與摩爾定律一樣，電子產業的趨勢也依循可預測的明確方向進行。隨著電晶體裝置縮小，以及IC密度增加，消費者要求以低成本的方式達到效能、增加功能、提升資料處理量以及延長電池續航力，這也促使業界需求更高整合度與設計彈性和重複使用性，以縮短半導體和電子產品製造商的設計週期和上市時程。
早期的個人電腦和手機採用許多標準邏輯IC、類比配置區塊和離散元件，如今這些都已經整合於少數的特殊應用積體電路(ASIC)內。相較於10年前的機型，現今的個人電腦(PC)和智慧型手機所含的元件大約減少十倍，但效能增強數千倍。對於以小尺寸達到更高效能、使用性、功能及電池續航力的需求，促使技術進展與整合。在這些技術進展中，最顯著的部分在數位電子產品，持續按照摩爾定律進行發展，電晶體尺寸縮小，而且晶片密度增加。
多年前，無線射頻接收器架構已變成為完全整合式無線射頻收發器，使得手機架構更加創新。類比數位轉換器(ADC)如今可以直接對整個3G/4G頻帶進行取樣，同時符合第三代合作夥伴計畫(3GPP)雜訊與失真需求，達到超越2.7GHz及第十一個尼奎斯特(Nyquist)區域的絕佳雜訊與線性效能。以下將比較直接無線射頻取樣架構相較於傳統中頻(IF)及零IF取樣架構所展現的效益，以及介紹這個架構在其他市場的應用。
採用無線射頻取樣
一般而言，須要支援全球行動通訊系統(UMTS)頻帶1(1,920M?1,980MHz)的60MHz UMTS接收器只能支援頻帶1。無線射頻元件如低雜訊放大器(LNA)、混頻器之本地振盪器(LO)頻率(1或2段)、表面聲波(SAW)、陶瓷及低通濾波器全部都能支援選擇的頻帶。接收器的參數在硬體中固定不變，因此IF頻率或頻道頻寬的任何變化都須要重新設計，並可能重新選擇不同的元件。
直接無線射頻取樣ADC能夠讓工程人員建立軟體定義無線射頻(SDR)，其中的重要參數均可供設定，不同於硬體定義無線射頻(HDR)將參數固定在硬體中。對於SDR，所有的濾波和頻帶選取都是以數位方式進行，視需要設定現場可編程閘陣列(FPGA)，因此無線射頻的參數可進行最小程度的硬體變更。這類架構有許多優點，包括低複雜度、小尺寸、低耗電量、方便升級或高彈性，及低硬體開發與重新設計成本。
SDR一直是無線射頻架構設計的終極目標，過去由於無線射頻元件的限制而無法達成，尤其是ADC。最近ADC技術的發展使得直接無線射頻取樣得以實現，廣泛運用於多種應用。全新的無線射頻取樣ADC符合3G/4G無線基地台接收器直接無線射頻取樣的失真和雜訊效能。效能、尺寸、彈性及成本相關的系統效益和改進，也可運用於其他許多應用，例如測試儀器(頻譜分析器、數位示波器、資料擷取)、電信(衛星、微波回程、光學連結)、多頻道機上盒(STB)，以及軍事用途(訊號情報、雷達、光達)。
HDR架構實作成本高
目前有許多常見的HDR接收器架構包括外差式(Heterodyne；IF取樣)和零差式(Homodyne；零IF取樣)，各有優缺點。大致而言，這兩種的運作方式相當類似，都是藉由雙重轉換或單一轉換架構，將類比的無線射頻訊號降頻轉換為可管理的低頻率IF。
由於ADC技術的限制，一般都將無線射頻訊號降頻轉換為類比的低頻率IF或基頻(Baseband)訊號。近期，ADC的最大取樣頻率、類比輸入頻寬和雜訊效能已經不足以實作無線射頻取樣SDR接收器。圖1顯示HDR架構。無論是以雙段或單段將頻率轉換為IF，或是以正交解調變器的零IF系統將頻率轉換為IF，都須要進行許多類比訊號調節。這類架構需要高效能的混頻器，以及優異的相位與振幅匹配、低漏損LO及高Q低插入損耗(預先選取、鏡像抑制及抗混疊)。無線射頻元件會出現漏損、直流(DC)偏移誤差、閃爍雜訊、I/Q不相符及諧波失真。
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| 圖1 一般HDR架構 |
此外，無線射頻及類比系統設定有許多挑戰，不良的阻抗匹配、I/Q不相符及裝置漏損所造成的駐波(Standing Waving)、諧波失真及反射都相當難以測量，而且不易將所造成的影響量化。另外，隨著教育機構不斷培育數位工程人才，業界的無線射頻和類比專業人才的數量逐漸減少。
除了設計挑戰外，這類架構也有其他缺點。類比設計相當複雜，極為耗電，而且占用許多電路板空間。高耗電量會導致散熱問題，產生嚴格的降溫需求。一般需要無線射頻屏蔽降低類比LO來源的電磁干擾(EMI)效應，導致整體系統大小和成本增加。
HDR架構的實作成本相當高，會隨著通道數增加而倍增。HDR的另一項主要缺點是固定頻率配置缺乏彈性。系統參數如通道數、無線射頻頻寬、無線射頻頻帶等，在硬體內固定不變，因此系統修改或重新設計相當耗費時間和資源；各個不同的頻率頻帶都需要幾乎完全不同的無線射頻設計。
