軟件無線電應用推進數據轉換器技術升級

摘要： 本文介紹了數據轉換器在軟件無線電技術中的應用，并對數據轉換器技術在軟件無線電應用中的發展與趨勢做了簡要分析。

關鍵詞： 軟件無線電；ADC；DAC；數據轉換器

假設將來有一天，你的移動電話除了作為日常通信工具之外，還將融合汽車遙控器、衛星導航設備、電視接收機等多種功能，那將是多么令人向往的個人移動多媒體信息娛樂時代！

隨著越來越多的移動電話成為結合通信、計算和娛樂功能的多合一設備，這些設備需要支持包括Wi-Fi、WiMAX、音視頻廣播、導航等多種射頻(RF)標準。所有這些RF標準都使移動電話的設計變得更為復雜，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字化的高速模/數轉換器(ADC)和數/模轉換器(DAC)，為RF級和天線提供一個模擬接口。這樣，就不必利用多個芯片來解碼射頻信號，從而在單一集成電路上用軟件實現調制和解調，為SDR系統提供所需要的靈活性、頻譜效率、低成本和小的形狀因子。據iSuppli預測，在移動電話中SDR的應用將呈現強勁增長，交付使用的SDR移動電話將從2007年僅僅4.2萬部上升到2014年的6740萬部，如圖1所示。

圖1  移動電話中SDR的應用將呈現強勁的增長

隨著軟件無線電應用的發展，數據轉換器成為了主要半導體器件供應商的競爭焦點之一，主要的廠商包括：TI、AD、Maxim、Linear和NS。本文試圖向你說明，ADC和DAC轉換器的最新進展已經接近軟件無線電系統的要求，值得引起中國無線電系統設計工程師的關注。

ADC的瓶頸和發展趨勢

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

轉換器指標包含許多性能標準。除了噪聲和失真之外，其它要求如采樣率和帶寬也是至關重要的。采樣率需要足夠地匹配應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，這就不是嚴格必需的。目前的采樣率和在采樣率上的技術進展已經跟上了應用需求。

另一方面，帶寬總是小于應用需求。新的系統設計總是尋求以更高的頻率進行采樣(對于ADC來說)或合成(對于DAC來說)，其目的在于獲得更高的中頻(IF)，同時，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化系統設計和進一步降低成本的關鍵。

然而，在高模擬頻率上運行數據轉換器存在一定的不利后果。由于時鐘抖動和有限的偏斜率的原因，噪聲和失真性能可能更糟糕。過去十年當中，高速轉換器開發過程中的創新一直就集中在以更高的模擬頻率改進轉換器的工作。例如，盡管過去十年當中SFDR的改進不大，但是，輸入帶寬卻得到了很大提高。圖2所示為ADC帶寬和SFDR的改進情況，該圖清楚地表明IF采樣轉換器的性能持續得到改進。

圖2  ADC帶寬和SFDR的改進情況

大多數高速ADC用電容來采集輸入信號，采樣開關的導通阻抗與采樣電容一起，自然而然地構成了一個濾波器。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，電路就越易于驅動，從而提高帶寬并改進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是轉換器的帶寬。除了改進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。輸入噪聲的增加會導致ADC SNR進一步降低，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，對業已增加的輸入帶寬，SNR仍然保持相對平坦。通過把噪聲分布在奈奎斯特帶寬上，可以把SNR轉換為NSD，從而生成一個系統設計工程師所使用的關鍵參數。高速轉換器的NSD隨著時間的推移而得到了改進，并且每年穩定提高大約1 dB/Hz。這就轉化為改進了接收靈敏度，并進一步提高了SDR設計的可用動態范圍。例如，對于GSM應用來說，典型的高速轉換器的NSD必須在-157 dBm/Hz數量級或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到，然而，這個發展趨勢是顯而易見的，而所需要的性能在下一代產品中應該能達到。

