射频转换器：一种支持宽带无线电的技术

作者：Daniel E. Fague and Steven Rose

可以直接合成射频范围内信号的转换器（RF转换器）已经成熟到可以改变传统无线电设计的地步。凭借数字化和合成高达 2 GHz 或 3 GHz 的瞬时信号带宽的能力，RF 转换器现在可以兑现真正宽带无线电的承诺，使无线电设计人员能够大幅减少创建无线电所需的硬件数量，并通过软件实现新水平的可重构性，这是传统无线电设计根本无法实现的。本文探讨了RF转换器技术的进步，使这种新型数据采集系统和宽带无线电成为可能，并讨论了软件可配置性创造的可能性。

介绍

每个无线电设计人员面临的一个设计约束是，在设计尽可能高质量的信号带宽与无线电功耗之间进行权衡。无线电设计人员如何满足此约束决定了无线电的大小和重量，并从根本上影响无线电的位置，包括建筑物、塔楼、电线杆、地下车辆、背包、口袋、耳朵或眼镜。每个无线电位置都有与其位置相称的可用功率量。例如，建筑物或塔楼可能比口袋里的智能手机或耳朵里的蓝牙耳机有更多的电力。在所有情况下，都存在一个基本事实：无线电消耗的功率越少，每单位功率能够提供的吞吐量就越大，无线电就会越小越轻。这产生了巨大的影响，并且多年来一直是通信电子行业许多创新背后的驱动力。

随着半导体公司将更多功能和更高性能集成到相同或更小尺寸的组件中，使用它们的设备已经能够兑现更小、功能更强大、更轻或在某些情况下三者兼而有之的承诺。更小、更轻、功能更好的设备可以放置在以前由于其他一些限制而禁止的位置，例如当单元可以上塔时减少建筑物所需的空间量，如果单元的重量足够低，则可以减小到杆单元的塔式无线电单元的大小， 或者由于其重量而需要用车辆运输的单元现在可以打包携带。

当今的环境充满了需要建筑物、塔楼、电线杆和车辆的传统装置。在将世界上的人们相互连接的需求的驱动下，工程师通过设计具有当时可用组件的设备来应对这一挑战，并为我们提供了我们今天拥有的通信丰富的环境;我们可以在几个不同的网络之一上进行交谈、文本、即时消息、拍照、下载、上传和浏览几乎任何我们希望的地方，包括移动网络无线局域网、临时短程无线网络等。它们都连接到宽带有线网络，数据通过射频电缆传输，最终通过光纤传输。

增强的视频体验

正如一些研究表明的那样，1, 2预计未来十年，对数据的需求将继续增长。这是由对需要更宽带宽的更丰富数据内容的看似永不满足的需求推动的。例如，有线电视和光纤到户运营商通过提供更高速的连接和更多的高清电视频道，继续在家庭宽带服务方面竞争。向超高清（UHD或4k清晰度）电视的转变需要两倍于高清电视的容量，并且需要比目前使用的更宽的频道带宽。

此外，沉浸式视频，包括虚拟现实（VR），以及游戏和3D效果，如180°或多维自由的全景观看，所有这些都使用4k UHD电视，每个用户将需要高达1千兆位的带宽。2这远远超出了简单的4k UHD电视广播和流媒体已经苛刻的需求。在线游戏需要网络中的对称数据带宽，因为延迟时间至关重要，这推动了更宽带宽的上游传输能力的发展。这种对更宽上行能力的需求反过来又促使设备制造商升级其设计，以实现对称、宽带宽传输。

当今RF转换器的增强功能对于实现此类丰富视频内容的交付至关重要。它们必须能够创建具有出色无杂散性能的高动态范围信号，以便能够使用256-QAM、1024-QAM和4k-QAM等高阶调制方案。需要这些高阶调制方法来提高每个通道的频谱效率，因为安装的同轴电缆设备和分配放大器具有1.2 GHz至1.7 GHz的有限带宽。 前端传输设备的更高性能延长了已安装设备基础的使用寿命，缓解了资本预算限制，并允许多个服务运营商（MSO）有更长的时间窗口来升级其设备和传输系统。

