如何使用高速数据转换器实现灵活的射频采样架构

How high-speed data converters enable flexible RF sampling architectures

Marc Stackler, Teledyne e2v半导体亚太区产品应用工程师

多年来，数字收发机被应用在多种类型的应用中，包括地面蜂窝网络、卫星通信和基于雷达的监视、地球观测和监控。它们的性能直接影响新的5G移动网络的效率和系统成本。

过去，收发机的系统工程师在这些应用中使用中频架构。现在，高速数据转换器的最新发展，使新型基于射频采样的架构成为可能。和过去的方案相比，它在系统层面有很多优势。

这些优势不仅包括"SWAP-C"——减少尺寸、重量、功耗和成本，还包括缩短投向市场的时间，以及软件定义无线电(SDR)和软件定义南宫在线官方网 (SDM)带来的灵活性。这使工程师可以在不同的应用中使用相同的支持多种配置和需求的硬件系统。

在讨论最新一代的高速数据转换器如何实现这些优势之前，让我们先看一看两种不同的收发机系统的架构。

中频架构

中频架构需增加特定的射频硬件，通过一个或多个中频环节产生射频频率。这些环节被称为发射(TX)端的上变频器（其作用是把低频转变为高频）和接收(RX)端的下变频器（其作用是把高频转变为低频）。图1展示了两级频率转换的架构。

上变频器环节包括一个混频器，其频率由本地振荡器(LO)提供，用来完成频率转换。接下来是滤波器环节，用来移除混频或放大带来的镜像。图2展示了这个两级频率转换的例子中的连续转换的环节。必须仔细处理频率镜像，以免产生由混叠和畸变引起的性能下降。这里我们不详细讨论。

图1. 两级频率转换的中频架构的TX和RX端

图2. 两级频率转换的环节

在发射端，第一级上变频器把基带或第一奈奎斯特域的信号转变成中频(IF1)，第二级上变频器把IF1信号转变为射频信号。在接收端的过程正好相反（射频信号转变为IF1，然后IF1信号转变为基带或第一奈奎斯特域的信号），然后ADC把模拟信号转变为数字信号，用于解调的数字处理。不同的应用，频率转换器的数量和中频的值是不同的，发射端和接收端的实现也不一定相同。

中频架构是在“一战”时发明的，从那时起就被广泛应用，主要原因是它曾经是唯一的一种数字处理射频信号的解决方案。如今，这种方案最主要的优势是能提供高频射频信号和仅支持基带频率转换的数据转换器的接口。

由于多年来数据转换器只能处理低频和数字域的数据转换，人们只能使用特定的模拟方案处理射频频谱，并进行数字化处理。这一方案的主要弊端在于增加了射频硬件的数量，使SWAP-C和性能下降。另一个弊端是缺少灵活度，因为中频已经被LO频率和数据转换器的输入/输出频率决定了。如果不和另一种架构比较，这一弊端很难被发现。

射频采样架构

射频采样架构直接把射频频率转变到数字域，不需要任何的上变频器和下变频器，其使用宽带数据转换器恢复射频信号（如图3所示）。

图 3. 射频采样架构系统的TX和RX端

射频采样架构需要能直接在高奈奎斯特域完成信号转换的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。奈奎斯特域是一个由香农-奈奎斯特采样定理定义的宽度等于数据转换器采样率一半的频带，可表示为[𝑘𝐹𝑠/2; (𝑘+1)𝐹𝑠/2]，这里k是整数。图4表示信号如何在第四奈奎斯特域直接采样。

图4. 第四奈奎斯特域的射频采样

射频采样是使模拟域处理工作量达到最小的关键。把越多的处理工作放在数字域，系统的灵活度就越高——能够在多个平台重用硬件，减少投向市场的时间和认证的成本，降低风险。

除了能提高灵活度，射频采样架构还能通过移除模拟频率转换器来降低成本和功耗。经过几十年的发展，现在，系统工程师们有充分的理由采用射频采样架构。

迄今为止，采用射频采样架构的应用的瓶颈在于数据转换器的能力。现在的高速数据转换器完全可以满足高达C波段甚至X波段射频采样架构的需求，但是在更高的波段（比如K波段、E波段、V波段这些未来5G回程系统需使用的波段）的性能并不够。

表1给出了中频采样和射频采样的高级别的比较。射频采样的优势很大，但是也带来了新的挑战和要求，尤其是对于数据转换器。

表1. 中频和射频采样的高级别比较

数据转换器的作用

今天的收发机的性能通常受限于数据转换器，它在数字域和模拟域的接口上扮演着关键角色。无论选择哪种架构，都需考虑ADC和DAC的性能和规格要求。但是，射频采样架构需要额外关注某些特定的关键指标，包括数据转换器的模拟带宽和DAC的输出模式。

