【導讀】能夠直接合成無線電頻率範圍內信號的轉換器（RF轉換器）已經成熟，常規無線電設計將因此發生變革。由於能夠數字化並合成高達2 GHz到3 GHz的瞬時信號帶寬，RF轉zhuan換huan器qi現xian在zai可ke以yi兌dui現xian提ti供gong真zhen正zheng寬kuan帶dai無wu線xian電dian的de承cheng諾nuo
，無wu線xian電dian設she計ji人ren員yuan得de以yi大da幅fu簡jian化hua硬ying件jian設she計ji，並bing很hen好hao的de支zhi持chi軟ruan件jian可ke重zhong複fu配pei置zhi的de能neng力li
，這zhe對dui於yu常chang規gui無wu線xian電dian設she計ji來lai說shuo是shi不bu可ke能neng實shi現xian的de。本ben文wen探tan討tao了leRF轉換器技術的進步使得這種新型數據采集係統和寬帶無線電成為可能
，並討論了軟件配置的可行性。

簡介

每mei位wei無wu線xian電dian設she計ji人ren員yuan都dou要yao麵mian對dui這zhe樣yang一yi個ge設she計ji取qu舍she的de問wen題ti，即ji需xu要yao權quan衡heng信xin號hao帶dai寬kuan內nei的de性xing能neng與yu功gong耗hao。無wu線xian電dian設she計ji人ren員yuan如ru何he滿man足zu這zhe一yi約yue束shu決jue定ding了le無wu線xian電dian的de尺chi寸cun和he重zhong量liang，並bing從cong根gen本ben上shang影ying響xiang無wu線xian電dian的de位wei置zhi，包bao括kuo建jian築zhu物wu、塔樓、電線杆、地下車輛
、包裹、口袋
、耳(er)朵(duo)或(huo)眼(yan)鏡(jing)。每(mei)個(ge)無(wu)線(xian)電(dian)位(wei)置(zhi)都(dou)有(you)一(yi)個(ge)與(yu)其(qi)位(wei)置(zhi)相(xiang)稱(cheng)的(de)可(ke)用(yong)功(gong)率(lv)量(liang)。例(li)如(ru)
，建(jian)築(zhu)物(wu)或(huo)塔(ta)樓(lou)上(shang)的(de)可(ke)用(yong)功(gong)率(lv)很(hen)可(ke)能(neng)高(gao)於(yu)口(kou)袋(dai)中(zhong)的(de)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)或(huo)耳(er)內(nei)的(de)藍(lan)牙(ya)耳(er)機(ji)提(ti)供(gong)的(de)功(gong)率(lv)。所(suo)有(you)情(qing)況(kuang)下(xia)都(dou)存(cun)在(zai)一(yi)個(ge)基(ji)本(ben)事(shi)實(shi)：無wu線xian電dian需xu要yao的de功gong率lv越yue小xiao
，並bing且qie單dan位wei功gong率lv所suo能neng支zhi持chi的de吞tun吐tu量liang越yue大da，則ze無wu線xian電dian尺chi寸cun越yue小xiao

，重zhong量liang越yue輕qing。這zhe個ge事shi實shi影ying響xiang巨ju大da
，多duo年nian來lai一yi直zhi是shi通tong信xin電dian子zi行xing業ye中zhong很hen多duo創chuang新xin背bei後hou的de推tui動dong力li。

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，使用此類器件的設備得以實現更小、更多功能或更輕（某些情況下這三者都能得到實現）的承諾。設備越小、越輕、gongnengyueduozeyuehao，zheyangjiukeyibashebeifangzhizaiyiqianyouyuqitayueshuerbunengfangdeweizhi。liru，yuanxianxuyaojianzhuwu，xianzaiyouyuzhandimianjijianxiao，shebeikeyifangzaitaloushang
；原先放在塔樓上的無線電單元，如果 重量足夠輕，就可以縮小成放在電線柱上的單元
；原先因為較重而需要車輛攜帶的單元，現在可以放在一個背包中。

