無線技術標準的持續演進迫使電信公司須支付龐大成本，而軟體無線射頻系統(SDR)則能解決此問題。可重新規畫式無線射頻系統透過軟體升級支援多種標準，電信公司毋須布建新設施就能提供新無線技術與服務給用戶。而可重新規畫式無線電的最大挑戰為類比電路及類比電路與數位電路間的橋接，經由類比數位轉換器的突破進展，可使軟體無線射頻廣泛採用。
軟體無線射頻系統(SDR)的出現，主要提供電信公司使用最少的網路布建與基礎設施，處理涵蓋範圍廣的無線電頻率與標準，並對未來演進有幫助。針對此需求，彈性的無線射頻系統設計須能支援比平常更寬的頻帶，並提供超過窄頻應用所需的動態範圍；換言之，無線射頻系統須能夠在多載波環境中，處理調變方式與頻寬皆不同的載波，及訊號阻隔等需求。
DSP技術的進步已大幅提高無線射頻系統的數位後端功能，以符合軟體無線射頻系統的實作要求，但還缺少將敏感度極高的類比訊號轉換為處理方便的數位資料。無線射頻系統的接收機(Rx)和發射機(Tx)都會用到類比數位轉換器，是軟體無線射頻系統發展的樞紐元件。
以頻寬為指導綱領
無線射頻系統接收機設計的主要規格為靈敏度與可用頻寬，靈敏度(Sensitivity)是指無線射頻系統對天線輸入端微弱訊號的處理能力，通常以dBm表示。對類比數位轉換器而言，靈敏度多半意指訊號雜訊比(SNR)的規格，並以dBc或dBFS表示，而dBc是以載波訊號為參考所表示的訊號雜波比，dBFS則以類比數位轉換器的滿刻度輸入為參考。無線射頻系統的小訊號接收能力及大干擾訊號拒斥能力，皆與類比數位轉換器的無混附訊號動態範圍(SFDR)相關。
SFDR是目標訊號與次高的混附訊號，在類比數位轉換器輸出端的比值，通常以dBc表示；而轉換器的可用頻寬其實是定義不明的名詞，主要指類比數位轉換器在適當SNR和SFDR效能下，所能運用的實際訊號頻寬，在業界標準程序中，類比數位轉換器規格是以類比輸入頻率對應的-3dB為參考點，然現今許多轉換器雖標示有達數百MHz頻寬，實際效能卻在類比輸入頻率增加到200M～300MHz後就大幅下降。
軟體無線射頻系統的優勢為其不需要新硬體就能處理更大頻率範圍，就當前的全球頻譜使用情形來看此點吸引許多目光；而每一種無線技術標準也都會定義多種操作頻率，如GSM就能在400MHz、850MHz、900MHz、1,800MHz、1,900MHz甚至2,500M～2,690MHz的GSM延伸頻帶上操作；3GPP頻率包括1,800MHz、1,900MHz和2,100MHz；WiMAX頻率則包括2,500MHz、3,500MHz和5GHz。
由於頻率種類複雜，透過類比數位轉換器盡可能把最大訊號頻寬數位化成為重點工作，但類比數位轉換器的取樣頻率成為這類設計的重要關鍵。根據Nyquist條件，類比數位轉換器在不產生疊頻(Aliasing)下所能數位化的頻寬，為其取樣頻率一半(Fs/2)；舉例而言，取樣頻率200MSPS的類比數位轉換器最大能將100MHz頻寬數位化。然而在實際應用裡，負責將類比輸入端頻寬限制為Fs/2的濾波器，將不是完美的方形濾波器，表示實際可用的頻寬將更少。
除接收機外大頻寬對無線電的發射功能也很重要，由於功率放大器成本與輸出功率成正比，提高效率成為減少零件用料和操作成本的重要方法。現代的數位預失真(Pre-distortion)演算法雖能將發射機功率放大器線性化，卻須要將頻寬放大到發射訊號頻寬的好幾倍，再將此數位化頻寬回授給數位處理器，因此取樣速率極高的類比數位轉換器在系統中成為不可或缺的角色。
訊號雜波比維持射頻系統高靈敏
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| 圖1 類比數位轉換器在500MSPS取樣頻率下的處理增益與目標訊號頻寬關係圖 |
