【導讀】能夠直接合成無(wú)線(xiàn)電頻率范圍內信號的轉換器（RF轉換器）已經(jīng)成熟，常規無(wú)線(xiàn)電設計將因此發(fā)生變革。由于能夠數字化并合成高達2 GHz到3 GHz的瞬時(shí)信號帶寬，RF轉換器現在可以?xún)冬F提供真正寬帶無(wú)線(xiàn)電的承諾，無(wú)線(xiàn)電設計人員得以大幅簡(jiǎn)化硬件設計，并很好的支持軟件可重復配置的能力，這對于常規無(wú)線(xiàn)電設計來(lái)說(shuō)是不可能實(shí)現的。本文探討了RF轉換器技術(shù)的進(jìn)步使得這種新型數據采集系統和寬帶無(wú)線(xiàn)電成為可能，并討論了軟件配置的可行性。
簡(jiǎn)介
每位無(wú)線(xiàn)電設計人員都要面對這樣一個(gè)設計取舍的問(wèn)題，即需要權衡信號帶寬內的性能與功耗。無(wú)線(xiàn)電設計人員如何滿(mǎn)足這一約束決定了無(wú)線(xiàn)電的尺寸和重量，并從根本上影響無(wú)線(xiàn)電的位置，包括建筑物、塔樓、電線(xiàn)桿、地下車(chē)輛、包裹、口袋、耳朵或眼鏡。每個(gè)無(wú)線(xiàn)電位置都有一個(gè)與其位置相稱(chēng)的可用功率量。例如，建筑物或塔樓上的可用功率很可能高于口袋中的智能手機或耳內的藍牙耳機提供的功率。所有情況下都存在一個(gè)基本事實(shí)：無(wú)線(xiàn)電需要的功率越小，并且單位功率所能支持的吞吐量越大，則無(wú)線(xiàn)電尺寸越小，重量越輕。這個(gè)事實(shí)影響巨大，多年來(lái)一直是通信電子行業(yè)中很多創(chuàng )新背后的推動(dòng)力。
半導體公司將更多的功能和更高的性能集成到相同或更小尺寸的器件中，使用此類(lèi)器件的設備得以實(shí)現更小、更多功能或更輕（某些情況下這三者都能得到實(shí)現）的承諾。設備越小、越輕、功能越多則越好，這樣就可以把設備放置在以前由于其他約束而不能放的位置。例如，原先需要建筑物，現在由于占地面積減小，設備可以放在塔樓上；原先放在塔樓上的無(wú)線(xiàn)電單元，如果 重量足夠輕，就可以縮小成放在電線(xiàn)柱上的單元；原先因為較重而需要車(chē)輛攜帶的單元，現在可以放在一個(gè)背包中。
當今的環(huán)境充斥著(zhù)各種需要放在建筑物、塔樓、柱子和車(chē)輛上的傳統裝置。出于世界各地人們彼此互聯(lián)的需求，工程師們利用當時(shí)可用的器件設計設備以應對挑戰，這才有了我們今天通信無(wú)處不在的環(huán)境。我們可以隨時(shí)隨地通過(guò)多種不同網(wǎng)絡(luò )（包括移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、特設短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等）進(jìn)行通話(huà)、發(fā)消息、即時(shí)通訊、傳照片、下載、上傳和瀏覽。所有這些都連接到寬帶有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，數據由RF電纜傳輸，最終通過(guò)光纖傳輸。
圖1. RF轉換器支持寬帶無(wú)線(xiàn)電提供視頻流和游戲等需要大量數據的服務(wù)
增強的視頻體驗
多項研究表明1,2，對數據的需求預計會(huì )在未來(lái)十年持續增長(cháng)。其驅動(dòng)力是人們對數據更豐富的內容的似乎無(wú)止境的需求，因而需要更寬的帶寬。例如，有線(xiàn)電視和光纖到戶(hù)運營(yíng)商通過(guò)提供更高速度的連接和更多高清電視頻道，不斷在家庭寬帶服務(wù)方面展開(kāi)競爭。超高清（UHD或4k清晰度）電視需要的容量是高清電視的兩倍以上，通道帶寬需求超過(guò)當今使用的帶寬。
此外，包括虛擬現實(shí) (VR) 在內的沉浸式視頻，以及具有多維自由度的游戲和3D效果（180°或全景視覺(jué)等），全部使用4k超高清電視，每用戶(hù)需要高達1 Gb的帶寬2 ，這遠遠超出了簡(jiǎn)單的4k UHD電視廣播和流媒體已然很苛刻的要求。在線(xiàn)游戲需要網(wǎng)絡(luò )提供對稱(chēng)的數據帶寬，因為延遲時(shí)間至關(guān)重要，這推動(dòng)了更寬帶寬上行傳輸能力的發(fā)展。這種對更寬上行能力的需求反過(guò)來(lái)又促使設備制造商升級其設計，以實(shí)現對稱(chēng)的寬帶寬傳輸。