當今的環境充斥著各種需要放在建築物
、塔樓
、柱(zhu)子(zi)和(he)車(che)輛(liang)上(shang)的(de)傳(chuan)統(tong)裝(zhuang)置(zhi)。出(chu)於(yu)世(shi)界(jie)各(ge)地(di)人(ren)們(men)彼(bi)此(ci)互(hu)聯(lian)的(de)需(xu)求(qiu)
，工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)利(li)用(yong)當(dang)時(shi)可(ke)用(yong)的(de)器(qi)件(jian)設(she)計(ji)設(she)備(bei)以(yi)應(ying)對(dui)挑(tiao)戰(zhan)
，這(zhe)才(cai)有(you)了(le)我(wo)們(men)今(jin)天(tian)通(tong)信(xin)無(wu)處(chu)不(bu)在(zai)的(de)環(huan)境(jing)。我(wo)們(men)可(ke)以(yi)隨(sui)時(shi)隨(sui)地(di)通(tong)過(guo)多(duo)種(zhong)不(bu)同(tong)網(wang)絡(luo)（包括移動網絡

、無線局域網、特設短距離無線網絡等）進行通話、發消息、即時通訊
、傳照片

、下載、上傳和瀏覽。所有這些都連接到寬帶有線網絡，數據由RF電纜傳輸，最終通過光纖傳輸。

圖1. RF轉換器支持寬帶無線電提供視頻流和遊戲等需要大量數據的服務

增強的視頻體驗

多項研究表明1,2
，duishujudexuqiuyujihuizaiweilaishinianchixuzengchang。qiqudonglishirenmenduishujugengfengfudeneirongdesihuwuzhijingdexuqiu，yinerxuyaogengkuandedaikuan。liru
，youxiandianshiheguangxiandaohuyunyingshangtongguotigonggenggaosududelianjiehegengduogaoqingdianshipindao，buduanzaijiatingkuandaifuwufangmianzhankaijingzheng。chaogaoqing（UHD或4k清晰度）電視需要的容量是高清電視的兩倍以上，通道帶寬需求超過當今使用的帶寬。

此外
，包括虛擬現實 (VR) 在內的沉浸式視頻，以及具有多維自由度的遊戲和3D效果（180°或全景視覺等），全部使用4k超高清電視，每用戶需要高達1 Gb的帶寬2
，這遠遠超出了簡單的4k UHD電dian視shi廣guang播bo和he流liu媒mei體ti已yi然ran很hen苛ke刻ke的de要yao求qiu。在zai線xian遊you戲xi需xu要yao網wang絡luo提ti供gong對dui稱cheng的de數shu據ju帶dai寬kuan
，因yin為wei延yan遲chi時shi間jian至zhi關guan重zhong要yao
，這zhe推tui動dong了le更geng寬kuan帶dai寬kuan上shang行xing傳chuan輸shu能neng力li的de發fa展zhan。這zhe種zhong對dui更geng寬kuan上shang行xing能neng力li的de需xu求qiu反fan過guo來lai又you促cu使shi設she備bei製zhi造zao商shang升sheng級ji其qi設she計ji，以yi實shi現xian對dui稱cheng的de寬kuan帶dai寬kuan傳chuan輸shu。

當今RF轉(zhuan)換(huan)器(qi)強(qiang)大(da)的(de)功(gong)能(neng)對(dui)於(yu)推(tui)動(dong)傳(chuan)輸(shu)如(ru)此(ci)豐(feng)富(fu)視(shi)頻(pin)內(nei)容(rong)的(de)進(jin)步(bu)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)大(da)動(dong)態(tai)信(xin)號(hao)的(de)輸(shu)出(chu)，同(tong)時(shi)要(yao)求(qiu)具(ju)有(you)優(you)秀(xiu)的(de)雜(za)散(san)性(xing)能(neng)，從(cong)而(er)支(zhi)持(chi)使(shi)用(yong)256-QAM、1024-QAM和4k-QAM等更高階的調製方案。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，為了提高每個通道的頻譜效率，必須使 用上述更高階的調製方法。前端傳輸設備的更高性能可延長已安裝設備群的使用壽命，緩解資本預算限製
，以及支持向多家服務運營商 (MSO) 提供更長時間窗口來升級其設備和傳輸係統。

