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射頻數位類比轉換器升級　軟體無線電應用視野更廣闊

2016-12-05

Daniel E. Fague

高速資料轉換器多年來一直被使用於通訊應用裝置當中，而且也可以在許多用以形成聯繫世界基礎的設備裡面發現到它們—從蜂巢式電話基地台到有線電視前端設備，一直到雷達以及特殊的通訊系統。最新的技術改進讓高速資料轉換器的時脈速率朝向更高的頻率發展。結合了能夠實現輸出資料實際管理與轉換的高速序列介面，這些更高時脈速率的資料轉換器組成了新等級的轉換器—稱為無線射頻(RF)資料轉換器。它們具有直接合成或是擷取RF訊號的能力，不需要傳統方式利用類比無線電鏈來進行升頻轉換或是降頻轉換。

本文將以亞德諾(ADI)新的RF數位類比轉換器(RF DAC)產品家族，及其能夠擴展軟體定義無線電(SDR)定義的能力為例，分析數位類比轉換器設計方針。AD9164為RF DAC帶來了新的性能水準，並且讓慣常的無線電設計能夠進行得比利用前世代RF等級或是IF等級DAC的設計更加有效率。

常見的無線電設備會使用高速資料轉換器結合正交調變器做為部份的主要建構組件，以做為有線或是無線通訊連結。典型外差、超外差以及直接轉換架構，分擔了在發射器與接收器中對於資料轉換器的一般需求，藉以突破數位處理與真實世界類比訊號之間往返的限制。搭配上濾波器技術與功率放大器技術，資料轉換器技術的改進設定了無線電設計進步的步調。

圖1中所示為利用一組基頻高速DAC執行的典型無線電發射器。數位基頻資料會被傳送通過兩組同步的高速資料轉換器，以同相位資料通過I DAC而以正交資料通過Q DAC。DAC的輸出資料會被傳送至正交調變器中。依據調變器的類型，其輸出可以是200MHz至400MHz的低中頻，500MHz至1GHz的較高IF頻率，或甚至是1GHz至5GHz範圍中的RF頻率。圖表中所示為經由後續的升頻轉換而獲致最終頻率。最終訊號會以帶通濾波器加以過濾，然後傳送至功率放大器與可能是雙工器一部分的另一組帶通濾波器。

圖1 使用高速資料轉換器的典型超外差發射器展示

舉例來說，通常會以這類型架構發射的瞬間頻寬是數百MHz的數十倍，主要是受限於轉換器、功率放大器、以及濾波器頻寬。此對於某些系統像是需要500MHz、1GHz或甚至2GHz無線電通道的新E波段微波後置網路無線電來說是不夠的。假如將多重波段無線電納入考慮的話，像是會在無線基礎架構基地台中執行時，就可能需要有500MHz或700MHz或甚至1GHz的等寬間距，以便涵蓋某些波段的組合。傳統的無線電會以執行兩組無線電的方式來加以因應，一組對應一個波段。將數個無線電結合在單一無線電鏈當中的方式可能比較討喜，不論是基於成本或尺寸或是某些其它的理由。在這種狀況下，新的方案就有其必要。

DAC助力無線電設計發展

高速資料轉換器技術發展的焦點，長期以來一直都放在如何使資料轉換速率更快，同時還能夠維持恆定的品質性能因數。品質因數包含了像是雜訊頻譜密度(NSD)以及無寄生動態範圍(SFDR)等項目。互調變失真(IMD)也很重要，同時使用單調訊號以及調變訊號，像是常見的無線通訊系統例如GSM與3G(WCDMA)與4G(OFDM)等，以及使用256QAM的通訊電纜應用裝置等。

更高的資料轉換速率能夠為無線電設計師帶來數項優點。首先，訊號的鏡像會被推向更高的頻率，此將會使類比重現濾波器的設計較為簡單而且更具有可實現性。此外，更高的更新速率可以建立出更寬的第一奈奎斯特區域，進而讓轉換器能夠直接的合成較高的輸出頻率。當直接合成的訊號已經夠高的時候，整級的類比頻率轉移或是升頻轉換就可以從無線電中移除，進而簡化了頻率的計畫與降低無線電的功率耗損和尺寸。更高的更新速率也可以增加可用頻率的數量，藉以將資料轉換器的量化雜訊散播出去，提供處理增益到發射器的雜訊頻譜密度中。

