支持宽带无线电的RF转换器技术介绍

可以直接在射频范围内合成信号的转换器（RF转换器）已经成熟到可以改变传统无线电设计的程度。 RF转换器具有数字化和合成高达2 GHz或3 GHz瞬时信号带宽的能力，现在可以实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，并启用通过软件实现新的可重新配置水平，这是传统无线电设计所无法实现的。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产生的可能性。

简介

设计约束面向每个无线电设计师的是设计信号带宽，以最高质量与无线电功耗进行权衡。无线电设计师如何满足这一限制决定了无线电的大小和重量，并从根本上影响无线电的放置，包括建筑物，塔，杆，地下车辆，包，口袋，耳朵或眼镜。每个无线电位置都有一定数量的可用功率，与其位置相称。例如，建筑物或塔楼可能比口袋中的智能手机或耳机中的蓝牙®耳机具有更多可用功率。在所有情况下，存在一个基本事实：无线电所消耗的功率越少，每单位功率能够提供的吞吐量越多，无线电就越小，越轻。这带来了巨大的后果，并且多年来一直是通信电子行业大部分创新的驱动力。

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，在某些情况下，使用它们的设备能够实现更小，更多功能，更轻或三者的承诺。更小，更轻的设备具有更多功能，可以将这种更好的设备放置在之前由于某些其他约束而被禁止的位置，例如建筑物所需的不动产量，当设备可以减少时在塔上，塔式无线电单元的大小，如果单元的重量足够低，可以减少到极单元，或者由于其重量而需要在车辆中携带的单元现在可以在一包。

今天的环境充满了需要建筑物，塔楼，电线杆和车辆的传统装置。在需要将世界各地的人们彼此联系的驱动下，工程师通过设计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，包括移动网络无线局域网，临时短距离无线网络等，几乎可以在任何地方进行通话，文本，即时消息，照片，下载，上传和浏览。这些都连接到宽带有线网络，数据由射频电缆传输，最终通过光纤传输。

增强视频体验

正如一些研究表明的那样， 1,2 预计数据需求将持续增长到下一个十年。这是由对需要更宽带宽的更丰富数据内容的看似无法满足的需求所推动的。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高清晰度的电视频道，继续在宽带服务上与家庭竞争。超高清（UHD或4k清晰度）电视的转播要求是高清电视容量的两倍以上，并且需要比现在使用的更宽的频道带宽。

此外，沉浸式视频，包括虚拟现实（VR），以及具有多维自由度的180°或全景观看等游戏和3D效果，全部采用4k UHD电视，每位用户需要高达1千兆位的带宽。 2 这远远超出简单的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，因为延迟时间是至关重要的，这推动了更宽带宽上行传输能力的发展。这种对更广泛上行能力的需求反过来又促使设备制造商升级其设计，以实现对称的宽带传输。

当今RF转换器的增强功能对于实现此类丰富视频内容的传输至关重要。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，以便能够使用更高阶的调制方案，如256-QAM，1024-QAM和4k-QAM。由于安装的同轴电缆设备和分配放大器具有1.2GHz至1.7GHz的有限带宽，因此需要这些更高阶调制方法来提高每个信道的频谱效率。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，并使多个服务运营商（MSO）能够在更长的时间内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相似，因为其中包含更多功能。这些特征中的许多具有与它们相关联的无线电，因此，今天的移动设备中具有多达五个或七个或更多无线电。在生产智能手机时，必须对这些无线电中的每一个进行测试，这给多模通信测试仪的制造商带来了新的挑战。尽管测试的数量随着无线电的数量而增加，但仍需要速度来降低测试成本。就测试器的尺寸和成本而言，为移动设备中的每个无线电建立不同的无线电硬件变得不切实际。随着更多频段开放或被提议用于移动业务， 3 在移动设备中测试越来越多的无线电的挑战越来越多。

这一挑战可以通过RF转换器很好地解决。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，从而可以同时测试移动设备中的多个无线电。通过RF DAC和RF ADC内置的通道器，可以在转换器中有效地处理这些多个无线电信号。例如，在图2中，显示了每个RF DAC的3个信道器，使得三个不同的信号和频带能够直接合成，组合，然后通过数字控制振荡器（NCO）进行数字上变频，然后由RF转换为RF信号DAC。

在其他市场领域，如航空航天和国防测试设备，对脉冲雷达和军事通信的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的灵活仪器。 4 例如，任意波形发生器必须能够在很宽的输出频率和带宽范围内产生各种信号，包括线性频率调制，脉冲信号，相位相干信号和调制信号。测量设备必须具有相同的能力，以便在测试激励器或发射器时接收这些信号。 RF转换器通过在RF频率下实现直接RF合成和测量，很好地满足了这一应用。在某些情况下，这可以消除向上或向下转换的需要，并且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，因此可以减小其尺寸，重量和功率要求。增加数字功能，如信道化器，内插器，NCO和合路器，可在专用的低功耗CMOS技术上实现高效的信号处理。