當今RF轉換器強大的功能對于推動(dòng)傳輸如此豐富視頻內容的進(jìn)步至關(guān)重要。必須能夠提供大動(dòng)態(tài)信號的輸出，同時(shí)要求具有優(yōu)秀的雜散性能，從而支持使用256-QAM、1024-QAM和4k-QAM等更高階的調制方案。已安裝的同軸電纜設備和分配放大器具有1.2GHz至1.7 GHz的有限帶寬，為了提高每個(gè)通道的頻譜效率，必須使 用上述更高階的調制方法。前端傳輸設備的更高性能可延長(cháng)已安裝設備群的使用壽命，緩解資本預算限制，以及支持向多家服務(wù)運營(yíng)商 (MSO) 提供更長(cháng)時(shí)間窗口來(lái)升級其設備和傳輸系統。
多頻段、多模式測試
隨著(zhù)集成的功能越來(lái)越多，如今的智能手機與傳統手機已相去甚遠。許多功能都有與之相關(guān)聯(lián)的無(wú)線(xiàn)電，因此，當前的移動(dòng)設備中可能有五到七個(gè)甚至更多的頻段。生產(chǎn)智能手機時(shí)，每種無(wú)線(xiàn)電都必須進(jìn)行測試，這給多模式通信測試儀制造商帶來(lái)了新的挑戰。盡管測試量隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電數量的增加而增加，但仍需要快速測試以降低測試成本?？紤]到測試儀的尺寸和成本，為移動(dòng)設備中的每個(gè)無(wú)線(xiàn)電構建不同的無(wú)線(xiàn)電硬件變得不切實(shí)際。隨著(zhù)更多的頻段開(kāi)放或被提議用于移動(dòng)服務(wù)3，測試移動(dòng)設備中越來(lái)越多的無(wú)線(xiàn)電的挑戰難度在加大。
RF轉換器可以很好地應對這一挑戰。無(wú)論是發(fā)射機還是接收機，RF轉換器均能提供常規無(wú)線(xiàn)電無(wú)法實(shí)現的靈活性。寬帶RF轉換器可以同時(shí)捕捉并直接合成每個(gè)頻段中的信號，從而支持同時(shí)測試移動(dòng)設備中的多個(gè)無(wú)線(xiàn)電。利用RF DAC和RF ADC內置的通道選擇器，多個(gè)無(wú)線(xiàn)電信號可以在轉換器中得到高效處理。例如，圖2中顯示每個(gè)RF DAC有3個(gè)子通道處理單元，可以將三個(gè)頻段不同的信號合路，然后利用數字控制振蕩器 (NCO) 進(jìn)行數字上變頻，再由RF DAC轉換為RF信號。
在其他市場(chǎng)領(lǐng)域，例如針對航空航天和防務(wù)市場(chǎng)的測試設備，對用于脈沖雷達和軍用通信的寬帶測試解決方案的需求日益增加。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與類(lèi)型眾多，測試設備制造商必須制造出一種具有豐富特性組合的靈活儀器4。例如，任意波形發(fā)生器必須能夠創(chuàng )建各種信號，包括線(xiàn)性頻率調制脈沖信號、相位相干信號以及各種輸出頻率和帶寬的調制信號。測量設備必須同樣強大，以便在測試激勵器或發(fā)射器時(shí)能接收這些信號。RF轉換器支持直接RF合成和RF頻率下的測量，可以很好地服務(wù)于此類(lèi)應用。在某些情況下，這可以消除上變頻或下變頻的需求，而在其他情況下，減少變頻次數。硬件得以簡(jiǎn)化，尺寸、重量和功耗要求得以降低。增加通道選擇器、內插器、NCO和合成器等數字特性，可在專(zhuān)用低功耗CMOS技術(shù)上實(shí)現高效信號處理。
圖2. 帶通道選擇器的RF DAC示例。
軟件定義無(wú)線(xiàn)電
RF轉換器是軟件定義無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵因素之一。RF轉換器能夠直接合成和捕獲幾個(gè)GHz 帶寬內的無(wú)線(xiàn)電頻率，以數字方式實(shí)現上變頻或下變頻功能，這樣整個(gè)上變頻或下變頻級都不再需要，無(wú)線(xiàn)電架構得以簡(jiǎn)化。去掉模擬變頻級和相關(guān)混頻器、LO合成器、濾波器，可減小無(wú)線(xiàn)電的尺寸、重量和功耗 (SWaP)，使無(wú)線(xiàn)電能夠適應更多的應用場(chǎng)景，并可使用更小的電源供電。這種技術(shù)使得無(wú)線(xiàn)電小巧輕便，足以手持、車(chē)載或安裝在飛機、直升機、無(wú)人機 (UAV) 等各種機載資產(chǎn)中。