由於互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程技術已經有所進步，因此將訊號處理加入資料轉換器當中已經成為了很平常的現象。DAC中數值控制振盪器(NCO)的多項新增特點與內插器可以減輕現場可編程閘陣列(FPGA)或是特定應用積體電路(ASIC)在執行這些特點時的負擔與功率耗損，並且使DAC能夠以低於其它方面所需要的資料轉換速率運作。較低的資料速率可以降低系統中的總體功率耗損，而且在某些情況下可以在數位晶片(布速範圍最高300MHz至400MHz)中實現，藉以跟上轉換器的腳步。晶片內建NCO讓無線電當中的第一頻率移轉能夠在數位域中發生，因此在目前的無線電當中發現數百MHz的中頻是很常見的，此乃藉由資料轉換器中的NCO與內插器而獲得實現。

訊號處理RF DAC

RF資料轉換器的改變之處在於其工作的最終轉換速率發生了變化，並且新增的訊號處理同樣可以處理這些速度的訊號。這些新的功能與速度的強大結合可以極大地改變無線電架構設計，為可重新配置和軟體定義無線電開啟了新的可能性。

AD9162和AD9164系列RF DAC便是很好的例子。圖2中所示為AD9162與AD9164的方塊圖。AD9162是16位元6GSPS的RF DAC，具有數種內插選項：從1x旁路模式一直到24x的內插都有。針對更多具有略高功率的瞬間訊號頻寬，內插器會以典型的80%或是更大的90%頻寬運作。資料路徑也具有一組最終的半帶內插器—FIR85，在圖2中是以位於NCO之前的「HB 2x」方塊表示，能夠有效的將DAC更新速率加倍至12GSPS，進一步的移動鏡像與紓解濾波功能的需求。選項性的FIR85之後有一組48位元的NCO，當FIR85致能時能夠以6GSPS或是12GSPS的更新速率運作。接續在NCO之後的則是x/sinx補償濾波器，透過將送到DAC核心輸入予以預加強的方式來修正DAC的sinx/x衰減。

圖2 AD9162與D9164 RF DAC家族的方塊圖

DAC的核心是以ADI專屬的四重開關架構所設計，提供卓越的無寄生動態範圍與雜訊頻譜密度，進而具備了業界最佳的動態範圍，同時還提供由四重開關所致能的常見DAC解碼器選項：不歸零(NRZ)模式、歸零(RZ)模式、以及混合模式等。FIR85在DAC解碼器中增加了稱為2xNRZ模式的新特點。

AD9164具有AD9162的基本特點，而且還以快速跳頻(FFH)NCO引擎的形式增加了直接數位合成(DDS)功能。FFH NCO具有數項獨特的特點，使其對於像是高速測試儀器、本地振盪器替代、安全無線電通訊、以及雷達激勵器等的市場極具吸引力。FFH NCO引擎是利用三十二組32位元NCO加以執行，每組都具有其自身的相位累加器，以及用以致能快速跳頻的選擇塊。

AD9162具有兩項直接對應特定市場的衍生性產品。AD9161是11位元6GSPS RF DAC，具有最小2x的內插。AD9161的SFDR與NSD很適合使用於通訊電纜頭端與遠端實體(PHY)應用裝置，並且符合DOCSIS 3.0規格。縮減的訊號頻寬與動態範圍讓AD9161不需要出口許可證。AD9163是16位元6GSPS RF DAC，具有最小6x的內插，並且擁有主要產品AD9162的完整動態範圍。該元件的完整動態範圍以及其廣大的1GHz瞬時頻寬再加上完整範圍的NCO，使得該元件很適合使用於單波段或是雙波段無線基礎架構基地台以及處於傳統波段中的點對點微波系統，同時也具有不需要出口許可證的優點。表1中將該產品家族以及其關鍵特點做了總結。

數位資料路徑特點

資料會透過一個8線12.5 GBPS的JESD204B介面傳送到AD9162與AD9164中。此高速序列介面會藉由減少用來將數位基頻元件連結至DAC的線路數量來簡化電路板布局的複雜度。對於該介面之運作的詳細指引可以在數據手冊中找到，而對於JESD204B的完整指引則可以在ADI網站中取得。

在AD9162與AD9164資料路徑中的第一組內插器若不是2x半帶就是3x三帶濾波器。任一種濾波器都具有可選擇的80%或90%訊號頻寬。兩種濾波器都具有85dB或是更高的阻帶拒斥。90%濾波器因為它們具有更為銳利的截斷特性，因此會以較高的功率運作，進而有更多數量的分支。剩餘的2x半帶濾波器都會以90%頻寬運作，以便容納任一種第一內插器。FIR85也會以90%頻寬運作。由於所有的後續濾波器都會進一步的下降至內插線上，因此它們能夠在功率增加量幾乎不會引起注意的情況下以90%頻寬運作。