软件定义的无线电

RF转换器可以是软件定义无线电中的关键推动因素。 RF转换器能够直接合成和捕获数GHz范围内的无线电频率，通过消除整个上变频或下变频阶段，而不是数字化地实现它们，简化了无线电架构。模拟转换级和相关混频器，LO合成器和滤波器的移除减小了无线电的尺寸，重量和功率（SWaP），使无线电能够位于更多的地方，并且可以使用更小的电源供电。这种技术使无线电体积小，重量轻，可以手动携带，在小型地面车辆中驱动，或安装在各种机载资产中，如飞机，直升机和无人驾驶飞行器（UAV）。

< p>除了实现跨平台的更好通信之外，使用RF转换器构建的无线电硬件还具有多功能，以及多模和多频带的潜力。由于RF转换器现在能够到达较低的雷达波段，并且在不久的将来将达到更高的波段，因此可以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。这样的单位在现场维修，升级，采购程序和成本方面提供了明确的杠杆作用。

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转换器的合成和捕获消除了如此多的传统无线电硬件，因此单个信号链更小更轻。因此，可以将许多这些无线电装入较小的空间。适用于船载或地面相控阵列的阵列，以及用于信号情报操作的较小阵列和单元，可以使用较小的SWaP构建。

RF转换器背后的技术< / h3>

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，功耗更低。 6 这允许使用RF转换器将重要的数字信号处理包含在芯片上合理的功率和面积。包含软件可编程的数字信道化器，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还为使用数字处理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。

仅靠流程技术的进步是不够的 - 还有一些关键的架构改进使这些转换器成为可能。 RF DAC的首选架构是电流控制DAC架构。这种类型的DAC的性能取决于构成DAC的电流源的匹配。未校准的电流源匹配与电流源区域的平方根成比例。 7 每个技术节点的单位面积匹配将得到改善。然而，即使在最先进的节点中，对于高分辨率转换器具有足够低的随机失配的电流源也将非常大。具有如此大的电流源将使转换器变大，并且更关键的是，该大电流源的寄生电容降低了DAC的高频性能。更有吸引力的解决方案是校准较小的电流源以实现期望的匹配水平。这可以显着减少来自电流源的增加的寄生电流，并因此允许所需的线性度性能而不损害高频性能。如果操作正确，可以在整个温度范围内使校准非常稳定，这样就可以进行一次校准。稳定的一次性校准意味着校准不需要在后台定期运行，这样可以节省操作功率并减轻由于校准在后台运行而产生虚假产品的担忧。 8

另一种有助于以极高速度满足所需转换器性能指标的架构选择是选择用于控制DAC电流的开关架构。传统的双开关结构（图4）在非常高的速度下运行时有几个缺点。 9,10 由于驱动到双开关的数据可以在一到多个时钟周期内保持不变，尾节点将具有数据依赖的时间量来结算。如果时钟速率足够慢以使该节点在一个时钟周期内稳定，则这不是问题。但是，在非常高的速率下，该节点不会在一个时钟周期内完全稳定，因此数据相关的建立时间将导致DAC输出失真。如果使用四开关（图5），数据信号全部返回到零。这导致尾节点电压独立于数据输入，这缓解了上述问题。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将DAC采样率加倍，而不会使时钟频率加倍。 11

使用精心设计的电流源校准算法四开关电流控制单元与当今的细线CMOS工艺相结合，可以设计出能够以极高的速率采样并具有出色动态范围的DAC。这允许在宽频率范围内合成高质量信号。当这个宽带DAC与支持DSP结合使用时，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转换器已经在无线电架构设计中实现了根本性的变革，但它们有望在未来实现更大的变革。随着工艺技术的不断发展和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。这些适当的技术进步正好赶上下一代无线电，例如新兴的5G无线基站应用，如大规模MIMO，以及大规模相控阵雷达和波束成形应用。深亚微米光刻技术可以将更大量的数字电路放置在RF转换器芯片上，集成了重要的计算功能，如数字预失真（DPD） 13 和波峰因数降低（CFR）算法提高功率放大器效率并显着降低整体系统功耗。这种集成将减轻耗电的FPGA逻辑压力，并将这些功能转移到功率吝啬的专用逻辑上。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，并为无线电设计提供比特到天线的系统级方法。利用RF转换器，存在广泛的机会。 RF转换器是在可能的™之前的技术。