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          軟件無(wú)線電應(yīng)用推進(jìn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)升級(jí)

          ——
          作者:特約撰稿人 周智勇 時(shí)間:2007-09-10 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          摘要: 本文介紹了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在技術(shù)中的應(yīng)用,并對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)在應(yīng)用中的發(fā)展與趨勢(shì)做了簡(jiǎn)要分析。

          關(guān)鍵詞: ;;;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

          假設(shè)將來(lái)有一天,你的移動(dòng)電話除了作為日常通信工具之外,還將融合汽車(chē)遙控器、衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、電視接收機(jī)等多種功能,那將是多么令人向往的個(gè)人移動(dòng)多媒體信息娛樂(lè)時(shí)代!

          隨著越來(lái)越多的移動(dòng)電話成為結(jié)合通信、計(jì)算和娛樂(lè)功能的多合一設(shè)備,這些設(shè)備需要支持包括Wi-Fi、WiMAX、音視頻廣播、導(dǎo)航等多種射頻(RF)標(biāo)準(zhǔn)。所有這些RF標(biāo)準(zhǔn)都使移動(dòng)電話的設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜,而軟件無(wú)線電(SDR)就是解決這些問(wèn)題的答案。

          SDR通過(guò)能夠把寬的射頻頻譜數(shù)字化的高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器()和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(),為RF級(jí)和天線提供一個(gè)模擬接口。這樣,就不必利用多個(gè)芯片來(lái)解碼射頻信號(hào),從而在單一集成電路上用軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào),為SDR系統(tǒng)提供所需要的靈活性、頻譜效率、低成本和小的形狀因子。據(jù)iSuppli預(yù)測(cè),在移動(dòng)電話中SDR的應(yīng)用將呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng),交付使用的SDR移動(dòng)電話將從2007年僅僅4.2萬(wàn)部上升到2014年的6740萬(wàn)部,如圖1所示。

          圖1  移動(dòng)電話中SDR的應(yīng)用將呈現(xiàn)強(qiáng)勁的增長(zhǎng)

          隨著軟件無(wú)線電應(yīng)用的發(fā)展,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為了主要半導(dǎo)體器件供應(yīng)商的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)之一,主要的廠商包括:TI、AD、Maxim、Linear和NS。本文試圖向你說(shuō)明,轉(zhuǎn)換器的最新進(jìn)展已經(jīng)接近軟件無(wú)線電系統(tǒng)的要求,值得引起中國(guó)無(wú)線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的關(guān)注。

          ADC的瓶頸和發(fā)展趨勢(shì)

          盡管主要SDR技術(shù)的采用是由DSP和FPGA的發(fā)展所加速,但是,模擬性能的鴻溝卻阻止SDR在許多常見(jiàn)應(yīng)用中的使用,因此,掌握ADC和DAC轉(zhuǎn)換器的最新進(jìn)展對(duì)于軟件無(wú)線電的應(yīng)用有著積極的意義。對(duì)于ADC和DAC之類(lèi)的器件,一般地說(shuō),性能要求的重點(diǎn)是噪聲和失真特性。ADC器件的主要指標(biāo)是信噪比(SNR)和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR),DAC器件的指標(biāo)包括噪聲頻譜密度(NSD)、鄰道泄漏比(ACLR)或鄰道功率比(ACPR)。

          轉(zhuǎn)換器指標(biāo)包含許多性能標(biāo)準(zhǔn)。除了噪聲和失真之外,其它要求如采樣率和帶寬也是至關(guān)重要的。采樣率需要足夠地匹配應(yīng)用帶寬以滿足奈奎斯特頻率的要求。此外,過(guò)采樣可以作為壓低噪聲密度的一種手段,但是,假如滿足奈奎斯特頻率,這就不是嚴(yán)格必需的。目前的采樣率和在采樣率上的技術(shù)進(jìn)展已經(jīng)跟上了應(yīng)用需求。

          另一方面,帶寬總是小于應(yīng)用需求。新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)總是尋求以更高的頻率進(jìn)行采樣(對(duì)于ADC來(lái)說(shuō))或合成(對(duì)于DAC來(lái)說(shuō)),其目的在于獲得更高的中頻(IF),同時(shí),滿足直接RF采樣及合成的要求。直接RF采樣可能是極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和進(jìn)一步降低成本的關(guān)鍵。

