新類比數位轉換器助威　寬頻SDR人氣紅不讓

透過新一代寬頻軟體無線電(SDR)技術解決方案將可更有效率地滿足上述的市場趨勢。目前隨著類比數位轉換器(ADC)技術(12位元/3.6GSPS)的提升，使得寬頻SDR系統的開發可同時以高輸入頻率處理多個通道。透過ADC這項新功能，經開發的系統可透過高解析度數位化整個輸入頻帶，而且不再須要使用多個接收路徑或昂貴的類比濾波器。因此，所有的通道濾波都可在數位領域中執行，以大幅降低耗電量、節省空間與成本，同時取得更佳的效能(圖1～2)。將訊號處理移至數位領域，能讓程式化更為簡易地與動態系統參數重新配置，以提供可程式化或可軟體定義的系統。

圖1　傳統硬體無線電技術解決方案

圖2　新一代寬頻軟體無線電技術解決方案

雖然此一系統結構的改變可大幅提升效能與成本優勢，但ADC評估方法也必須隨之改變。傳統ADC的一些指標如無雜散訊號動態範圍(SFDR)、有效位元數(ENOB)和雜訊比(SNR)會在整個奈奎斯特(Nyquist)頻帶中測量單調正弦波，因此對於未使用整個奈奎斯特頻帶以及未單獨接收單調正弦波的系統來說，並沒有關聯性。這將會需要一組不同的基準來針對寬頻SDR深入分析ADC系統層級的效能。

討論到SDR時，毋須談論如SNR、SFDR或ENOB等不相關的規格。但應須留意實際且相關的規格，如雜訊水平(Noise Floor)、互調失真(IMD)與雜訊功率比(NPR)。

系統動態範圍影響至鉅

圖3　可測量系統動態範圍的輸入訊號條件

在任何系統中，其中一個最重要的效能基準就是敏感度，通常也稱之為系統動態範圍。通常，敏感度會透過不存在任何干擾訊號時所接收的最小訊號、當附近存在強烈干擾訊號時所接收的最小訊號等兩種極端的輸入條件(圖3)來進行測量。這兩種情況可稱為非阻隔與阻隔條件。

如圖3a所示，非阻隔條件中的敏感度通常會受到相關頻寬中的雜訊所限制。而圖3b所示為阻隔條件中的敏感度，一般會受到訊號路徑的失真效能所限制，這是因為相鄰通道變頻訊號會落入相關頻寬中。

為了同時在阻隔與非阻隔條件中維持效能，系統的敏感度通常會受到訊號路徑的雜訊與失真效能所限制。作為大部分訊號路徑的主要元件，尤其是寬頻寬的SDR，ADC在決定整體系統雜訊與失真效能上扮演關鍵性的角色。

傳統上，ADC的雜訊和失真效能會反映在ADC的SNR、SFDR與ENOB中。SNR會透過單音調輸入進行測量，並定義為單調與整個奈奎斯特頻帶中功率總和的功率比。SFDR也是透過單音調輸入進行測量，並且會定義為該音調功率與整個奈奎斯特頻帶中下一個最大突波之間的比率。最後，ENOB同樣是透過單音調輸入進行測量，並且會定義為該單調功率與整個奈奎斯特頻帶中功率總和之間的比率。請注意，ENOB會將SNR與SFDR有效地結合為單一效能基準。

傳統ADC規格限制不少

SNR、SFDR和ENOB的測量會考量ADC的整個奈奎斯特區域以回應單調正弦波輸入。不過，真實世界中的訊號並不是單調正弦波，而且大部分系統中的數位化訊號頻寬幾乎都不等於奈奎斯特頻寬。在許多的應用設計中，處理非正弦波訊號的頻寬都會遠低於整個輸入頻寬，其中包括有線電視(1.1GHz輸入頻寬中的6/8MHz通道)、衛星電視(500MHz輸入頻寬中通常為36MHz通道)、多載波/多標準基地台(20MHz頻寬中的低度200kHz通道)、示波器(輸入頻寬為10%或更小的奈奎斯特頻寬)、氣象雷達(接收的數據為10%或更小的奈奎斯特頻寬)。

圖4　57、63、75和81MHz通道的有線電視範例頻譜

為了要說明套用在這些真實系統與訊號傳統ADC規格的限制，可以用57MHz、63MHz、75MHz和81MHz四種通道廣播的有線電視頻譜來做說明(圖4)。由於有線電視頻譜的範圍可高達1.1GHz，ADC取樣率必須至少為2.2GSPS。如果要接收69MHz的通道，則最佳系統效能測量為同時存在系統雜訊與相鄰通道時，以該頻率接收的最小通道功率。

倘若使用傳統ADC規格考量SDR的雜訊效能，則會使用已整合0M～1.1GHz雜訊的SNR。不過，在此應用範圍中，從0M～1.1GHz的雜訊並不是注意的焦點，這裡只關注總和奈奎斯特頻帶的6MHz，因此只須要整合此頻寬上的雜訊。同樣地，須注意通道的第二個與第三個諧波並不會落至54M～84MHz的範圍內，因此第二個與第三個諧波失真(通常會限制SFDR)並不會對69MHz上的任何訊號造成影響。假使ADC SNR與SFDR並未提供與此SDR效能有關的有用資訊，則結合SNR與SFDR的ADC ENOB對此系統來說也不會是有用的基準。

