作者：Daniel E. Fague and Steven Rose

可以直接合成射頻范圍內信號的轉換器（RF轉換器）已經成熟到可以改變傳統無線電設計的地步。憑借數字化和合成高達 2 GHz 或 3 GHz 的瞬時信號帶寬的能力，RF 轉換器現在可以兌現真正寬帶無線電的承諾，使無線電設計人員能夠大幅減少創建無線電所需的硬件數量，并通過軟件實現新水平的可重構性，這是傳統無線電設計根本無法實現的。本文探討了RF轉換器技術的進步，使這種新型數據采集系統和寬帶無線電成為可能，并討論了軟件可配置性創造的可能性。

介紹

每個無線電設計人員面臨的一個設計約束是，在設計盡可能高質量的信號帶寬與無線電功耗之間進行權衡。無線電設計人員如何滿足此約束決定了無線電的大小和重量，并從根本上影響無線電的位置，包括建筑物、塔樓、電線桿、地下車輛、背包、口袋、耳朵或眼鏡。每個無線電位置都有與其位置相稱的可用功率量。例如，建筑物或塔樓可能比口袋里的智能手機或耳朵里的藍牙耳機有更多的電力。在所有情況下，都存在一個基本事實：無線電消耗的功率越少，每單位功率能夠提供的吞吐量就越大，無線電就會越小越輕。這產生了巨大的影響，并且多年來一直是通信電子行業許多創新背后的驅動力。

隨著半導體公司將更多功能和更高性能集成到相同或更小尺寸的組件中，使用它們的設備已經能夠兌現更小、功能更強大、更輕或在某些情況下三者兼而有之的承諾。更小、更輕、功能更好的設備可以放置在以前由于其他一些限制而禁止的位置，例如當單元可以上塔時減少建筑物所需的空間量，如果單元的重量足夠低，則可以減小到桿單元的塔式無線電單元的大小， 或者由于其重量而需要用車輛運輸的單元現在可以打包攜帶。

當今的環境充滿了需要建筑物、塔樓、電線桿和車輛的傳統裝置。在將世界上的人們相互連接的需求的驅動下，工程師通過設計具有當時可用組件的設備來應對這一挑戰，并為我們提供了我們今天擁有的通信豐富的環境;我們可以在幾個不同的網絡之一上進行交談、文本、即時消息、拍照、下載、上傳和瀏覽幾乎任何我們希望的地方，包括移動網絡無線局域網、臨時短程無線網絡等。它們都連接到寬帶有線網絡，數據通過射頻電纜傳輸，最終通過光纖傳輸。

增強的視頻體驗

正如一些研究表明的那樣，1, 2預計未來十年，對數據的需求將繼續增長。這是由對需要更寬帶寬的更豐富數據內容的看似永不滿足的需求推動的。例如，有線電視和光纖到戶運營商通過提供更高速的連接和更多的高清電視頻道，繼續在家庭寬帶服務方面競爭。向超高清（UHD或4k清晰度）電視的轉變需要兩倍于高清電視的容量，并且需要比目前使用的更寬的頻道帶寬。

此外，沉浸式視頻，包括虛擬現實（VR），以及游戲和3D效果，如180°或多維自由的全景觀看，所有這些都使用4k UHD電視，每個用戶將需要高達1千兆位的帶寬。2這遠遠超出了簡單的4k UHD電視廣播和流媒體已經苛刻的需求。在線游戲需要網絡中的對稱數據帶寬，因為延遲時間至關重要，這推動了更寬帶寬的上游傳輸能力的發展。這種對更寬上行能力的需求反過來又促使設備制造商升級其設計，以實現對稱、寬帶寬傳輸。

當今RF轉換器的增強功能對于實現此類豐富視頻內容的交付至關重要。它們必須能夠創建具有出色無雜散性能的高動態范圍信號，以便能夠使用256-QAM、1024-QAM和4k-QAM等高階調制方案。需要這些高階調制方法來提高每個通道的頻譜效率，因為安裝的同軸電纜設備和分配放大器具有1.2 GHz至1.7 GHz的有限帶寬。 前端傳輸設備的更高性能延長了已安裝設備基礎的使用壽命，緩解了資本預算限制，并允許多個服務運營商（MSO）有更長的時間窗口來升級其設備和傳輸系統。

