軟體無線射頻系統(Software-defined Radio, SDR)，由於擁有可在不同的通訊頻道與訊號調變方式中建立互通性，讓不同通訊標準進行溝通的優勢，因此被不少通訊業者視為未來解決各種無線通訊平台建立相容性與互通性的一大助力。
然因缺乏適當的數位類比轉換器，使得能真正涵蓋所有射頻功能的軟體無線射頻系統始終遙不可及。不過，近期在資料轉換器的技術突破下，類比數位轉換器和數位類比轉換器都有所演化，讓軟體無線射頻系統的實現指日可待。
軟體無線射頻系統的主要架構是要求系統提供較高的頻寬和較寬廣的動態範圍，以支援多種標準和頻率，而這些要求在濾波能力有限的多載波環境下操作尤其重要。
另外，由於支援多種標準與頻率，使得頻寬動態範圍增大，相對也增加功率放大器的負擔，因此必須增加一個回授路徑來執行波峰因素抑制(Crest- factor Reduction)的功能，使功率放大器線性化(Linearization)得以最佳化。本文將探討類比數位轉換器和數位類比轉換器的參數設定，如何透過軟體無線射頻系統擁有更好的效能與功能。
資料轉換器成軟體無線電成敗關鍵
從定義上來看，軟體無線射頻系統是硬體與軟體技術的結合，主要為無線網路的基礎設施和終端裝置提供一套可重設組態的架構。近期在無線標準、頻率和設定方式 (Profiles)快速增加後，無線網路設備製造商開始注重設計的共同點，以提升可共用性、儘可能節省成本支出。這樣的做法使得設計一個與標準無關 (Standard-agnostic)，又能透過軟體重新設定組態，以滿足不同需求的收發器變得極具吸引力。
簡單的說，能重新設定組態的軟體無線射頻系統，最終可讓消費者連結到一個不斷擴大且超越許多無線傳輸標準的網路。
近幾年來，數位硬體和技術的快速增長已使得軟體無線射頻系統的實作，成為業界不斷討論的話題。儘管數位訊號處理器(DSP)技術的進步，加快了軟體無線射頻系統的發展腳步，然而，類比領域的高速資料轉換器技術，才是實現軟體定義無線電的真正關鍵。
過去由於缺少符合效能需求的數位類比轉換器，使得廠商無法實作一套真正涵蓋所有射頻功能(Antenna-to-bits)又與協定無關 (Protocol-agnostic)的軟體無線射頻系統。不過，近期研究發現，在軟體無線射頻系統中的高中頻架構，與可程式數位升頻/降頻轉換功能的結合可以提供相當理想的基頻，而這個中頻平台，就能做為軟體無線射頻系統的共同硬體基礎。在這樣的情況之下，軟體無線電的應用趨勢也隨之升溫。
類比數位轉換器應用須謹慎以對
高中頻架構雖然就接收機硬體共通性而言比較理想，卻會對類比數位轉換器造成額外負擔，因此這些元件必須具備某些特性以滿足其要求。
一般來說，高效能通訊接收機需要很大的動態範圍，而實際範圍則由類比數位轉換器在系統中的效能決定。例如在行動電話基礎設施中，接收機必須在面對GSM 800/900和1800/1900分別為-13dBm和-26dBm的高功率阻隔訊號情形下，處理小於-100dBm的微弱訊號。因此類比數位轉換器必須提供寬廣的無混附訊號動態範圍(SFDR)和訊號雜波比(SNR)，才能達到接收機對於這項協定的要求。
而類比數位轉換器的速度也會直接影響接收機的實作。提高轉換器的取樣速率可以增加訊號的超取樣比值(Oversampling Ratio)或減少其次取樣比值(Undersampling Ratio)，實際效果則視系統的中頻而定。藉由精準的頻率規畫，速度較高的類比數位轉換器還得以把雜訊分散到更大的頻寬。
以取樣速率分別為100MHz和250MHz的兩顆高速類比數位轉換器為例，假設兩顆元件的訊號雜波比都是70dBFS，第一顆轉換器的有效雜訊就等於-147dBFS/Hz，速度較快的轉換器則為-151dBFS/Hz。
不過，雖然諧波失真常會影響產品的SFDR效能，但謹慎的頻率規畫卻能將失真諧波移到目標頻寬以外。速度較快的元件可以減少雜訊的影響，因此可用來設計靈敏度更高的接收機。這項附帶好處通常又稱為處理增益(Processing Gain)，它是使用13位元，250MSPS等超高取樣速率的類比數位轉換器的一項重大優點(圖1)。而高訊號雜波比和高取樣速率正是類比數位轉換器的重要選擇考量。
更大的輸入頻寬對於高中頻架構的實作也很重要，系統若能接收頻率更高的訊號並將其數位化，混波電路後面就能採用較簡單的濾波器。這是因為提高混波器輸出端的中頻頻率，能讓混波訊號移到目標頻寬以外同樣距離的位置，有效簡化濾波工作。