除了實(shí)現更好的跨平臺通信之外，利用RF轉換器構建的無(wú)線(xiàn)電硬件還有支持多功能、多模式和多頻段的潛力。RF轉換器現在能夠達到較低的雷達頻段，在不久的將來(lái)會(huì )達到較高的頻段，因此單臺設備既可用作雷達也可用作戰術(shù)通信鏈路的概念有望變成現實(shí)。這樣一種設備在現場(chǎng)維修、升級、采購程序和成本方面具有明顯的優(yōu)勢。
直接合成和捕獲雷達頻率的能力使得RF轉換器非常適合相控陣雷達系統。直接RF轉換器合成和捕獲可減少非常多的常規無(wú)線(xiàn)電硬件，使單個(gè)信號鏈更小更輕。如此便能將很多這種無(wú)線(xiàn)電整合在一個(gè)更小的空間中。適合船載的陣列或地面相控陣，以及用于信號情報操作的較小陣列和單元，可以實(shí)現更小的SWaP。
圖3. RF轉換器驅動(dòng)的軟件定義無(wú)線(xiàn)電支持跨平臺互連通信。
RF轉換器背后的技術(shù)
RF轉換器得以成功的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步之一是持續微縮的細線(xiàn)CMOS工藝。隨著(zhù)基本CMOS晶體管的柵極長(cháng)度和特征尺寸變小，數字門(mén)電路變得更快、更小且功耗更低6。這使得具有合理功耗和面積的RF轉換器可以將大量數字信號處理功能集成到芯片上。容納數字通道選擇器、調制器和軟件可編程濾波器，對于構建高效靈活的無(wú)線(xiàn)電非常重要。這種更高效的DSP也為利用數字處理來(lái)幫助糾正轉換器中的模擬缺陷打開(kāi)了大門(mén)。在模擬方面，每個(gè)新節點(diǎn)都提供速度更快的晶體管，其單位面積的匹配性能也更好。這些改進(jìn)對于實(shí)現速度更快的高精度轉換器至關(guān)重要。
單靠工藝技術(shù)進(jìn)步是不夠的，還有一些重要的架構改進(jìn)使得RF轉換器成為可能。RF DAC的優(yōu)選架構是電流導引DAC架構。此類(lèi)DAC的性能取決于構成DAC的電流源的匹配。未經(jīng)校準的電流源匹配與電流源面積的平方根成正比7。單位面積的匹配隨著(zhù)技術(shù)節點(diǎn)的升級而改善。但是，對于高分辨率轉換器而言，即便是先進(jìn)的節點(diǎn)且隨機失配足夠低，其電流源也會(huì )非常大。這種大電流源會(huì )使轉換器變大，更糟糕的是，大電流源的寄生電容會(huì )降低DAC的高頻性能。更有吸引力的解決方案是校準較小電流源以達到所需的匹配水平。這樣可以顯著(zhù)降低來(lái)自電流源的附加寄生效應，實(shí)現所需的線(xiàn)性度性能而不損害高頻性能。如果正確執行，這種校準可以在整個(gè)溫度范圍內保持高度穩定，并且校準可以一次完成。穩定的一次性校準意味著(zhù)不需要在后臺定期運行校準，從而節省運行功耗，并減輕因后臺運行校準而產(chǎn)生雜散產(chǎn)物的問(wèn)題。8
還有一個(gè)幫助超高速轉換器達到性能指標的架構選擇，那就是用于導引DAC電流的開(kāi)關(guān)架構選擇。傳統的雙開(kāi)關(guān)結構（圖4）在以非常高的速度運行時(shí)存在幾個(gè)缺點(diǎn)9,10。驅動(dòng)到雙路開(kāi)關(guān)的數據可以在一個(gè)到多個(gè)時(shí)鐘周期內保持不變，因此尾節點(diǎn)的建立時(shí)間依賴(lài)于數據。如果時(shí)鐘速率足夠慢，使得此節點(diǎn)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內建立，那么這不成問(wèn)題。但在非常高的速率下，此節點(diǎn)在一個(gè)時(shí)鐘周期內無(wú)法完全建立，依賴(lài)于數據的建立時(shí)間將會(huì )導致DAC輸出失真。如果使用四路開(kāi)關(guān)（圖5），數據信號就會(huì )全部歸零。這導致尾節點(diǎn)電壓與數據輸入無(wú)關(guān)，從而緩解上述問(wèn)題。四路開(kāi)關(guān)還允許DAC數據在時(shí)鐘的兩個(gè)邊沿上更新。利用此特性可有效地使DAC采樣速率加倍，而時(shí)鐘頻率無(wú)需倍增1。11
