NS基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器系列的軟件無線電應(yīng)用

摘 要： 鑒于傳統(tǒng)硬件無線電架構(gòu)的特點(diǎn)和局限性，分析了軟件無線電設(shè)計中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用要求，介紹了12位千兆級采樣轉(zhuǎn)換器的新產(chǎn)品系列以及與之匹配使用的差分放大器和時鐘解決方案。

　LVDS技術(shù)擁有330mV的低壓差分信號和快速過渡時間。這可以讓產(chǎn)品達(dá)到自100Mbps至超過1Gbps的高數(shù)據(jù)速率。此外，這種低壓擺幅可以降低功耗消散，同時具備差分傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。 LVDS技術(shù)用于簡單的線路驅(qū)動器和接收器物理層器件以及比較復(fù)雜的接口通信芯片組。通道鏈路芯片組多路復(fù)用和解多路復(fù)用慢速TTL信號線路以提供窄式高速低功耗LVDS接口。這些芯片組可以大幅節(jié)省系統(tǒng)的電纜和連接器成本，并且可以減少連接器所占面積所需的物理空間。LVDS解決方案為設(shè)計人員解決高速I/O接口問題提供了新選擇。

　　LMX2541是一個超低噪聲頻率合成器，它整合了一個高性能△-Σ小數(shù)N分頻鎖相環(huán)（PLL）、一個完全集成儲能電路的壓控振蕩器（VCO）以及一個可選分頻器。當(dāng)配合高質(zhì)量的參考振蕩器時，LMX2541可產(chǎn)生非常穩(wěn)定的低噪聲信號。因此LMX2541成為ADC12D1800的理想時鐘源。

　　LMX6554具有2.8 GHz的單位增益小信號帶寬，且無需犧牲響應(yīng)平坦度、帶寬、諧波失真或輸出噪聲性能即可工作在增益大于1的環(huán)境下。它在830 MHz處有0.1 dB的增益平坦度，在150 MHz處有8 dB的噪聲指數(shù)和-99 dB的互調(diào)失真。對于直流耦合應(yīng)用，LMH6554有一個用于正確設(shè)置ADC121X00系列共模電壓的共模輸出電壓引腳。

　　對制造商來說，隨著技術(shù)的進(jìn)步，無線通信產(chǎn)品的生命周期越來越短，因此針對單一產(chǎn)品線的投資風(fēng)險很大?；赟DR產(chǎn)品的生產(chǎn)將比傳統(tǒng)產(chǎn)品原材料成本低，且產(chǎn)品壽命長，這就意味著投資風(fēng)險低。同時，由于它簡單化及標(biāo)準(zhǔn)化硬件使得產(chǎn)品容易生產(chǎn)。因此，制造商生產(chǎn)基于SDR技術(shù)的產(chǎn)品，可得到遠(yuǎn)大于生產(chǎn)傳統(tǒng)產(chǎn)品的效益。

　　軟件無線電的基本思想是以一個通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現(xiàn)無線電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設(shè)計方法中解放出來。功能的軟件化實現(xiàn)勢力要求減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理（A/D和D/A變換）盡量靠近天線。軟件無線電強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和全面可編程性，通過軟件更新改變硬件配置結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)新的功能。軟件無線電采用標(biāo)準(zhǔn)的、高性能的開放式總線結(jié)構(gòu)，以利于硬件模塊的不斷升級和擴(kuò)展。本文還將介紹與之匹配使用的差分放大器和時鐘解決方案。