FIR85(在致能狀態下會執行2xNRZ模式)是以有別於其它內插器濾波器的方式執行的。它取得了DAC四重開關架構的優勢，並且利用DAC時脈的上升緣與下降緣來對資料進行取樣。這種取樣方法會在每個時脈緣對新的資料取樣，並因而採取行動將DAC的取樣速率加倍至12GSPS。此將會使訊號的鏡像從fDAC–fOUT被推至2xfDAC–fOUT，使其更容易利用較易於實現的類比濾波器來過濾鏡像。此種取樣與內插的方法會使DAC輸出對於時脈的平衡更為敏感，但是可以透過調整DAC時脈輸入來加以調節，進而獲得更好的性能。這些調整是透過串聯週邊介面(SPI)對暫存器加以編程來實現的。詳細說明可以在數據表(表1)中找到。

表1 AD9162與AD9164 6 GSPS RF DAC家族特點與目標市場的總結

48位元NCO是完全正交NCO，能夠實現輸入資料訊號的無鏡像頻率移動，或是單一音調的直接數位合成。NCO具有兩種可選擇的作業模式：相位連續或是相位不連續頻率切換。在相位連續切換中，頻率調節字組(FTW)會更新，可是相位累加器不會重置，如此將導致頻率中的連續相位變化。在相位不連續模式中，當FTW更新時，相位累加器會重置。串聯週邊介面(SPI)必須保證在100MHz以實現FTW的快速更新。

AD9164增加了一項重要的特點到NCO中：快速跳頻NCO(FFH NCO)。FFH NCO是以額外的三十一組32位元NCO來加以執行，而每組NCO都具有其專屬的相位累加器。每組NCO都具有其自身的FTW，因此32組NCO FTW的總和就可以編程至元件當中。同時也提供了FTW選擇暫存器，因此單一SPI暫存器位元組寫入能夠以32位元的精確度完成一次的新頻率跳躍。透過100MHz的SPI，此所代表的是新的FTW能夠以單一位元組寫入在240ns中完成挑選。

FFH NCO還具有額外的同相跳頻模式，這使其非常適用於儀器與軍事應用裝置。同相跳頻對於測試應用裝置而言相當的重要，而對於需要追蹤激勵器訊號的相位並在稍後使用的雷達應用裝置亦然。同相跳頻能夠達成從這個頻率改變成另一頻率，並且再次回返至原始頻率，而且不會失去原始頻率之相位累加的追蹤。換言之，它可以實現從一個頻率到另一個頻率然後返回上一個頻率，就像頻率從未改變一樣。 AD9162與AD9164訊號處理的特點以及其高取樣速率讓圖1中的無線電架構獲得簡化。更新之後的圖形如圖3中所示。

圖3 以RF資料轉換器執行的無線電發射器架構

應用與量測性能

由於RF資料轉換器可以直接合成處於所需要輸入頻率上的訊號，因此也就不再需要正交調變器或是升頻轉換混頻器了。訊號在數位處理器中生成後就只是從RF資料轉換器傳送出來。執行發射器所需硬體的數量因此而獲得大幅的減少。此外，無線電會更易於執行，不需要對正交調變器校正LO與DAC輸入以便抑制LO漏洩以及不需要的鏡像，這是因為調變器是以數位方式在RF資料轉換器中執行的。

此種類型只具有一組類比低通濾波器，用以過濾資料轉換器鏡像的架構，為組態可重設定或是軟體定義無線電開啟了可能性。相同的數位元件：RF資料轉換器、以及重現低通濾波器都可以使用，只需要一組功率放大器與帶通濾波器的改變就可以執行許多不同的無線電。圖4中所示為無線基地台雙波段發射器輸出(五組處於1,800MHz的5MHz WCDMA載波以及三組處於2,100MHz的5MHz WCDMA載波)的範例。圖5所示為相容通訊電纜頭端發射器輸出，在DOCSIS 3.1的50MHz至1.2GHz頻譜中194 6MHz的寬廣256QAM載波的範例。圖6中所示為260ns快速跳頻停留時間(以暫存器編程(單一位元組寫入)的240ns與跳頻時間的20ns)的範例。圖7所示為AD9164的卓越相位雜訊性能—當利用4GHz加熱晶體振盪器運作，並且與3.9GHz正弦波合成時，在10kHz偏移下優於-125dBc/Hz。