多频段、多模测试

今天的智能手机与传统手机更不像，因为其中包含了更多的功能。其中许多功能都有与之相关的无线电，因此，今天的移动设备中有超过五七个或更多的无线电。这些无线电中的每一个都必须在智能手机生产时进行测试，这给多模通信测试仪制造商带来了新的挑战。尽管测试数量随着无线电数量的增加而增加，但需要速度来降低测试成本。在移动设备中为每个无线电构建不同的无线电硬件在测试仪的尺寸和成本方面变得不切实际。随着更多频段的开放或提议用于移动服务，3在移动设备中测试越来越多的无线电的挑战越来越大。

RF转换器可以很好地解决这一挑战。在发射器和接收器中，RF转换器可以提供传统无线电无法实现的灵活性。宽带RF转换器能够同时捕获和直接合成每个频段的信号，从而可以在移动设备中同时测试多个无线电。由于RF DAC和RF ADC内置了通道选择器，这些多个无线电信号在转换器中得到高效处理。例如，在图2中，每个RF DAC显示3个通道选择器，使三个不同的信号和频段能够直接合成、组合，然后通过数控振荡器（NCO）进行数字上变频，然后再由RF DAC转换为RF信号。

在航空航天和国防测试设备等其他细分市场中，对脉冲雷达和军事通信宽带测试解决方案的需求正在增加。由于需要测试的雷达、电子情报、电子战设备和通信设备的数量和类型，测试设备制造商必须创建具有丰富功能集的灵活仪器。4例如，任意波形发生器必须能够产生各种信号，包括线性频率调制、脉冲信号、相位相干信号以及跨宽输出频率和带宽范围的调制信号。测量设备必须具有相同的能力，以便在测试激励器或变送器时接收此类信号。RF转换器支持RF频率的直接RF合成和测量，从而很好地服务于此应用。在某些情况下，这可以消除向上或向下转换的需要，而在其他情况下，可以减少单次转换所需的数量。这简化了硬件，从而可以减小其尺寸、重量和功率要求。通过增加通道选择器、插值器、NCO和合路器等数字功能，可在专用的低功耗CMOS技术上实现高效的信号处理。

图2.带通道器的RF DAC示例。

软件定义无线电

RF转换器可以成为软件定义无线电的关键推动因素。RF转换器能够直接合成和捕获多GHz范围内的无线电频率，通过消除整个上变频或下变频级，而是以数字方式实现它们，从而简化了无线电架构。去掉模拟转换级以及相关的混频器、LO频率合成器和滤波器，减小了无线电的尺寸、重量和功耗（SWaP），使无线电能够位于更多位置，并采用更小的电源供电。这种技术使无线电可以小巧轻便，可以手提，在小型地面车辆中驱动，或安装在飞机，直升机和无人机（UAV）等各种机载资产中。

除了实现更好的跨平台通信外，使用RF转换器构建的无线电硬件还具有多功能以及多模和多频段的潜力。由于RF转换器现在能够到达较低的雷达频段，并且在不久的将来将达到较高的频段，因此可以同时用作雷达和战术通信链路的单个单元的概念可以成为现实。这种单位在现场维修、升级以及采购程序和成本方面具有明显的杠杆作用。

直接合成和捕获雷达频率的能力使RF转换器成为相控阵雷达系统的理想选择。由于直接RF转换器合成和捕获消除了许多传统的无线电硬件，因此单个信号链更小、更轻。因此，可以将许多这些无线电封装到较小的空间中。适用于舰载或陆基相控阵的阵列，以及用于信号情报操作的较小阵列和单元，都可以使用较小的SWaP构建。