多頻段、多模式測試

suizhejichengdegongnengyuelaiyueduo，rujindezhinengshoujiyuchuantongshoujiyixiangqushenyuan。xuduogongnengdouyouyuzhixiangguanliandewuxiandian，yinci，dangqiandeyidongshebeizhongkenengyouwudaoqigeshenzhigengduodepinduan。shengchanzhinengshoujishi，meizhongwuxiandiandoubixujinxingceshi，zhegeiduomoshitongxinceshiyizhizaoshangdailailexindetiaozhan。jinguanceshiliangsuizhewuxiandianshuliangdezengjiaerzengjia
，danrengxuyaokuaisuceshiyijiangdiceshichengben。kaolvdaoceshiyidechicunhechengben，weiyidongshebeizhongdemeigewuxiandiangoujianbutongdewuxiandianyingjianbiandebuqieshiji。suizhegengduodepinduankaifanghuobeitiyiyongyuyidongfuwu3，測試移動設備中越來越多的無線電的挑戰難度在加大。

RF轉換器可以很好地應對這一挑戰。無論是發射機還是接收機，RF轉換器均能提供常規無線電無法實現的靈活性。寬帶RF轉換器可以同時捕捉並直接合成每個頻段中的信號，從而支持同時測試移動設備中的多個無線電。利用RF DAC和RF ADC內置的通道選擇器
，多個無線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RF DAC有3個子通道處理單元
，可以將三個頻段不同的信號合路，然後利用數字控製振蕩器 (NCO) 進行數字上變頻，再由RF DAC轉換為RF信號。

zaiqitashichanglingyu，liruzhenduihangkonghangtianhefangwushichangdeceshishebei，duiyongyumaichongleidahejunyongtongxindekuandaiceshijiejuefangandexuqiuriyizengjia。youyuxuyaoceshideleida、電子情報、電子戰設備和通信設備的數量與類型眾多，測試設備製造商必須製造出一種具有豐富特性組合的靈活儀器4。例如，任意波形發生器必須能夠創建各種信號，包括線性頻率調製脈衝信號、相位相幹信號以及各種輸出頻率和帶寬的調製信號。測量設備必須同樣強大，以便在測試激勵器或發射器時能接收這些信號。RF轉換器支持直接RF合成和RF頻(pin)率(lv)下(xia)的(de)測(ce)量(liang)，可(ke)以(yi)很(hen)好(hao)地(di)服(fu)務(wu)於(yu)此(ci)類(lei)應(ying)用(yong)。在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)，這(zhe)可(ke)以(yi)消(xiao)除(chu)上(shang)變(bian)頻(pin)或(huo)下(xia)變(bian)頻(pin)的(de)需(xu)求(qiu)
，而(er)在(zai)其(qi)他(ta)情(qing)況(kuang)下(xia)，減(jian)少(shao)變(bian)頻(pin)次(ci)數(shu)。硬(ying)件(jian)得(de)以(yi)簡(jian)化(hua)，尺(chi)寸(cun)
、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
，可在專用低功耗CMOS技術上實現高效信號處理。

圖2. 帶通道選擇器的RF DAC示例。

軟件定義無線電

RF轉換器是軟件定義無線電的關鍵因素之一。RF轉換器能夠直接合成和捕獲幾個GHz 帶dai寬kuan內nei的de無wu線xian電dian頻pin率lv，以yi數shu字zi方fang式shi實shi現xian上shang變bian頻pin或huo下xia變bian頻pin功gong能neng，這zhe樣yang整zheng個ge上shang變bian頻pin或huo下xia變bian頻pin級ji都dou不bu再zai需xu要yao，無wu線xian電dian架jia構gou得de以yi簡jian化hua。去qu掉diao模mo擬ni變bian頻pin級ji和he相xiang關guan混hun頻pin器qi、LO合成器、濾波器，可減小無線電的尺寸、重量和功耗 (SWaP)，使無線電能夠適應更多的應用場景，並可使用更小的電源供電。這種技術使得無線電小巧輕便，足以手持
、車載或安裝在飛機、直升機
、無人機 (UAV) 等各種機載資產中。

除了實現更好的跨平台通信之外，利用RF轉換器構建的無線電硬件還有支持多功能、多模式和多頻段的潛力。RF轉zhuan換huan器qi現xian在zai能neng夠gou達da到dao較jiao低di的de雷lei達da頻pin段duan，在zai不bu久jiu的de將jiang來lai會hui達da到dao較jiao高gao的de頻pin段duan，因yin此ci單dan台tai設she備bei既ji可ke用yong作zuo雷lei達da也ye可ke用yong作zuo戰zhan術shu通tong信xin鏈lian路lu的de概gai念nian有you望wang變bian成cheng現xian實shi。這zhe樣yang一yi種zhong設she備bei在zai現xian場chang維wei修xiu、升級、采購程序和成本方麵具有明顯的優勢。