          然而,在高模擬頻率上運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器存在一定的不利后果。由于時(shí)鐘抖動(dòng)和有限的偏斜率的原因,噪聲和失真性能可能更糟糕。過(guò)去十年當(dāng)中,高速轉(zhuǎn)換器開(kāi)發(fā)過(guò)程中的創(chuàng)新一直就集中在以更高的模擬頻率改進(jìn)轉(zhuǎn)換器的工作。例如,盡管過(guò)去十年當(dāng)中SFDR的改進(jìn)不大,但是,輸入帶寬卻得到了很大提高。圖2所示為ADC帶寬和SFDR的改進(jìn)情況,該圖清楚地表明IF采樣轉(zhuǎn)換器的性能持續(xù)得到改進(jìn)。

          圖2  ADC帶寬和SFDR的改進(jìn)情況

          大多數(shù)高速ADC用電容來(lái)采集輸入信號(hào),采樣開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通阻抗與采樣電容一起,自然而然地構(gòu)成了一個(gè)濾波器。因此,ADC的帶寬受到電容大小的限制,如方程1所示。電容越小,電路就越易于驅(qū)動(dòng),從而提高帶寬并改進(jìn)SFDR性能。圖3所示為ADC噪聲譜密度逐年降低的情況。

             (1)
          其中,BW是轉(zhuǎn)換器的帶寬。除了改進(jìn)SFDR性能和獲得更大的輸入帶寬之外,該電路容許更多的噪聲通過(guò)采樣電容。輸入噪聲的增加會(huì)導(dǎo)致ADC SNR進(jìn)一步降低,因此,這就引出了有趣的折衷問(wèn)題,如方程2所示。

             (2)
          盡管如此,對(duì)業(yè)已增加的輸入帶寬,SNR仍然保持相對(duì)平坦。通過(guò)把噪聲分布在奈奎斯特帶寬上,可以把SNR轉(zhuǎn)換為NSD,從而生成一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所使用的關(guān)鍵參數(shù)。高速轉(zhuǎn)換器的NSD隨著時(shí)間的推移而得到了改進(jìn),并且每年穩(wěn)定提高大約1 dB/Hz。這就轉(zhuǎn)化為改進(jìn)了接收靈敏度,并進(jìn)一步提高了SDR設(shè)計(jì)的可用動(dòng)態(tài)范圍。例如,對(duì)于GSM應(yīng)用來(lái)說(shuō),典型的高速轉(zhuǎn)換器的NSD必須在-157 dBm/Hz數(shù)量級(jí)或86dBFS(滿刻度分貝);無(wú)雜散性能要求大約為-110dBFS。從圖2和圖3可見(jiàn),所要求的性能仍未達(dá)到,然而,這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是顯而易見(jiàn)的,而所需要的性能在下一代產(chǎn)品中應(yīng)該能達(dá)到。

          圖3  ADC噪聲譜密度逐年降低的情況

          在許多高性能應(yīng)用中,采用進(jìn)一步提高集成度的ADC是重要的發(fā)展趨勢(shì)。例如,AD6655 IF分集接收器提供高性能的接收器功能,包括ADC、數(shù)字調(diào)諧器和有助于構(gòu)成自動(dòng)增益控制(AGC)環(huán)路的功率檢測(cè)。因?yàn)镾DR系統(tǒng)需要寬的動(dòng)態(tài)范圍,所以,AGC是至關(guān)重要的。例如,在一次采樣上,輸入信號(hào)可能接近噪聲基底,那么,在幾次采樣之內(nèi),輸入就會(huì)被快速地驅(qū)動(dòng)到逼近轉(zhuǎn)換器的滿刻度數(shù)值。AGC環(huán)路通常被用來(lái)維持在輸入上的最大可能信號(hào),與此同時(shí),要對(duì)信號(hào)電平的突然增加做出響應(yīng),以防止對(duì)接收器輸入的削波。

          DAC的噪聲性能至關(guān)重要

          從DAC的觀點(diǎn)看,主要性能要求是雜散信號(hào)、NSD、ACPR和ACLR。為了滿足發(fā)射要求,通常要求DAC的SFDR大約為-75dBFS,如圖4所示,對(duì)于現(xiàn)有這一代DAC都不成問(wèn)題。