然而設計人員必須瞭解，元件資料表所列的類比輸入頻寬並不等於對於無線電設計「有用的」類比輸入頻寬。目前的高速類比數位轉換器多半可提供高達數百個 MHz的3dB類比輸入頻寬，但元件的線性特性和雜訊都會隨著頻率升高而持續劣化，這使轉換器會在頻率很高時失去作用。因此，系統設計人員應把重點放在 SFDR和SNR等轉換器實際效能與輸入頻率之間的關係，並選擇適當的指標來判斷元件是否適合目標設計，而非盲目相信元件資料表所列的類比輸入頻寬。
產生抖動極小的高速取樣時脈以及分析它們對於資料轉換過程的影響，是所有高速通訊系統設計的重要考量。高中頻設計須要抖動很小的取樣時脈，否則取樣系統時脈就會變得極不確定，同時影響接收機的訊號雜波比。
抖動基本上可分為兩部分：一是來自外部的時脈源，另一則是類比數位轉換器本身的時脈電路所產生。訊號抖動源的影響會以RSS的方式累加在一起，並如下方公式所示，導致整個系統的訊號雜波比下降：
其中fin代表資料轉換器所取樣的輸入訊號頻率，tjitter則是取樣系統的均方根抖動值(RMS Jitter)。
圖2顯示時脈抖動對系統訊號雜波比的影響。假設通訊協定要求70dB訊號雜波比，類比數位轉換器的均方根抖動幅度則為1ps，那麼輸入訊號的最大頻率就必須低於50MHz才能確保時脈抖動不影響接收機效能。反過來說，若將時脈抖動幅度減少至250fs，接收機就能在200MHz中頻下維持同樣的70dB訊號雜波比。設計人員必須選擇合適的時脈分配元件才能讓類比數位轉換器發揮最佳效能，例如CDCM7005時脈合成器與抖動消除器就是很好的選擇。
為了讓發射機提供最高效能和最低成本，越來越多的軟體無線射頻系統開始採用功率放大器線性化技術。現代的數位預失真(Pre-distortion)演算法須為發射機提供很大頻寬的回授路徑，因此必須使用速度極快的類比數位轉換器。由於輸入頻寬平坦度會對系統的線性特性產生很大影響，因此也是選擇類比數位轉換器時的重要參數，這對多載波系統尤其重要，因為它們必須將目標訊號的多個諧波數位化，以實現功率放大器的線性化。
整合數位類比轉換器
簡化無線電設計
把數位功能加入高效能數位類比轉換器技術，會讓通用中頻電路的設計更有彈性。內插濾波器(Interpolation Filter)會提高數位域的取樣速率和減少內插產生的鏡像訊號(Images)，這能讓數位類比轉換器在同樣的輸出頻率下，提供更高的資料更新率，同時更精確地完成波形重建。內插方式的缺點在於會等比例減少可用訊號頻寬，例如內插比例若為4，可用訊號頻寬就會減少4倍(圖3)。
精密型(NCO控制)和粗略型(fclk/n)數位混波器，可以在數位域裡提供更大的頻率放置自由度(Degree of Frequency Placement Freedom)。但上述過程也會產生混波訊號，因此必須在類比域裡透過濾波器加以消除。Sin(x)/x補償可將頻率放置在更高的位置，但是目標頻寬內的功率和訊號雜波比就會略為下降。
複數中頻架構(Complex IF Architecture)可以發揮正交訊號的優點，進而簡化類比域的濾波要求。混波時若知道相位資訊，就能透過算數演算消除不必要的訊號。
在此過程中，它會如圖4所示大幅降低混波訊號的功率。在混波鏡像訊號很強的應用中，複數中頻電路的混波訊號衰減能力，就是它勝過實數中頻架構的主要優點之一；除此之外，在數位域使用正交修正電路(Quadrature Correction Circuitry)，還能有效防止本地振盪器訊號進入最後的射頻訊號，進一步簡化濾波器的要求。
圖5是TSW3000發射機參考設計的射頻輸出，從圖中即可看出複數中頻電路所能達到的效能。由於使用正交訊號，旁波帶抑制會出現在每個±N×Fdac區間。設計人員還能透過濾波器最佳化來進一步增強效能。DAC5687等數位類比轉換器的內建功能即可用來實現載波最佳化(LO)和旁波帶抑制。圖6為 TSW3000參考設計的區塊圖。
在不調整資料轉換器時脈的情形下改變基頻資料速率，是軟體無線射頻系統的重要功能之一。這項功能雖不是由資料轉換器本身執行，但在實作階段就必須納入考量。它是透過一個稱為再取樣(Re-sampling)的程序來達成。對於必須由一個系統處理多種傳輸協定的應用設計而言，再取樣電路為設計人員帶來一套簡化整個系統設計的寶貴工具，不僅能讓通道化後的基頻資料速率與輸入取樣時脈保持非整數的關係，還能在此過程中使用同一個取樣時脈並提供多傳輸協定操作能力。
軟體無線射頻系統在不久前，對系統設計人員仍是遙不可及的夢想，然而高速資料轉換器技術的進步讓此逐漸成形。雖然與協定/頻率無關的設計仍是極為艱鉅的挑戰，但如今工程師已擁有這類設計所需的資料轉換器，來加速目標的達成。