多頻段、多模測試

今天的智能手機與傳統手機更不像，因為其中包含了更多的功能。其中許多功能都有與之相關的無線電，因此，今天的移動設備中有超過五七個或更多的無線電。這些無線電中的每一個都必須在智能手機生產時進行測試，這給多模通信測試儀制造商帶來了新的挑戰。盡管測試數量隨著無線電數量的增加而增加，但需要速度來降低測試成本。在移動設備中為每個無線電構建不同的無線電硬件在測試儀的尺寸和成本方面變得不切實際。隨著更多頻段的開放或提議用于移動服務，3在移動設備中測試越來越多的無線電的挑戰越來越大。

RF轉換器可以很好地解決這一挑戰。在發射器和接收器中，RF轉換器可以提供傳統無線電無法實現的靈活性。寬帶RF轉換器能夠同時捕獲和直接合成每個頻段的信號，從而可以在移動設備中同時測試多個無線電。由于RF DAC和RF ADC內置了通道選擇器，這些多個無線電信號在轉換器中得到高效處理。例如，在圖2中，每個RF DAC顯示3個通道選擇器，使三個不同的信號和頻段能夠直接合成、組合，然后通過數控振蕩器（NCO）進行數字上變頻，然后再由RF DAC轉換為RF信號。

在航空航天和國防測試設備等其他細分市場中，對脈沖雷達和軍事通信寬帶測試解決方案的需求正在增加。由于需要測試的雷達、電子情報、電子戰設備和通信設備的數量和類型，測試設備制造商必須創建具有豐富功能集的靈活儀器。4例如，任意波形發生器必須能夠產生各種信號，包括線性頻率調制、脈沖信號、相位相干信號以及跨寬輸出頻率和帶寬范圍的調制信號。測量設備必須具有相同的能力，以便在測試激勵器或變送器時接收此類信號。RF轉換器支持RF頻率的直接RF合成和測量，從而很好地服務于此應用。在某些情況下，這可以消除向上或向下轉換的需要，而在其他情況下，可以減少單次轉換所需的數量。這簡化了硬件，從而可以減小其尺寸、重量和功率要求。通過增加通道選擇器、插值器、NCO和合路器等數字功能，可在專用的低功耗CMOS技術上實現高效的信號處理。

圖2.帶通道器的RF DAC示例。

軟件定義無線電

RF轉換器可以成為軟件定義無線電的關鍵推動因素。RF轉換器能夠直接合成和捕獲多GHz范圍內的無線電頻率，通過消除整個上變頻或下變頻級，而是以數字方式實現它們，從而簡化了無線電架構。去掉模擬轉換級以及相關的混頻器、LO頻率合成器和濾波器，減小了無線電的尺寸、重量和功耗（SWaP），使無線電能夠位于更多位置，并采用更小的電源供電。這種技術使無線電可以小巧輕便，可以手提，在小型地面車輛中驅動，或安裝在飛機，直升機和無人機（UAV）等各種機載資產中。

除了實現更好的跨平臺通信外，使用RF轉換器構建的無線電硬件還具有多功能以及多模和多頻段的潛力。由于RF轉換器現在能夠到達較低的雷達頻段，并且在不久的將來將達到較高的頻段，因此可以同時用作雷達和戰術通信鏈路的單個單元的概念可以成為現實。這種單位在現場維修、升級以及采購程序和成本方面具有明顯的杠桿作用。

直接合成和捕獲雷達頻率的能力使RF轉換器成為相控陣雷達系統的理想選擇。由于直接RF轉換器合成和捕獲消除了許多傳統的無線電硬件，因此單個信號鏈更小、更輕。因此，可以將許多這些無線電封裝到較小的空間中。適用于艦載或陸基相控陣的陣列，以及用于信號情報操作的較小陣列和單元，都可以使用較小的SWaP構建。

