)字化，二是直接在RF上捕捉信號，從而簡化了信號鏈。

　　但它還有一個鮮少被提及的優(yōu)勢，即在所需信號波段遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采樣率時，它能夠使用快速采樣率進(jìn)行頻率規(guī)劃。選擇一個至少比信號帶寬快5至10倍的采樣率可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠規(guī)劃那些無法濾除的帶內(nèi)干擾源的負(fù)面影響，因此可實(shí)現(xiàn)更好的動態(tài)范圍。

　　與外差接收器正好相類似的是，ADC的無雜散動態(tài)范圍 (SFDR) 性能限制了對低輸入信號的檢測功能(圖3)。所需帶寬內(nèi)的干擾源(或者是通信基礎(chǔ)設(shè)施中的攔截器)是無法濾除的。這就要求信號鏈降低增益來避免ADC飽和。信號鏈中減少的增益會削弱把小信號(例如，“有用信號B”)提升到ADC噪底以上的能力，因而不能進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測。帶內(nèi)干擾源的諧波雜散還會落在有用信號的頂部，從而限制了接收器的靈敏度。這是軍用雷達(dá)(用來偵測小型物體)，軟件定義無線電和蜂窩基站中的一個關(guān)鍵要素。

　　在過采樣配置中使用RF采樣ADC(諸如ADC12J4000)可以避免干擾源的限制諧波對小幅有用信號的阻斷。例如，200MHz的所需帶寬可在中央頻率為1.75GHz的RF上，以4Gsps的采樣率進(jìn)行采樣。前四個通常是高速ADC中最差的諧波(HD2，HD3，HD4和HD5)，以及其他來自帶內(nèi)干擾源的交叉雜散就全都落在了波段之外(圖4)。

　　ADC采樣率的加快也放寬了對為驅(qū)動放大器所需的對抗混疊濾波器的要求。200MHz波段可以用500Msps ADC進(jìn)行采樣，但是將會需要非常精確的濾波器，這是因?yàn)橄乱粋€圖像只隔了50MHz(假定波段在那奎斯特區(qū)域的中心)。相反地，采樣率為4Gsps，以1.75GHz為中心的同一波段，就只需要和針對最近距離大約為300MHz的圖像(混疊 = 2.15-2.35GHz，交叉圖像 = 1150-1350MHz)同樣的波段外濾波器衰減技術(shù)規(guī)格，對濾波器的要求就放寬了許多。

　　在成功使用頻率規(guī)劃后，SFDR性能只受到較高階諧波(不是HD2-5中的任何一個)的限制。可以通過采用小信號抖動來進(jìn)一步改進(jìn)這些較高階雜散。兆采樣RF ADC的高采樣率提供很多“未占用”頻譜，可將波段受限抖動放置在其中，而又不會影響到任何有用信號(圖5)。

　　抖動是軟件定義無線電中的常用技術(shù)，并且可將雜散底噪改進(jìn)5至10dB。

　　總結(jié)

　　目前諸如ADC12J4000的RF采樣ADC可以大大提高超寬波段接收器的使用和性能。其高輸入帶寬在RF上直接實(shí)現(xiàn)了信號的數(shù)字化，與此同時，快速采樣率又降低了濾波器要求，并實(shí)現(xiàn)了帶內(nèi)干擾器諧波周圍的頻率規(guī)劃。通過添加片上數(shù)字濾波器來大大降低數(shù)字接口數(shù)據(jù)流量，從而使ADC12J4000成為小型、低功耗、下一代數(shù)字無線電的完美選擇 。

　　作者：Tommy Neu，德州儀器 (TI)系統(tǒng)工程師