在解释为什么这些参数对于这种架构非常重要的原因，以及它们如何影响系统性能之前，我们有必要回顾一下香农-奈奎斯特采样定理是如何从理论上定义这种实现方案的。

香农-奈奎斯特采样定理说，当采样率至少是被采样信号的总带宽的两倍时(即𝐹𝑠≥2𝐵，这里𝐵=(𝑓𝑚𝑎𝑥−𝑓𝑚𝑖𝑛))，被采样信号能够被重建。这条定理通常被阐述成第一奈奎斯特域的版本，即𝐹𝑠≥2𝑓𝑚𝑎𝑥。这对基带系统是足够的，但为了达到高奈奎斯特域的射频采样，必须理解完整版的定理。混叠效应会使得每个奇数的奈奎斯特域产生相同信息的信号，每个偶数的奈奎斯特域产生相反信息的信号，如图5所示。通过在感兴趣的奈奎斯特域进行抗混叠滤波，射频采样能关注包含有用信息的单个信号。

图5. 混叠原理

射频采样需考虑的第一个额外的指标是ADC和DAC的模拟带宽。器件的带宽会产生和低通滤波器类似的影响，从而限制能在指定精度有效转换的信号频率。图6表示一个简单的例子，这里在第二奈奎斯特域之后，信号由于带宽的限制产生了很大的衰减。

图6. ADC/DAC的模拟带宽对射频采样能力的影响实例

另外，还需考虑模拟前端的总带宽。ADC和DAC模拟前端的放大器和滤波器会影响能够被收发机还原的总带宽。

带宽并不是影响直接射频采样性能的唯一参数。由于数据转换器的工艺和架构不同，性能会有很大的差异。例如，某些ADC和DAC使用CMOS工艺，带宽超过6GHz，但是从3-5GHz的信号开始，性能就有明显的降低。这是采用双极型工艺和BiCMOS工艺制造ADC和DAC的主要原因之一，因为这些工艺可以保证即使在转换频率高于转换器带宽的情况下也能得到良好的性能。

当然，在高频输出时，带宽对产生的输出功率有很大的影响，从而限制系统的性能。但是，对于不需要非常高的输出功率的应用，可以使用能够产生高于标称模拟带宽的高频信号的器件进行射频采样。当为射频采样选择数据转换器时，既要考虑带宽，也要考虑高频的性能。

另一个影响射频采样性能的DAC的参数是输出模式，更准确的说，是对其产生的输出功率的影响。DAC可以以不同的输出模式产生输出信号。比如，最新一代的DAC提供四种不同的输出模式：

·         非归零模式 (NRZ) – 最常见的输出模式，在全采样周期输出采样值

·         归零模式 (RTZ) – 这种输出模式也很常见，在半个采样周期输出采样值，另外半个周期输出0

·         窄归零模式(NRTZ) – 这种输出模式提供了NRZ模式和RTZ模式之间的灵活的解决方案，在采样周期的某一段(X)输出采样值，前后的部分(1-X)/2输出0

·         射频模式 (射频) – 这种输出模式主要面向射频采样，在半个采样周期输出采样值，另外半个周期输出相反的值

从这些模式的频率响应中能更容易理解输出模式对输出功率的影响。应该根据感兴趣的奈奎斯特域选择合适的模式，使输出功率达到最大。这就是说，要基于采样率和产生的射频频率选择模式。例如，采样率是6Gsps，输出频率在C波段（4-8GHz），在第二或第三奈奎斯特域，射频模式的输出功率最大，对输出功率只有5dB的影响。

输出模式的频率响应取决于采样率。工作在12Gsps采样率、输出频率为C波段的DAC最多在第二奈奎斯特域，这时NRZ模式是最适合的。

对于应用在射频采样中的数据转换器，除了常规的要求外，它们必须能在目标射频频率上达到足够的输出功率和性能指标，包括模拟带宽、动态性能和输出模式（只适用于DAC）。一旦选择了合适的数据转换器，就可在系统中应用射频采样架构。

使用最新ADC的架构对比

为了突出射频采样和中频架构相比的优势，Teledyne e2v最新一代的ADC可采用三种不同的配置：两级中频架构、单级中频架构和射频采样架构。

表2展示了三种不同配置的功耗和噪声。可以看出，移除每个下变频器环节都能显著降低系统的功耗，从双下变频器到射频采样架构降低了约25%。同时，噪声性能并没有变化。这是因为如果第一级的放大器能提供足够的增益，噪声性能通常由第一级的放大器决定。

表 2. 使用最新一代ADC的中频和射频采样架构的性能对比

虽然不同形式的中频架构的历史悠久，但是如今数据转换器的发展使这种架构越来越不适合射频应用。射频采样架构有明显的SWAP-C优势，并随着新一代的高速、高带宽数据转换器的发展而发展。数据转换器技术的进步将带来更高的性能，支持更高频率的直接射频采样。