射頻轉換器背后的技術

使RF轉換器成為可能的關鍵技術進步之一是不斷向更精細的CMOS工藝邁進。隨著基本CMOS晶體管的柵極長度和特征尺寸變小，數字柵極變得更快、更小、更低功耗。6這允許在RF轉換器的芯片上以合理的功率和面積進行重要的數字信號處理。包含軟件可編程的數字通道選擇器、調制器和濾波器對于構建高效靈活的無線電至關重要。這種更高效的DSP也為使用數字處理來幫助糾正轉換器中的模擬缺陷打開了大門。在模擬方面，每個新節點都提供更快的晶體管，每單位面積具有更好的匹配。這些改進對于更快的高精度轉換器至關重要。

僅靠工藝技術進步是不夠的，還有一些關鍵的架構進步使這些轉換器成為可能。RF DAC的首選架構是電流轉向DAC架構。這種類型的DAC的性能取決于組成DAC的電流源的匹配。未校準的電流源匹配與電流源面積的平方根成正比。7單位面積的匹配將隨著每個技術節點的提高而提高。然而，即使在最先進的節點中，對于高分辨率轉換器來說，具有足夠低的隨機失配的電流源也會非常大。擁有如此大的電流源會使轉換器變大，更關鍵的是，這種大電流源的寄生電容會降低DAC的高頻性能。一個更具吸引力的解決方案是校準較小的電流源，以實現所需的匹配水平。這可以顯著減少來自電流源的寄生蟲，從而在不影響高頻性能的情況下實現所需的線性度性能。如果操作正確，該校準可以在整個溫度范圍內非常穩定，并且允許進行一次校準。穩定的一次性校準意味著校準不需要在后臺定期運行，從而節省工作功耗，并減輕由于校準在后臺運行而產生虛假產品的擔憂。8

另一種有助于在極高速度下滿足所需轉換器性能指標的架構選擇是用于控制DAC電流的開關架構選擇。傳統的雙開關結構（圖 4）在高速運行時有幾個缺點。9, 10由于驅動到雙開關中的數據可以在一到多個時鐘周期的任何地方保持不變，因此尾節點將有一個數據相關的時間來建立。如果時鐘速率足夠慢，以至于該節點在一個時鐘周期內建立，則這不是問題。然而，在非常高的速率下，該節點不會在一個時鐘周期內完全建立，因此與數據相關的建立時間將導致DAC輸出失真。如果使用四路開關（圖5），則數據信號全部歸零。這導致尾節點電壓與數據輸入無關，從而緩解了上述問題。四通道開關還允許在時鐘的兩個邊沿更新DAC數據。此功能可用于有效地使DAC采樣速率加倍，而不會使時鐘頻率加倍。11

圖4.雙開關DAC單元示例。

圖5.四路開關DAC單元示例。

使用精心設計的電流源校準算法和四開關電流轉向單元，結合當今的精細CMOS工藝，可以設計出能夠以非常高速率采樣并具有出色動態范圍的DAC。這允許在很寬的頻率范圍內合成高質量信號。當這種寬帶DAC與支持DSP相結合時，它就變成了一個非常靈活的高性能無線電發射器，可以配置為為本文前面提到的所有不同應用提供信號。

未來無線電

雖然當今的RF轉換器已經使無線電架構設計發生了根本性的變化，但它們有望在未來實現更大的變化。隨著工藝技術的不斷進步和RF轉換器設計的進一步優化，RF轉換器對功耗和無線電尺寸的影響將繼續縮小。這些合適的技術進步恰逢其時，使下一代無線電成為可能，例如大規模MIMO等新興的5G無線基站應用，以及大規模相控陣雷達和波束成形應用。深亞微米光刻技術將使更多的數字電路放置在RF轉換器芯片上，集成關鍵的計算密集型功能，如數字預失真（DPD）13波峰因數降低 （CFR） 算法有助于提高功率放大器效率并顯著降低整體系統功耗。這種集成將減輕高功耗FPGA邏輯的壓力，并將這些功能轉移到功耗吝嗇的專用邏輯中。其他可能性包括將RF轉換器及其數字引擎與RF、微波或毫米波模擬組件集成，進一步減小尺寸并進一步簡化無線電設計，并提供比特到天線的系統級無線電設計方法。對于RF轉換器，存在廣泛的機會。射頻轉換器是領先于一切可能的技術?.

審核編輯：郭婷