射频转换器背后的技术

使RF转换器成为可能的关键技术进步之一是不断向更精细的CMOS工艺迈进。随着基本CMOS晶体管的栅极长度和特征尺寸变小，数字栅极变得更快、更小、更低功耗。6这允许在RF转换器的芯片上以合理的功率和面积进行重要的数字信号处理。包含软件可编程的数字通道选择器、调制器和滤波器对于构建高效灵活的无线电至关重要。这种更高效的DSP也为使用数字处理来帮助纠正转换器中的模拟缺陷打开了大门。在模拟方面，每个新节点都提供更快的晶体管，每单位面积具有更好的匹配。这些改进对于更快的高精度转换器至关重要。

仅靠工艺技术进步是不够的，还有一些关键的架构进步使这些转换器成为可能。RF DAC的首选架构是电流转向DAC架构。这种类型的DAC的性能取决于组成DAC的电流源的匹配。未校准的电流源匹配与电流源面积的平方根成正比。7单位面积的匹配将随着每个技术节点的提高而提高。然而，即使在最先进的节点中，对于高分辨率转换器来说，具有足够低的随机失配的电流源也会非常大。拥有如此大的电流源会使转换器变大，更关键的是，这种大电流源的寄生电容会降低DAC的高频性能。一个更具吸引力的解决方案是校准较小的电流源，以实现所需的匹配水平。这可以显著减少来自电流源的寄生虫，从而在不影响高频性能的情况下实现所需的线性度性能。如果操作正确，该校准可以在整个温度范围内非常稳定，并且允许进行一次校准。稳定的一次性校准意味着校准不需要在后台定期运行，从而节省工作功耗，并减轻由于校准在后台运行而产生虚假产品的担忧。8

另一种有助于在极高速度下满足所需转换器性能指标的架构选择是用于控制DAC电流的开关架构选择。传统的双开关结构（图 4）在高速运行时有几个缺点。9, 10由于驱动到双开关中的数据可以在一到多个时钟周期的任何地方保持不变，因此尾节点将有一个数据相关的时间来建立。如果时钟速率足够慢，以至于该节点在一个时钟周期内建立，则这不是问题。然而，在非常高的速率下，该节点不会在一个时钟周期内完全建立，因此与数据相关的建立时间将导致DAC输出失真。如果使用四路开关（图5），则数据信号全部归零。这导致尾节点电压与数据输入无关，从而缓解了上述问题。四通道开关还允许在时钟的两个边沿更新DAC数据。此功能可用于有效地使DAC采样速率加倍，而不会使时钟频率加倍。11

图4.双开关DAC单元示例。

图5.四路开关DAC单元示例。

使用精心设计的电流源校准算法和四开关电流转向单元，结合当今的精细CMOS工艺，可以设计出能够以非常高速率采样并具有出色动态范围的DAC。这允许在很宽的频率范围内合成高质量信号。当这种宽带DAC与支持DSP相结合时，它就变成了一个非常灵活的高性能无线电发射器，可以配置为为本文前面提到的所有不同应用提供信号。

未来无线电

虽然当今的RF转换器已经使无线电架构设计发生了根本性的变化，但它们有望在未来实现更大的变化。随着工艺技术的不断进步和RF转换器设计的进一步优化，RF转换器对功耗和无线电尺寸的影响将继续缩小。这些合适的技术进步恰逢其时，使下一代无线电成为可能，例如大规模MIMO等新兴的5G无线基站应用，以及大规模相控阵雷达和波束成形应用。深亚微米光刻技术将使更多的数字电路放置在RF转换器芯片上，集成关键的计算密集型功能，如数字预失真（DPD）13波峰因数降低 （CFR） 算法有助于提高功率放大器效率并显著降低整体系统功耗。这种集成将减轻高功耗FPGA逻辑的压力，并将这些功能转移到功耗吝啬的专用逻辑中。其他可能性包括将RF转换器及其数字引擎与RF、微波或毫米波模拟组件集成，进一步减小尺寸并进一步简化无线电设计，并提供比特到天线的系统级无线电设计方法。对于RF转换器，存在广泛的机会。射频转换器是领先于一切可能的技术™.

审核编辑：郭婷