　　傳統(tǒng)硬件無線電架構(gòu)的特點(diǎn)和局限

　　外差、零差、低中頻這類眾所周知的接收器架構(gòu)，每種都有其獨(dú)特的優(yōu)勢以及缺點(diǎn)。它們的共同特點(diǎn)在于，不管是雙轉(zhuǎn)換或單轉(zhuǎn)換架構(gòu)都是通過混頻或者下變頻將射頻信號向下轉(zhuǎn)換為頻率更低、更易于管理的中頻信號。由于現(xiàn)有模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的局限性，通常都需要將模擬射頻信號轉(zhuǎn)換為低中頻或基帶信號。基本上現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器在采樣頻率、模擬輸入帶寬和輸入采樣寬帶噪聲的跟蹤和保持方面還不足以滿足許多軟件無線電應(yīng)用的要求。超外差架構(gòu)如圖1所示。硬件無線電（HDR）架構(gòu)需要高性能的混頻器，這種混頻器要求濾波器具有優(yōu)異的幅度/相位匹配能力、低本振泄漏電平、高Q值及低插入損耗。射頻和模擬系統(tǒng)設(shè)計富有挑戰(zhàn)性—— 由阻抗引起的駐波、諧波失真和反射，I/Q失配以及設(shè)備泄漏都很難檢測，造成的影響也難以量化。另外由于教育機(jī)構(gòu)偏重于培養(yǎng)“數(shù)字”工程師，導(dǎo)致行業(yè)中的射頻和模擬專家正日益減少。

　　硬件無線電架構(gòu)除了技術(shù)上實現(xiàn)起來較有難度外，還有一些明顯的缺點(diǎn)：密集模擬設(shè)計復(fù)雜度高，需要大量的電能和電路板面積；為了降低電磁干擾（EMI），通常都需要增加射頻屏蔽，而這又進(jìn)一步增大了整個系統(tǒng)的體積；高能耗必然帶來散熱問題和冷卻要求；造價高昂，且成本隨著通道數(shù)增加而成倍遞增；固定頻點(diǎn)會造成僵化；硬件上的系統(tǒng)參數(shù)（頻道數(shù)及頻道帶寬等等）固定，因此系統(tǒng)的修改和重新設(shè)計都需要大量的研發(fā)工作和更高的成本。

　　與軟件無線電的比較

　　軟件無線電的概念并不新鮮。盡管“軟件無線電”這個詞匯是由Joseph Mitola在1991年提出并于1992年發(fā)表了專題論文，但實際上國防部門從20世紀(jì)70年代以來就一直在沿用這一概念。軍方的目的是要開發(fā)出靈活且可編程的無線電架構(gòu)，這種架構(gòu)可以輕松地適應(yīng)不斷變化的地面條件?；旧?，無線電的特點(diǎn)應(yīng)該是由軟件而不是硬件定義的。無線基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)者很快認(rèn)識到軟件無線電在降低硬件開發(fā)成本和增加收益方面的潛力。一個軟件可編程基站很容易通過調(diào)整來支持新興行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，既不需要升級硬件，也不需要派遣維護(hù)工程師到達(dá)現(xiàn)場。這就要求無線電的特征在數(shù)字域而不是在模擬域定義。圖2所示只是簡圖，但一般而言，只需要配置一個預(yù)選濾波器、一個低噪聲放大器（LNA）和一個差分可變增益放大器（VGA）即可。模數(shù)轉(zhuǎn)換器往往需要一個精確的時鐘源——由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器對射頻信號直接采樣，因而對時鐘源的要求比以前更加嚴(yán)格。應(yīng)用該方法，整個信號帶即可數(shù)字化，再也不需要復(fù)雜的非線性的混頻器、本地振蕩器和濾波器（中頻以及基帶）。而同時，這里模數(shù)轉(zhuǎn)換器也對前端器件提出了嚴(yán)格的要求。

　　軟件無線電在一個開放的公共硬件平臺上利用不同可編程的軟件方法實現(xiàn)所需要的無線電系統(tǒng)。簡稱SWR。理想的軟件無線電應(yīng)當(dāng)是一種全部可軟件編程的無線電，并以無線電平臺具有最大的靈活性為特征。全部可編程包括可編程射頻（RF）波段、信道接入方式和信道調(diào)制。