圖3  ADC噪聲譜密度逐年降低的情況

在許多高性能應用中，采用進一步提高集成度的ADC是重要的發展趨勢。例如，AD6655 IF分集接收器提供高性能的接收器功能，包括ADC、數字調諧器和有助于構成自動增益控制(AGC)環路的功率檢測。因為SDR系統需要寬的動態范圍，所以，AGC是至關重要的。例如，在一次采樣上，輸入信號可能接近噪聲基底，那么，在幾次采樣之內，輸入就會被快速地驅動到逼近轉換器的滿刻度數值。AGC環路通常被用來維持在輸入上的最大可能信號，與此同時，要對信號電平的突然增加做出響應，以防止對接收器輸入的削波。

DAC的噪聲性能至關重要

從DAC的觀點看，主要性能要求是雜散信號、NSD、ACPR和ACLR。為了滿足發射要求，通常要求DAC的SFDR大約為-75dBFS，如圖4所示，對于現有這一代DAC都不成問題。

圖4  現有DAC SFDR遠遠超過了典型的-75dBFS的發射要求

另一方面，噪聲性能可能存在問題。因為SDR應用本質上是寬帶應用，功率放大器的輸出也是寬帶的。系統中產生的任何噪聲都將被放大并呈現在輸出上。在DAC中的過度噪聲可能被送到天線，然后，以過量RF噪聲的形式發送出去。因此，系統噪聲(包括DAC的噪聲)必須被最小化。目前，最先進的調制器(用于直接發射)具有大約-156 dBm或更好的輸出噪聲密度；理想情況下，DAC應該在這個電平之上或以下，以防整個系統的噪聲大幅度增加。從圖5可見，DAC的噪聲顯然低于調制器和混頻器的噪聲。以現有的技術基礎而言，DAC對發展SDR系統的制約作用遠遠低于ADC。

圖5 DAC噪聲普密度逐年改進的情況

提高集成度以改進可用性

除了上述改進之外，其它的因素不僅僅增強了性能，而且改進了可用性。集成度就是增強標準轉換器產品性能的一個重要因素。近年來，許多數字功能已經被添加到ADC和DAC之中，常見的有數字濾波器、轉發器(interpolator)、降頻器(decimator)、數控振蕩器(NCO)以及其它有助于接收和發送工作的功能。

ADC片上降頻器和DAC片上轉發器的好處在于，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，并降低開關速度的要求，從而進一步降低整體噪聲和數據轉換器產生的雜散信號，最終提高整個系統的性能。

盡管存在各種瓶頸，現有的曲線表明轉換器的性能在穩步提高之中。隨著這些轉換器集成度的提高，不僅僅能夠簡化設計，而且系統的性能也將得到提高，下一代的轉換器必將進一步彌合性能和功能上的鴻溝，最終把軟件無線電技術推向普及應用。

結語

作為SDR系統中的關鍵器件，ADC和DAC器件的性能將繼續演變，它們對簡化無線電系統的硬件設計有著至關重要的作用。

從圖6的無線電頻譜可見，除了 “甜蜜區”之外，隨著半導體器件技術的發展，SDR技術將在更寬的頻譜范圍內獲得推廣應用，并出現各種應用軟件和頻譜使用方案。軟件無線電技術將使未來的無線電產品具有可重配置性和滿足多標準要求，因此，代表著未來無線技術發展的方向。對于中國無線電系統工程師來說，掌握最新的ADC和DAC技術的發展趨勢，有助于推進軟件無線電技術的現實應用！

圖6 無線電頻譜中的“甜蜜點”

參考文獻：
1. iSuppli市場觀察第65期，軟件無線電在移動電話中獲得強烈的認同, www.isuppli.com
2. Roadmap of IEEE Wireless Networking Spec Overview and C&I Issues, Terng-Yin Hsu
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5．A Simple Guide To Radio Spectrum, Nigel Laflin and Bela Dajka