圖5　多載波GSM實例頻譜，20MHz接收頻帶集中於30MHz且採樣率為160MSPS。

另一個傳統ADC規格限制的實例為多載波全球行動通訊系統(GSM)基地台。在常見的多載波GSM系統中，20MHz的頻寬中最多可接收四個200kHz GSM通道(圖5)。若採用160MSPS的取樣率，傳統SNR規格會將雜訊整合至80MHz頻寬。不過在此應用中，只關注200kHz GSM通道，而非80MHz奈奎斯特頻寬中的雜訊。如果在此系統中採用的20MHz頻帶集中於30MHz，則SFDR的限制會比有線電視的實例還要嚴格。在該系統中，20MHz頻寬中任何訊號的第二及第三個諧波並不會落至頻帶內，因此通常會受到第二及第三個諧波所限制的SFDR並不會對20MHz接收頻寬中的系統效能造成影響。由於SNR和SFDR並無關聯，ENOB對於此SDR效能的評估沒有任何作用。

這些實例說明傳統ADC規格的限制。當相關訊號頻寬小於奈奎斯特頻寬，尤其是當存在寬頻封鎖器的同時收到多個此類通道，SNR、SFDR和ENOB將不再是有用的基準。此外，這些傳統ADC規格僅與單音調輸入有關，與常見於真實世界中大多數應用的較寬頻寬訊號並無太大關係。

為了能在用於接收真實世界訊號的SDR系統中更正確地反映出ADC的功能，將須要使用不同的基準。

新世代ADC脫胎換骨

很幸運地，目前並不須要研發新的規格來說明SDR系統效能。大部分的ADC測量資料中已包含雜訊水平、互調失真這兩種更佳的規格。而第三種規格，也就是NPR，對於評估SDR系統的效能來說也是很有用的指標。

圖6　定義ADC雜訊水平

ADC的雜訊水平會測量參照ADC輸入的雜訊密度(圖6)，通常會以每Hz的單位數如dBc/Hz、dBm/Hz等進行測量。舉例來說，可以考慮目前由美國國家半導體(NS)推出的ADC12D1600作為標準，以指定-149.6dBm/Hz的雜訊水平。當ADC12D1600用於接收上一個多載波GSM實例時，200kHz通道中的總雜訊應為-96.6dBm；當採用+2dBm全幅輸入時，GSM載波的ADC動態範圍則是98.6分貝(dB)，遠遠大於所必需的最小值85dB。

雜訊水平可透過不同的最大採樣率來比較ADC，使其能成為比較不同ADC時使用的最佳基準。例如，許多的16位元>100MSPS ADC具有-150dBm/Hz範圍的雜訊水平，使-149.6dBM/Hz的12位元ADC12D1600雜訊效能與高效能的16位元ADC相似。

圖7　定義ADC IMD3

當至少混合兩種輸入調以產生失真效能時，ADC的IMD會反映其所產生的突波內容(圖7)。IMD可使用單調正弦波或頻帶限制訊號進行測量。在有線調諧器的實例(圖4)中，請注意57MHz和63MHz以及75MHz和81MHz上的通道會在69MHz上產生IMD3內容。ADC12D1600雙調IMD3為-56dBc並集中於1.2GHz。假設頻帶限制的IMD可由雙調規格進行預測，同時兩個IMD3會以均方根(RMS)方式增進，則69MHz上的互調功率將為相鄰通道之下的53dB。因此，ADC12D1600可接收較相鄰通道小23dB的69MHz通道，同時維持30dB的載波雜訊比(CNR)。

圖8　定義ADC NPR

最後，NPR的規格會測量相關頻帶內的ADC雜訊和失真。這個測量可藉由在ADC輸入一個頻寬訊號以及切出波段頻率(圖8)來進行。NPR是指凹口頻寬的功率(圖8中的PN)以及與凹口相鄰之相等頻寬(圖8中的PA)功率之間的比率。

當ADC由500MHz頻寬輸入訊號驅動時，ADC12D1600可提供52dB的NPR；在有線調諧器的實例中，可接收低於相鄰通道22dB的69MHz通道，同時維持30dB的CNR。

不再遷就於SNR及SFDR

雜訊水平、IMD和NPR的頻帶內規格與SNR、SFDR和ENOB的關係相當密切。雜訊水平與SNR的關係最為密切，互調則與SFDR的關係最為密切，而雜訊功率比為頻帶內雜訊與失真的合併測量，ENOB則為SNR與SFDR的合併測量。不過，兩組規格之間的最大差異則是，雜訊水平、IMD和NPR皆會反映ADC的頻帶內效能，而SNR、SFDR和ENOB則會針對單調正弦波反映ADC的奈奎斯特頻帶效能。新規格會更適用於個別的應用，因此在針對部署於各種不同應用的SDR進行ADC評估時，將可提供更具意義的資訊。

由於越來越多的相關應用採用寬頻SDR以提供許多的效能與系統彈性優勢，因此超寬頻ADC的效能需求也會不斷增加。不過，若正在建置SDR系統而且須要了解如何選擇ADC時，務必記得要求正確的規格：需要哪種頻帶內雜訊密度，可容許何種頻帶內雜訊與失真？

(本文作者任職於美國國家半導體)