為維持高靈敏度，軟體無線射頻系統須擁有很高的訊號雜波比，進行訊號解調和分辨微弱訊號，無線技術標準演進到64QAM等高階調變機制後，訊號雜波比的效能將更嚴格；當天線接收輸入功率很低時，類比數位轉換器的訊號雜波比加上本地振盪器的相位雜訊成了限制因素，決定接收機的靈敏度。軟體無線射頻系統設計人員直到最近都還必須犧牲訊號雜波比，來提高取樣頻寬，因為高達數百MSPS的最先進類比數位轉換器只有10位元，訊號雜波比則在50dBFS左右。隨著12位元/500MSPS的方案出現，12位元類比數位轉換器的取樣頻率提高了一倍，使訊號雜波比增到65dBFS左右，實現了過去無法做到的許多設計。
除了能夠有效重建最大類比訊號的頻寬外，處理增益是類比數位轉換器取樣頻率的另一項附帶優點。一般而言，類比數位轉換器的訊號雜波比，都是以主弦波功率與轉換器在整個Nyquist頻帶從0Hz到Fs/2不包含直流的總雜訊比值來計算，總雜訊通常會均勻分布在Nyquist區域，當接收機處理該區域的某個頻帶訊號時，數位濾波器就能大幅衰減該頻帶以外的雜訊；假設目標訊號頻寬為BWSIG，類比數位轉換器的取樣頻率為Fs，則實際處理增益的計算如公式(1)：
.....................公式(1)
圖1為500MSPS超高速類比數位轉換器所能提供的處理增益，軟體無線射頻系統的數位後端可充分利用此類型的類比數位轉換器中的寬頻帶功能。
無線接收機不斷進步，未來將發展出可直接取樣射頻訊號技術，雖然這類作業所需的類比數位轉換器技術尚未出現，但相關技術的突破將可預期。需要注意的是，訊號抖動(Jitter)最後也會對訊號雜波比造成限制，因此須列入考慮，公式(2)表示訊號雜波比在取樣系統裡與抖動之間呈現的關係。
.............公式(2)
其中fin代表類比輸入頻率，tjitter則是系統抖動的均方根值。類比數位轉換器取樣電路的內部抖動會以平方根和的方式，加到外部提供的轉換器取樣時脈。值得注意的是，訊號雜波比的限制與實際取樣頻率無關，但會受到類比輸入頻率的影響，這將影響決定當中頻提高時能有效簡化接收機架構、濾波電路達到降低成本的優勢，且會被類比數位轉換器時脈和抖動造成的限制所抵消。
BiCMOS有效提升SFDR效能
類比數位轉換器的線性特性通常以SFDR代表，在接收機天線的入射功率達相當水準時，此特性會變得相當重要。可能出現的理想情況為目標訊號很強時，或頻帶內出現強大干擾源時；若為後者，類比數位轉換器的線性特性將決定目標訊號能否被解調，特別是當目標訊號功率很低時。由於強大干擾源出現可能讓目標訊號加干擾源的總訊號，接近類比輸入的滿刻度範圍，這將限制任何自動增益控制(AGC)功能的應用，進一步使類比數位轉換器的線性效能變成瓶頸。
SFDR和抖動一樣，都會限制設計人員在軟體無線射頻系統的中頻設定，雖然市場有許多類比數位轉換器具備良好的線性特性，但都僅限輸入頻率在200MHz以下，使得高中頻的優點受到SFDR效能的限制而無法實現，而採用BiCMOS製程技術的新型類比架構納入了類比輸入緩衝器，可在高達數百個MHz的範圍提供很高的SFDR效能。
目前採用BiCMOS製程的類比數位轉換器，除了能將敏感的類比輸入與轉換器內部的開關電路完全隔開，還能在輸入頻率範圍提供固定的阻抗值，讓使用者輕易達到元件資料表內所列的效能。如圖2所示，其BiCMOS製程的類比數位轉換器，至少能在500MHz的中頻範圍達到超過70dBc的SFDR效能，此效能將大幅簡化無線電設計，且搭配非常高的訊號雜波比和處理增益時將更有用；此外，採用超高輸入頻率也能進一步降低無線電成本，並省下額外的降頻轉換步驟與相關零件用料。
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| 圖2 500MSPS取樣頻率在類比輸入頻率範圍的SNR與SFDR效能 |
對於實現軟體無線射頻系統，高速類比數位轉換技術扮演決定性角色，而類比數位轉換器是接收機與發射機的核心元件，用於決定無線電整體效能。最新的混合訊號技術已能在前所未見的取樣頻率和類比輸入頻率上提供強大效能，不但簡化無線電設計，並提供更大操作頻寬及更高靈敏度；類比數位轉換器技術的不斷突破，將持續為可重新規畫式的多標準無線電奠定良好基礎。
(本文作者為德州儀器系統與應用經理)