通过RF DAC拓宽软件定义的无线电视野

高速数据转换器已在通信应用中使用多年，并且可以在构成我们互联世界基础的许多设备中找到，从蜂窝电话基站到电缆前端设备，再到雷达和专用通信系统。最近的技术进步使高速数据转换器的时钟速率能够向越来越高的频率移动。结合JESD204B高速串行接口，实现输出数据的实际管理和传输，这些更高时钟速率的数据转换器形成了一类新的转换器，称为RF（射频）数据转换器。它们能够直接合成或捕获RF信号，而无需使用模拟无线电链进行传统的上变频或下变频。

本文将重点介绍新的RF数模转换器（RF DAC）系列产品AD9162和AD9164，以及它们拓宽软件定义无线电（SDR）定义的能力。AD9164为RF DAC类带来了新的性能水平，使传统无线电设计比前几代RF级或IF级DAC更高效。AD9164集世界最佳性能和丰富的功能集于一身，是将无线电环境从一个系统切换到另一个系统的自然选择，离真正的软件定义无线电更近一步。

介绍

传统的无线电设备将高速数据转换器与正交调制器结合使用，作为有线或无线通信链路的一些主要构建模块。经典的外差、超外差和直接变频架构共同需要发射器和接收器中的数据转换器跨越从数字处理到真实模拟信号的边界，然后再返回。除了滤波器技术和功率放大器技术外，数据转换器技术的改进也为无线电设计的进步奠定了基础。

使用一组基带高速DAC实现的经典无线电发射器如图1所示。数字基带数据通过两个同步高速数据转换器发送，同相数据通过I DAC，正交数据通过Q DAC。DAC的输出被发送到正交调制器。根据调制器的类型，其输出可以是低中频，例如200 MHz至400 MHz，较高的IF频率，例如500 MHz至1 GHz，甚至是1 GHz至5 GHz范围内的RF频率。该图显示了随后的上变频到最终的最终频率。产生的信号用带通滤波器滤波，然后通过功率放大器和另一个带通滤波器发送，例如，带通滤波器可能是双工器的一部分。

图1.使用高速数据转换器的经典超外差发射器图示。

使用这种架构传输的瞬时带宽通常为几十到几百MHz，主要受转换器、功率放大器和滤波器带宽的限制。这对于某些系统来说是不够的，例如需要 500 MHz、1 GHz 甚至 2 GHz 无线电信道的新 E 波段微波回程无线电。如果考虑多频段无线电，例如可能在无线基础设施基站中实现，则可能需要同样宽的500 MHz或700 MHz甚至1 GHz的间隔来覆盖某些频段组合。传统的无线电将通过实现两个无线电来解决这个问题，每个频段一个。将无线电组合成一个无线电链可能更可取，无论是出于成本还是尺寸或其他因素。在这种情况下，需要一种新的方法。

使能技术

长期以来，高速数据转换器技术开发的重点是提高数据转换速率，同时保持一致的性能品质因数。品质因数包括噪声频谱密度（NSD）和无杂散动态范围（SFDR）等项目。互调失真（IMD）也很重要，无论是单音信号还是调制信号，例如GSM和3G（WCDMA）和4G（OFDM）等流行无线通信系统，以及使用256 QAM的电缆应用中的信号。

更高的数据转换速率为无线电设计人员带来了几个优势。首先，信号图像的频率被推高，使模拟重建滤波器的设计更简单、更易于实现。此外，更高的更新速率会产生更宽的第一奈奎斯特区，从而使转换器能够直接合成更高的输出频率。当直接合成的信号足够高时，可以从无线电中移除整个模拟频率转换或上变频阶段，从而简化频率规划并降低无线电的功耗和尺寸。更高的更新速率也增加了可用于传播数据转换器量化噪声的带宽量，从而为发射器的噪声频谱密度提供处理增益。

随着CMOS工艺技术的进步，在数据转换器中添加信号处理已变得司空见惯。DAC中新增的NCO和插值器功能集减轻了FPGA或ASIC实现这些功能的负担和功耗，并使DAC能够以比其他方式更低的数据传输速率运行。较低的数据速率降低了系统的总体功耗，在某些情况下，使结构速度可能高达300 MHz至400 MHz的数字芯片能够与转换器保持同步。在芯片上安装NCO可以在数字域中实现无线电中的第一次频率转换，因此在当今的无线电中，通常可以找到数百MHz的中频，由数据转换器上的NCO和插值器实现。