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係統。直接RF轉zhuan換huan器qi合he成cheng和he捕bu獲huo可ke減jian少shao非fei常chang多duo的de常chang規gui無wu線xian電dian硬ying件jian
，使shi單dan個ge信xin號hao鏈lian更geng小xiao更geng輕qing。如ru此ci便bian能neng將jiang很hen多duo這zhe種zhong無wu線xian電dian整zheng合he在zai一yi個ge更geng小xiao的de空kong間jian中zhong。適shi合he船chuan載zai的de陣zhen列lie或huo地di麵mian相xiang控kong陣zhen，以yi及ji用yong於yu信xin號hao情qing報bao操cao作zuo的de較jiao小xiao陣zhen列lie和he單dan元yuan，可ke以yi實shi現xian更geng小xiao的deSWaP。

圖3. RF轉換器驅動的軟件定義無線電支持跨平台互連通信。

RF轉換器背後的技術

RF轉換器得以成功的關鍵技術進步之一是持續微縮的細線CMOS工藝。隨著基本CMOS晶體管的柵極長度和特征尺寸變小，數字門電路變得更快
、更小且功耗更低6。這使得具有合理功耗和麵積的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、調製器和軟件可編程濾波器，對於構建高效靈活的無線電非常重要。這種更高效的DSPyeweiliyongshuzichulilaibangzhujiuzhengzhuanhuanqizhongdemoniquexiandakailedamen。zaimonifangmian，meigexinjiediandoutigongsudugengkuaidejingtiguan，qidanweimianjidepipeixingnengyegenghao。zhexiegaijinduiyushixiansudugengkuaidegaojingduzhuanhuanqizhiguanzhongyao。

單靠工藝技術進步是不夠的，還有一些重要的架構改進使得RF轉換器成為可能。RF DAC的優選架構是電流導引DAC架構。此類DAC的性能取決於構成DAC的電流源的匹配。未經校準的電流源匹配與電流源麵積的平方根成正比7。danweimianjidepipeisuizhejishujiediandeshengjiergaishan。danshi，duiyugaofenbianlvzhuanhuanqieryan

，jibianshixianjindejiedianqiesuijishipeizugoudi，qidianliuyuanyehuifeichangda。zhezhongdadianliuyuanhuishizhuanhuanqibianda，gengzaogaodeshi
，dadianliuyuandejishengdianronghuijiangdiDAC的(de)高(gao)頻(pin)性(xing)能(neng)。更(geng)有(you)吸(xi)引(yin)力(li)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)校(xiao)準(zhun)較(jiao)小(xiao)電(dian)流(liu)源(yuan)以(yi)達(da)到(dao)所(suo)需(xu)的(de)匹(pi)配(pei)水(shui)平(ping)。這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)來(lai)自(zi)電(dian)流(liu)源(yuan)的(de)附(fu)加(jia)寄(ji)生(sheng)效(xiao)應(ying)
，實(shi)現(xian)所(suo)需(xu)的(de)線(xian)性(xing)度(du)性(xing)能(neng)而(er)不(bu)損(sun)害(hai)高(gao)頻(pin)性(xing)能(neng)。如(ru)果(guo)正(zheng)確(que)執(zhi)行(xing)，這(zhe)種(zhong)校(xiao)準(zhun)可(ke)以(yi)在(zai)整(zheng)個(ge)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)保(bao)持(chi)高(gao)度(du)穩(wen)定(ding)
，並(bing)且(qie)校(xiao)準(zhun)可(ke)以(yi)一(yi)次(ci)完(wan)成(cheng)。穩(wen)定(ding)的(de)一(yi)次(ci)性(xing)校(xiao)準(zhun)意(yi)味(wei)著(zhe)不(bu)需(xu)要(yao)在(zai)後(hou)台(tai)定(ding)期(qi)運(yun)行(xing)校(xiao)準(zhun)，從(cong)而(er)節(jie)省(sheng)運(yun)行(xing)功(gong)耗(hao)，並(bing)減(jian)輕(qing)因(yin)後(hou)台(tai)運(yun)行(xing)校(xiao)準(zhun)而(er)產(chan)生(sheng)雜(za)散(san)產(chan)物(wu)的(de)問(wen)題(ti)。8