圖4. 雙開(kāi)關(guān)DAC單元示例。
圖5. 四開(kāi)關(guān)DAC單元示例。
采用精心設計的電流源校準算法和四開(kāi)關(guān)電流導引單元，結合當今的細線(xiàn)CMOS工藝，可以設計出具有出色動(dòng)態(tài)范圍的高速采樣DAC。這樣就能在很寬的頻率范圍內合成高質(zhì)量信號。當這種寬帶DAC與輔助DSP相結合時(shí)，它變成一個(gè)非常靈活的高性能無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器，經(jīng)過(guò)配置可為本文前面提到的所有不同應用提供信號。
未來(lái)無(wú)線(xiàn)電
當今的RF轉換器已經(jīng)促使無(wú)線(xiàn)電架構設計發(fā)生了根本性的改變，而在未來(lái)，它將引發(fā)更大的改變。隨著(zhù)工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步和RF轉換器設計的進(jìn)一步優(yōu)化，RF轉換器對無(wú)線(xiàn)電功耗和尺寸的影響將繼續縮小。這些技術(shù)進(jìn)步來(lái)的正是時(shí)候，有力地推動(dòng)了新一代無(wú)線(xiàn)電，例如新興5G無(wú)線(xiàn)基站應用（如大規模MIMO），以及大規模相控陣雷達和波束合成應用。深亞微米光刻技術(shù)將使得更多數字電路能夠放置在RF轉換器芯片上，從而集成需要大量計算的關(guān)鍵功能，如數字預失真 (DPD)13和削峰 (CFR) 算法等，這有助于提高功率放大器效率并顯著(zhù)減少系統整體功耗。這種集成將減輕對高能耗FPGA邏輯的壓力，并將相關(guān)功能轉移到功耗較低的專(zhuān)用邏輯中。其他可能性包括將RF轉換器及其數字引擎與RF、微波或毫米波模擬器件集成在一起，進(jìn)一步縮小尺寸并簡(jiǎn)化無(wú)線(xiàn)電設計，為無(wú)線(xiàn)電設計提供比特到天線(xiàn)的系統級方法。由于有了RF轉換器，各種各樣的機遇迸發(fā)出來(lái)。RF轉換器是助力世界超越一切可能TM的技術(shù)。
參考電路
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6 William Holt. "摩爾定律：前進(jìn)之路" 。2016 IEEE國際固態(tài)電路會(huì )議，IEEE，2016。
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8 Haiyan Zhu, Wenhua Yang, Gil Engel, and Yong-Bin Kim. "雙參數校準 技術(shù)跟蹤電流源不匹配引起的溫度變化" 。IEEE電路與系統論文集—II：簡(jiǎn)報，IEEE，第64卷第4期，2017年4月。
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10 Sungkyung Park, Gyudong Kim, Sin-Chong Park, and Wonchan Kim. "基于差分四開(kāi)關(guān)的數模轉換器" 。IEEE固態(tài)電路雜志，IEEE，第37卷第10期，2002年10月。
11 Gil Engel, Shawn Kuo, and Steve Rose. "14位3 GHz/6 GHz電流導引RF DAC，采用0.18 μm CMOS，2.9 GHz時(shí)提供66 dB ACLR" 。2012 IEEE 國際固態(tài)電路會(huì )議，IEEE，2012。
12 Daniel Fague. "最新RF DAC拓寬軟件無(wú)線(xiàn)電的應用視野"《模擬對話(huà)》，第50卷第7期，2016年7月。
13 Patrick Pratt and Frank Kearney. "超寬帶數字預失真(DPD)：在電纜 分配系統中實(shí)現帶來(lái)的優(yōu)勢（功率和性能）和挑戰" 《模擬對話(huà)》，第51卷第07期，2017年7月。
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