信号处理射频数字转换器

RF数据转换器的变化是RF转换器能够运行的最终更新速率，以及信号处理的添加也能够处理这些速度。这种功能集和速度的强大组合可以极大地改变无线电架构设计，并为可重新配置和软件定义的无线电开辟新的可能性。

图2.AD9162和AD9164系列RF DAC的框图

AD9162和AD9164系列RF DAC就是一个很好的例子。AD9162和AD9164的框图如图2所示。AD9162是一款16位、6 GSPS RF DAC，具有多种插值选项，从1×旁路模式到24×插值模式。插值器在经典的 80% 带宽或更宽的 90% 带宽下工作，以略高的功率提供更大的瞬时信号带宽。数据路径还具有最终的半带插值器FIR85，如图2中NCO之前的“HB 2×”模块所示，可有效地将DAC更新速率提高一倍，达到12 GSPS，从而将图像移得更远，并放宽滤波要求。可选的FIR85后跟一个48位数控振荡器（NCO），当启用FIR85时，该振荡器以6 GSPS更新速率或12 GSPS更新速率运行。NCO之后是一个x/sinx补偿滤波器，它通过预先加重DAC内核的输入来校正DAC的sinx/x滚降。

DAC内核采用ADI公司获得专利的四通道开关架构设计1，提供卓越的无杂散动态范围 （SFDR） 和噪声频谱密度 （NSD），从而获得业界最佳的动态范围，同时还提供四路开关支持的熟悉的 DAC 解码器选项：不归零 （NRZ） 模式、归零 （RZ） 模式和混合模式™.FIR85为DAC解码器增加了一项称为2xNRZ模式的新功能，稍后将对此进行更详细的描述。

AD9164具有AD9162的基本特性，并以快速跳频（FFH）NCO引擎的形式增加了直接数字频率合成（DDS）功能。FFH NCO 具有多项独特的功能，使其对高速测试仪器、本振更换、安全无线电通信和雷达激励器等市场极具吸引力。FFH NCO 引擎由 32 个 32 位 NCO 实现，每个 NCO 都有自己的相位累加器和一个支持快速跳频的选择块。

AD9162具有两种针对特定市场的衍生产品。AD9161是一款11位、6 GSPS RF DAC，具有最小2×插值。AD9161 的 SFDR 和 NSD 适用于电缆头端和远程 PHY 应用，符合 DOCSIS 3.0 规范。信号带宽和动态范围降低，无需获得AD9161的出口许可证。AD9163是一款16位、6 GSPS RF DAC，具有最小6×插值，保留主产品AD9162的全动态范围。该器件的全动态范围及其 1 GHz 的宽瞬时带宽以及全范围 NCO，使该器件适用于单频段或双频段无线基础设施基站以及传统频段的点对点微波系统，同时还具有无需出口许可证的优势。表 1 总结了产品系列和主要特性。

表 1.AD9162和AD9164系列6 GSPS RF DAC特性和目标市场摘要

部分#	# 位	最小插曲。	FFH？	目标市场	笔记
AD9161	11	2×	N	电缆	面向有线电视客户的 11 位版本
AD9162	16	1×	N	电缆、WIFR、仪器仪表	适用于全球电缆、WIFR、仪器仪表市场的全性能 DAC
AD9163	16	6×	N	威弗尔	1 GHz 带宽版本，适用于 WIFR 客户或非全频带电缆客户（如 MDU）
AD9164	16	1×	Y	仪器仪表、军事、电缆、WIFR	全性能DAC和DDS，适用于仪器仪表，军事，电缆，WIFR，市场;具有相位相干快速跳频

数字数据路径亮点

数据通过8通道、12.5 Gbps JESD204B接口传递到AD9162和AD9164。这种高速串行接口减少了将数字基带器件连接到DAC所需的导线数量，从而简化了电路板布局的复杂性。数据手册中提供了接口操作的详细指南，ADI公司网站上提供了JESD204B接口的综合指南。

AD9162和AD9164数据路径中的第一个插值器是2×半带或3×第三频段滤波器。这些滤波器中的任何一个都具有可选的 80% 或 90% 信号带宽。两个滤波器都具有85 dB或更高的阻带抑制。90%滤波器具有更尖锐的截止特性，因此抽头次数更多，因此以更高的功率工作。其余2×半带滤波器均以90%带宽工作，以适应第一个插值器中的任何一个。FIR85 还以 90% 的带宽运行。由于所有后续滤波器都在插值线的更下方，因此它们可以在90%带宽下工作，而功耗增加几乎不被注意。