實現直接無線射頻取樣
由於大多數的無線射頻使用14位元或16位元ADC，因此設計工程人員通常不了解12位元ADC是否能夠發揮雜訊與線性效能，符合特定的系統需求。因為業界已經習慣使用管線式轉換器，並且以輸出位元計數和取樣速度進行開發，以滿足電信市場愈來愈多的需求。
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| 圖2 ADC12Dxx00RF的雜訊位準 |
在過去，12位元ADC可充分發揮雜訊和線性效能，滿足單一載波全球行動通訊系統(GSM)需求。但是，隨著增強型GSM數據服務(EDGE)、多載波GSM與寬頻3G/4G的雜訊和線性需求日益嚴苛，14位元及16位元資料轉換器已成為必要配備。因此，工程人員自然懷疑12位元解決方案能否解決14位元或16位元問題。在此情況下，有必要比較12位元GHz ADC與16位元管線式ADC一掃疑慮。圖2顯示ADC12Dxx00RF的雜訊位準。
訊噪比(SNR)是常見的資料轉換器規格，但是，由於也是完整尼奎斯特頻帶規格，因此整個尼奎斯特頻帶都有雜訊。大多數無線射頻所需的頻寬小於整個頻帶，則SNR將變得較不相關。
ADC12D1800RF(12位元1.8/3.6 GSPS ADC)具有1.8GHz全速單通道模式的尼奎斯特頻寬，而ADC16DV160 (16位元160MSPS ADC)具有80MHz的尼奎斯特頻寬。假設輸入訊號為248MHz，ADC16DV160的SNR大約比ADC12D1800RF的SNR高出20dB。
不過，如此的比較有誤導之嫌，因為在與ADC16DV160相同的運作條件下，ADC12D1800RF的SNR是經由1,800MHz積成，而非經由80MHz。若要比較雜訊效能，頻譜雜訊密度(Noise Spectral Density, NSD)是較為實用的參數。可由公式1計算而得的NSD，是測量ADC雜訊位準的功率密度所得到的結果，單位為dBFS/Hz或dBm/Hz。
.................公式1
以公式1計算ADC12D1800RF NSD可得到-154dBFS/Hz。同樣地，ADC16V160 NSD則是-157dBFS/Hz。12位元ADC與16位元ADC間3dB的差異，剛開始都讓設計人員感覺訝異，這正說明以適當規格評估ADC的重要性，不能完全只運用傳統的ADC指標進行評估。
除了雜訊之外，交叉調變失真及IMD3也是對於無線射頻系統設計人員相當重要的規格。IMD3可測量兩個相鄰的音調(f1、f2)施加於ADC輸入時產生的近似同相位3階失真雜訊。ADC12D1800RF在高達3GHz的輸入頻率下達到60dBc以上，因此符合3G/4G無線射頻的3GPP規格。
的確，ADC12D1x00RF系列在高輸入頻率下展現的失真效能是效能的一大突破，無線射頻取樣設計最終將賴以實現。
直接無線射頻取樣有許多優點，包括高彈性、低複雜度、小尺寸、低耗電量，以及低硬體開發與重新設計成本，了解這種方法，無線基礎架構開發人員能夠降低硬體開發成本，並提升競爭力與獲利性。
軟體可程式基地台經過調整，即可支援新興的業界標準，完全不須要升級硬體，也不必派遣維修工程師前往無線射頻裝置現場。同樣地，軍方也致力於開發彈性的可程式雷達和訊號情報架構，以因應動態變化的環境。
直接無線射頻取樣及其本身的優點長年來早已為人所知，但是ADC技術直到現在仍然將其用途限定在8位元和10位元雜訊效能的一小部分應用。創新的無線射頻ADC系列所展現的雜訊效能不亞於高效能高速16位元管線式轉換器，能夠在相當大的頻寬達到絕佳的線性效能。
無線射頻ADC提供另一種選擇
無論是3G/4G無線基地接收器、雷達平台或高效能頻譜分析器，直接無線射頻取樣都能夠減少整體元件數量和材料成本、縮減解決方案大小與耗電量，並提供無限的彈性及可程式性。透過重複使用一般類比前端模組所達到的可升級性也能夠縮減未來研發的開支費用。圖3顯示採用無線射頻取樣ADC技術的SDR架構。
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| 圖3 採用無線射頻取樣ADC技術的SDR架構 |
新款無線射頻ADC系列可與500MSPS至3.6GSPS系列接腳相容，並且與現有10位元及12位元GSPS ADC接腳相容，而且一組無線射頻取樣ADC即可取代整個類比子系統，另外，也可將更多處理作業轉由數位進行，達到降低耗電量、提高可程式性和提升彈性的效果。
(本文作者任職於德州儀器)