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器要求：

　　千兆赫茲的采樣率和奈奎斯特帶寬；

　　低基底噪聲；

　　高噪聲功率比（NPR）和互調(diào)失真；

　　低功耗；

　　推薦具備的模擬特性：單電源軌、自動校準(zhǔn)、可調(diào)輸入增益和偏置；

　　推薦具備的數(shù)字特性：多芯片同步功能、可編程數(shù)據(jù)接口（數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)采集時鐘、數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)時鐘的相位關(guān)系）和測試模式。

　　時鐘要求：

　　超低基底噪聲-亞皮秒級RMS抖動；

　　優(yōu)秀的寄生噪聲性能；

　　推薦具備的特性：高集成度，可編程輸出頻率和功率。

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電路要求：

　　寬帶寬等于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入帶寬；

　　帶外增益平坦；

　　低噪聲和失真；

　　推薦具備的特性：增益和共模電壓控制。

　　軟件無線電的優(yōu)點(diǎn)反映了硬件無線電的缺點(diǎn)。更少的模擬元件意味著更低的模擬復(fù)雜度，而射頻信號處理過程的簡化意味著更少的射頻屏蔽。這使設(shè)計體積更小，結(jié)構(gòu)更為緊湊，而且功率更低?？闪⒓垂?jié)省硬件和開發(fā)成本，但主要優(yōu)勢來自于軟件無線電固有的靈活性。相比硬件無線電這確實是一個顯著的優(yōu)勢。軟件可編程性允許從遠(yuǎn)程位置更改或者完全改變無線電規(guī)格，而這樣的更改不會對硬件造成任何修改。通過提供對新3 G或4 G標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以升級通信基站。無線電結(jié)構(gòu)具有以下幾個特點(diǎn)：（1）更好的靈活性。工作站的容量和開發(fā)環(huán)境均優(yōu)于專用DSP芯片，容易實現(xiàn)新協(xié)議和信號處理新算法以及性能的改進(jìn)提高。（2）升級快捷。用戶可以很方便地通過更新軟件來增強(qiáng)現(xiàn)有設(shè)備功能。（3）易與其他應(yīng)用結(jié)合。虛擬無線電的研究將無線和其他應(yīng)用的界限模糊化了，提高了功能性和端到端的有效性。

　　值得一提的是軟件無線電的崛起并非意味著模擬系統(tǒng)的消亡。正相反，超高性能的放大器、頻率合成器以及時鐘調(diào)節(jié)器等模擬系統(tǒng)都已廣泛應(yīng)用于軟件無線電的設(shè)計中。

　　軟件無線電組件解決方案

　　如圖3所示，ADC12D1800由兩個通道組成，在獨(dú)立通道運(yùn)行時采樣率高達(dá)3.6 GS/s，而在雙通道交叉運(yùn)行時采樣率高達(dá)1.8 GS/s。該設(shè)備在3.6 GS/s條件下運(yùn)行時比現(xiàn)有的任何12位設(shè)備都要快3.6倍。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入帶寬為2.8 GHz，基底噪聲動態(tài)性能為-147 dBm/Hz，噪聲功率比（NPR）為52 dB，互調(diào)失真（IMD）為-61 dBFS，這樣的規(guī)格可以滿足很多軟件無線電應(yīng)用要求。

　　ADC12D1800以1.9 V的單電源供電，由0.18 μm純CMOS工藝制造，每通道的功率僅為2.05 W。該設(shè)備每通道具有多芯片同步、可編程增益和偏置電路。即便在輸入頻率超過2 GHz時，內(nèi)部的跟蹤/保持放大器和擴(kuò)展的自校準(zhǔn)機(jī)制也能使系統(tǒng)對于所有的動態(tài)參數(shù)都獲得平坦的響應(yīng)，同時誤碼率可降低到令人難以置信的10-18。除了在基底噪聲、噪聲功率比（NPR）及互調(diào)失真（IMD）方面有良好的性能，ADC12D1800在125 MHz時也擁有57.8 dB的信噪比（SNR）、67 dBc的無雜散動態(tài)范圍（SFDR）以及9.2位有效位數(shù)。低壓差分信號（LVDS）輸出可配置為1:1或1:2解復(fù)用模式。