FIR85在启用时实现2xNRZ模式，其实现方式与其他插值器滤波器不同。它利用DAC的四通道开关架构，并使用DAC时钟的上升沿和下降沿对数据进行采样。这种采样方法在时钟的每个边沿对新数据进行采样，因此它可以将DAC的采样速率提高一倍，达到12 GSPS。这会将信号的图像推送到 2xf代数转换器– f外从 F代数转换器– f外，从而更容易使用可实现的模拟滤波器过滤图像。这种采样和插值方法使DAC输出对时钟平衡更加敏感，但DAC时钟输入需要调整，以调谐以获得更好的性能。这些调整是通过串行外设接口（SPI）对寄存器进行编程来实现的。数据手册中给出了详细信息。

48位NCO是一款全正交NCO，可实现输入数据信号的无图像频移或单个音调的直接数字合成。NCO 有两种可选工作模式，相位连续或相位不连续频率切换。在相位连续开关中，频率调谐字（FTW）更新，但相位累加器未复位，从而导致频率连续相位变化。在相位不连续模式下，当FTW更新时，相位累加器将复位。串行外设接口 （SPI） 保证为 100 MHz，以实现 FTW 的快速更新。

AD9164为NCO增加了一个重要特性——快速跳频NCO（FFH NCO）。FFH NCO 通过额外的 31 个 32 位 NCO 实现，每个 NCO 都有自己的相位累加器。每个 NCO 都有自己的 FTW，因此可以在设备中总共编程 32 个 NCO FTW。提供FTW选择寄存器，以便单个SPI寄存器字节写入可以完成跳到新频率，精度为32位。使用100 MHz SPI，这意味着可以在240 ns内选择新的FTW，单字节写入。

FFH NCO具有额外的相位相干跳频模式，使其对仪器仪表和军事应用具有吸引力。相位相干跳频对于测试应用以及需要跟踪激励器信号相位以供以后使用的雷达应用非常重要。相位相干跳频可以从一个频率更改为另一个频率，然后再回到原始频率，而不会丢失对原始频率相位累积的跟踪。换句话说，它可以从一个频率更改为另一个频率，然后再返回，并且看起来好像频率从未改变过。

应用和测量性能

AD9162和AD9164的信号处理特性和高采样速率简化了图1所示的无线电架构。更新后的绘图如图 3 所示。由于RF数据转换器可以直接合成所需输出频率的信号，因此不再需要正交调制器或上变频混频器。信号在数字处理器中创建，然后简单地从RF数据转换器播放。因此，实现变送器所需的硬件数量大大减少。此外，无线电更易于实现，无需校准正交调制器的LO和DAC输入来抑制LO泄漏和不需要的镜像，因为调制器在RF数据转换器内以数字方式实现。

图3.使用RF数据转换器实现的无线电发射器架构。

这种类型的架构仅使用模拟低通滤波器来滤除数据转换器的图像，为可重新配置或软件定义的无线电开辟了可能性。可以使用相同的数字部分、RF数据转换器和重建低通滤波器，只需更改功率放大器和带通滤波器，即可实现许多不同的无线电。图 4 显示了一个无线基站双频发射器输出示例，该输出由 1800 MHz 的 5 MHz WCDMA 载波和 2100 MHz 的 3 个 5 MHz WCDMA 载波组成。 图 5 显示了 DOCSIS 3.1 的 50 MHz 至 1.2 GHz 频谱中兼容的电缆头端发射器输出示例，该输出为 194 个 6 MHz 宽 256 QAM 载波。图6显示了一个260 ns的快速跳频停留时间示例，寄存器编程（单字节写入）为240 ns，跳频时间为20 ns。图7显示了AD9164出色的相位噪声性能，当采用4 GHz恒温晶体振荡器并合成3.9 GHz正弦波时，在10 kHz失调时具有优于–125 dBc/Hz的性能。

图4.1.8 GHz 和 2.1 GHz 频段的双频 WCDMA 信号。

图5.DOCSIS 3.1 频段（50 MHz 至 1.2 GHz）中的 194 个 6 MHz 256 QAM 信号。

图6.AD9164的快速跳频性能— 每跳260 ns停留时间。

图7.AD9164的总相位噪声性能DAC 时钟信号源：偏移高达 600 kHz 的 4 GHz 恒温晶体振荡器，然后偏移超过 600 kHz 的信号发生器。

结论

RF数据转换器可以简化无线电架构设计，并通过消除无线电信号链中的许多组件来减小其尺寸。AD9162和AD9164将一系列令人兴奋的特性和出色的RF性能结合到RF数据转换器中，能够满足各种无线电发射器应用的需求，表明真正的软件定义无线电比以往任何时候都更接近现实。

审核编辑：郭婷