高取樣率ADC躍居5G RF量測儀器設計關鍵推手。依循摩爾定律每2年IC電晶體翻倍的演進腳步，12?16位元ADC的取樣率也逐年翻升，有助儀器開發商加速打造高達2GHz即時頻寬的RF測試設備，進而滿足5G網路原型設計和設備大量部署需求。
從上世紀80年代末到21世紀初，微波儀器產業的規則很簡單：誰能製造出性能最好的微波電晶體，誰就勝出。縱觀這一時期，測試廠商發布的儀器不斷推高頻率範圍、本底雜訊(Noise Floor)和線性度(Linearity)性能等特性，而混合微電路技術、合成器調諧時間和相位雜訊的改進則是此期間，儀器開發商最關鍵的一些技術創新。
滿足5G研究及部署 RF測試儀邁向2GHz頻寬
為了解無線通訊產業如何驅動訊號分析儀技術的進步，我們首先要認識到現代各種無線標準的通道頻寬正在快速增加。例如，AMPS通訊通道(1G Cellular)的單向通訊使用約30kHz的頻寬(60kHz全雙工)、一個全球行動通訊(GSM)通道(2G)使用200kHz，而一個通用行動通訊系統(UMTS)通道(3G)則要使用至5MHz的頻寬(圖1)。
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資料來源：ADI，NI整理
圖1 1G到5G通訊標準的頻寬及取樣率需求分析 |
無線技術一個重大的演變是幾年前開始興起的802.11ac設備。當時，無線產業在一個廣泛被採用的標準中制定無線區域網路(Wi-Fi)802.11ac規範，其頻率和頻寬範圍皆超出當時射頻(RF)訊號發生器和分析儀所及的功能，因此，許多量測驗證儀器廠商遂加速發展更高頻寬的測試設備，僅僅是為了順應趨勢，滿足802.11ac規格的嚴格要求。
展望未來，RF測試設備的下一個重要里程碑將是測試5G行動網路和裝置的能力。隨著網路研究人員利用各種先進的軟體無線電(SDR)工具來積極開發大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)、通用分頻多工(GFDM)、毫米波(mmWave)通訊等5G候選技術的原型，寬頻毫米波訊號的潛在應用很有可能要求RF測試設備在2017年或2018年就能夠提供高達2GHz的即時頻寬，以支援2020年5G無線標準設備的部署。
無論是對於哪種無線標準，RF訊號分析儀實現GHz等級即時頻寬的測試能力，將成為整個量測儀器產業的一個重要標竿。這種工具的出現無疑將會對雷達脈衝量測和頻譜監測等高頻寬消耗應用非常有幫助。根據目前業界一線儀器商的開發速度，高頻寬RF測試儀關鍵的12位元類比數位轉換器(ADC)技術，不久就能達成將RF儀器暫態頻寬提升至GHz層級的目標。
突破儀器頻寬限制 ADC取樣率至關重要
如果想知道無線產業如何實現2GHz頻寬，可從摩爾定律開始了解，該理論指出積體電路(IC)上電晶體密度每2年翻倍，對於電腦產業，摩爾定律至今仍然是晶片運算技術不斷提高的重要指標。
受惠於IC電晶體密度指數性的增長，並不僅僅是中央處理器(CPU)和現場可編程閘陣列(FPGA)等晶片技術，ADC採樣速率也具有類似發展趨勢。回想一下12位元ADC技術的最大可用取樣速率在過去一段時間的發展，由於12位元ADC提供了愈來愈寬的動態範圍來分析頻域訊號，它們可成為實現RF訊號分析儀頻寬容量的有效突破口。
具有2微秒(μs)穩定時間的12位元ADC(概略500kS/s)在1975年被認為是最先進的ADC。如今，12位元ADC的最快取樣速率已經超過2GS/s，這項進步成就了業內一些最高頻寬的訊號分析儀。根據目前的開發速度，12位元轉換器技術不久就會將RF儀器即時頻寬推向幾個GHz，並推動THz級頻寬的示波器實現更高解析度。
5G測試注重儀器頻寬、訊號處理能力
隨著人們對新一代超高寬頻儀器優勢日益了解，工程師很快將能夠利用新一代射頻訊號分析儀(甚至是示波器)所帶來令人振奮的量測新方法和技術。例如，在雷達設計和開發中，儀器不斷提高的頻寬和訊號處理能力，使得工程師能更快速開發先進的雷達原型。
在量產製造測試中，單次擷取超寬頻訊號的能力將使測試工程師輕鬆地同時擷取來自多個無線設備的資料，以實現更快速的多待測物測試。就某些層面來說，傳統RF訊號分析儀在頻寬的限制反而推動當今一些測試技術的出現。現在，我們正處在一個頻寬革命的過程中，需要思考更高的頻寬將如何推升明日的測試技術。
如同亞德諾(ADI)類比技術副總裁David Robertson指出，我們可以看到，未來2～3年，12位元ADC的取樣速率將達到10GS/s，同時14位元ADC將朝向2.5GS/s取樣率發展；隨著半導體技術不斷演進，10GS/s級的14～16位元ADC也將觸手可及，相關業者可望透過一些創新設計的突破來實現。
(本文作者任職於國家儀器)