還有一個幫助超高速轉換器達到性能指標的架構選擇
，那就是用於導引DAC電流的開關架構選擇。傳統的雙開關結構（圖4）在以非常高的速度運行時存在幾個缺點9,10。qudongdaoshuanglukaiguandeshujukeyizaiyigedaoduogeshizhongzhouqineibaochibubian，yinciweijiediandejianlishijianyilaiyushuju。ruguoshizhongsulvzugouman，shidecijiediankeyizaiyigeshizhongzhouqineijianli，namezhebuchengwenti。danzaifeichanggaodesulvxia，cijiedianzaiyigeshizhongzhouqineiwufawanquanjianli
，yilaiyushujudejianlishijianjianghuidaozhiDAC輸出失真。如果使用四路開關（圖5），數據信號就會全部歸零。這導致尾節點電壓與數據輸入無關
，從而緩解上述問題。四路開關還允許DAC數據在時鍾的兩個邊沿上更新。利用此特性可有效地使DAC采樣速率加倍，而時鍾頻率無需倍增1。11

圖4. 雙開關DAC單元示例。

圖5. 四開關DAC單元示例。

采用精心設計的電流源校準算法和四開關電流導引單元，結合當今的細線CMOS工藝，可以設計出具有出色動態範圍的高速采樣DAC。這樣就能在很寬的頻率範圍內合成高質量信號。當這種寬帶DAC與輔助DSP相結合時，它變成一個非常靈活的高性能無線電發射器，經過配置可為本文前麵提到的所有不同應用提供信號。

未來無線電

當今的RF轉換器已經促使無線電架構設計發生了根本性的改變
，而在未來，它將引發更大的改變。隨著工藝技術的不斷進步和RF轉換器設計的進一步優化
，RF轉換器對無線電功耗和尺寸的影響將繼續縮小。這些技術進步來的正是時候，有力地推動了新一代無線電，例如新興5G無線基站應用（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鍵功能，如數字預失真 (DPD)13和削峰 (CFR) 算法等，這有助於提高功率放大器效率並顯著減少係統整體功耗。這種集成將減輕對高能耗FPGA邏輯的壓力，並將相關功能轉移到功耗較低的專用邏輯中。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，進一步縮小尺寸並簡化無線電設計

，為無線電設計提供比特到天線的係統級方法。由於有了RF轉換器，各種各樣的機遇迸發出來。RF轉換器是助力世界超越一切可能TM的技術。

參考電路

1 "5G無線電接入" Ericsson，2016年4月。

2 "關於未來典型無線電應用的消費者調查報告" 。華為無線X實驗室。

3 "調查通知FCC 17-104" 。美國聯邦通信委員會

，2017年8月。

4 John Hansen. "雷達、電子戰和電子情報測試"Agilent Technologies，2012年8月。

5 Henry S. Kenyon, "新無線電和波形將軍用通信轉移至天空" Signal

，2013年10月。

6 William Holt. "摩爾定律：前進之路" 。2016 IEEE國際固態電路會議
，IEEE
，2016。

7 A.C.J. Duimaijer, Anton Welbers, and Marcel Pelgrom "MOS晶體管特性匹配." 。IEEE固態電路雜誌，IEEE，第24卷第5期，1989年10月。

8 Haiyan Zhu, Wenhua Yang, Gil Engel, and Yong-Bin Kim. "雙參數校準 技術跟蹤電流源不匹配引起的溫度變化" 。IEEE電路與係統論文集—II：簡報

，IEEE
，第64卷第4期，2017年4月。

9 "用於信號處理的恒定切換" 。美國專利US6842132 B2，2005年1月。

10 Sungkyung Park, Gyudong Kim, Sin-Chong Park, and Wonchan Kim. "基於差分四開關的數模轉換器" 。IEEE固態電路雜誌
，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時提供66 dB ACLR" 。2012 IEEE 國際固態電路會議

，IEEE
，2012。

12 Daniel Fague. "最新RF DAC拓寬軟件無線電的應用視野"《模擬對話》
，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 分配係統中實現帶來的優勢（功率和性能）和挑戰" 《模擬對話》，第51卷第07期，2017年7月。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻
、圖片

、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

元器件越小越好嗎？

GDDR6給FPGA帶來的大帶寬存儲優勢以及性能測試

使用氮化镓(GaN)提高電源效率 

I2C通信協議：了解I2C Primer、 PMBus和SMBus

為應用選擇合適的射頻放大器指南