          圖4  現(xiàn)有DAC SFDR遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了典型的-75dBFS的發(fā)射要求

          另一方面,噪聲性能可能存在問(wèn)題。因?yàn)镾DR應(yīng)用本質(zhì)上是寬帶應(yīng)用,功率放大器的輸出也是寬帶的。系統(tǒng)中產(chǎn)生的任何噪聲都將被放大并呈現(xiàn)在輸出上。在DAC中的過(guò)度噪聲可能被送到天線,然后,以過(guò)量RF噪聲的形式發(fā)送出去。因此,系統(tǒng)噪聲(包括DAC的噪聲)必須被最小化。目前,最先進(jìn)的調(diào)制器(用于直接發(fā)射)具有大約-156 dBm或更好的輸出噪聲密度;理想情況下,DAC應(yīng)該在這個(gè)電平之上或以下,以防整個(gè)系統(tǒng)的噪聲大幅度增加。從圖5可見(jiàn),DAC的噪聲顯然低于調(diào)制器和混頻器的噪聲。以現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)而言,DAC對(duì)發(fā)展SDR系統(tǒng)的制約作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ADC。

          圖5 DAC噪聲普密度逐年改進(jìn)的情況

          提高集成度以改進(jìn)可用性

          除了上述改進(jìn)之外,其它的因素不僅僅增強(qiáng)了性能,而且改進(jìn)了可用性。集成度就是增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品性能的一個(gè)重要因素。近年來(lái),許多數(shù)字功能已經(jīng)被添加到ADC和DAC之中,常見(jiàn)的有數(shù)字濾波器、轉(zhuǎn)發(fā)器(interpolator)、降頻器(decimator)、數(shù)控振蕩器(NCO)以及其它有助于接收和發(fā)送工作的功能。

          ADC片上降頻器和DAC片上轉(zhuǎn)發(fā)器的好處在于,可以極大地降低外部接口的速度,這允許采用速度較低的邏輯電路,并降低開(kāi)關(guān)速度的要求,從而進(jìn)一步降低整體噪聲和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的雜散信號(hào),最終提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

          盡管存在各種瓶頸,現(xiàn)有的曲線表明轉(zhuǎn)換器的性能在穩(wěn)步提高之中。隨著這些轉(zhuǎn)換器集成度的提高,不僅僅能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),而且系統(tǒng)的性能也將得到提高,下一代的轉(zhuǎn)換器必將進(jìn)一步彌合性能和功能上的鴻溝,最終把軟件無(wú)線電技術(shù)推向普及應(yīng)用。

          結(jié)語(yǔ)

          作為SDR系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件,ADC和DAC器件的性能將繼續(xù)演變,它們對(duì)簡(jiǎn)化無(wú)線電系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的作用。

          從圖6的無(wú)線電頻譜可見(jiàn),除了 “甜蜜區(qū)”之外,隨著半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展,SDR技術(shù)將在更寬的頻譜范圍內(nèi)獲得推廣應(yīng)用,并出現(xiàn)各種應(yīng)用軟件和頻譜使用方案。軟件無(wú)線電技術(shù)將使未來(lái)的無(wú)線電產(chǎn)品具有可重配置性和滿足多標(biāo)準(zhǔn)要求,因此,代表著未來(lái)無(wú)線技術(shù)發(fā)展的方向。對(duì)于中國(guó)無(wú)線電系統(tǒng)工程師來(lái)說(shuō),掌握最新的ADC和DAC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),有助于推進(jìn)軟件無(wú)線電技術(shù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用!

          圖6 無(wú)線電頻譜中的“甜蜜點(diǎn)”

          參考文獻(xiàn):
          1. iSuppli市場(chǎng)觀察第65期,軟件無(wú)線電在移動(dòng)電話中獲得強(qiáng)烈的認(rèn)同, www.isuppli.com
          2. Roadmap of IEEE Wireless Networking Spec Overview and C&I Issues, Terng-Yin Hsu
          3. Converter performance approaches software-defined radio requirements, Brad Brannon, rfdesign.com
          4. 軟件定義無(wú)線電結(jié)構(gòu)的測(cè)試儀器與RF測(cè)量的新熱點(diǎn),李儀,電子產(chǎn)品世界,2007-06-09
          5.A Simple Guide To Radio Spectrum, Nigel Laflin and Bela Dajka

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