可以直接在射頻范圍內(nèi)合成信號的轉(zhuǎn)換器（RF轉(zhuǎn)換器）已經(jīng)成熟到可以改變傳統(tǒng)無線電設(shè)計的程度。 RF轉(zhuǎn)換器具有數(shù)字化和合成高達2 GHz或3 GHz瞬時信號帶寬的能力，現(xiàn)在可以實現(xiàn)真正寬帶無線電的承諾，使無線電設(shè)計人員能夠大幅減少創(chuàng)建無線電所需的硬件數(shù)量，并啟用通過軟件實現(xiàn)新的可重新配置水平，這是傳統(tǒng)無線電設(shè)計所無法實現(xiàn)的。本文探討了RF轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進步，使這種新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和寬帶無線電成為可能，并討論了軟件可配置性產(chǎn)生的可能性。

簡介

設(shè)計約束面向每個無線電設(shè)計師的是設(shè)計信號帶寬，以最高質(zhì)量與無線電功耗進行權(quán)衡。無線電設(shè)計師如何滿足這一限制決定了無線電的大小和重量，并從根本上影響無線電的放置，包括建筑物，塔，桿，地下車輛，包，口袋，耳朵或眼鏡。每個無線電位置都有一定數(shù)量的可用功率，與其位置相稱。例如，建筑物或塔樓可能比口袋中的智能手機或耳機中的藍牙?耳機具有更多可用功率。在所有情況下，存在一個基本事實：無線電所消耗的功率越少，每單位功率能夠提供的吞吐量越多，無線電就越小，越輕。這帶來了巨大的后果，并且多年來一直是通信電子行業(yè)大部分創(chuàng)新的驅(qū)動力。

隨著半導體公司將更多功能和更高性能集成到相同或更小尺寸的組件中，在某些情況下，使用它們的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更小，更多功能，更輕或三者的承諾。更小，更輕的設(shè)備具有更多功能，可以將這種更好的設(shè)備放置在之前由于某些其他約束而被禁止的位置，例如建筑物所需的不動產(chǎn)量，當設(shè)備可以減少時在塔上，塔式無線電單元的大小，如果單元的重量足夠低，可以減少到極單元，或者由于其重量而需要在車輛中攜帶的單元現(xiàn)在可以在一包。

今天的環(huán)境充滿了需要建筑物，塔樓，電線桿和車輛的傳統(tǒng)裝置。在需要將世界各地的人們彼此聯(lián)系的驅(qū)動下，工程師通過設(shè)計當時可用組件的設(shè)備來應對這一挑戰(zhàn)，并為我們提供了我們今天擁有的通信豐富的環(huán)境;我們可以在幾個不同的網(wǎng)絡之一，包括移動網(wǎng)絡無線局域網(wǎng)，臨時短距離無線網(wǎng)絡等，幾乎可以在任何地方進行通話，文本，即時消息，照片，下載，上傳和瀏覽。這些都連接到寬帶有線網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)由射頻電纜傳輸，最終通過光纖傳輸。

增強視頻體驗

正如一些研究表明的那樣， 1,2 預計數(shù)據(jù)需求將持續(xù)增長到下一個十年。這是由對需要更寬帶寬的更豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容的看似無法滿足的需求所推動的。例如，有線電視和光纖到戶運營商通過提供更高速的連接和更高清晰度的電視頻道，繼續(xù)在寬帶服務上與家庭競爭。超高清（UHD或4k清晰度）電視的轉(zhuǎn)播要求是高清電視容量的兩倍以上，并且需要比現(xiàn)在使用的更寬的頻道帶寬。

此外，沉浸式視頻，包括虛擬現(xiàn)實（VR），以及具有多維自由度的180°或全景觀看等游戲和3D效果，全部采用4k UHD電視，每位用戶需要高達1千兆位的帶寬。 2 這遠遠超出簡單的4k UHD電視廣播和流媒體已經(jīng)苛刻的需求。在線游戲需要網(wǎng)絡中的對稱數(shù)據(jù)帶寬，因為延遲時間是至關(guān)重要的，這推動了更寬帶寬上行傳輸能力的發(fā)展。這種對更廣泛上行能力的需求反過來又促使設(shè)備制造商升級其設(shè)計，以實現(xiàn)對稱的寬帶傳輸。

當今RF轉(zhuǎn)換器的增強功能對于實現(xiàn)此類豐富視頻內(nèi)容的傳輸至關(guān)重要。它們必須能夠創(chuàng)建具有出色無雜散性能的高動態(tài)范圍信號，以便能夠使用更高階的調(diào)制方案，如256-QAM，1024-QAM和4k-QAM。由于安裝的同軸電纜設(shè)備和分配放大器具有1.2GHz至1.7GHz的有限帶寬，因此需要這些更高階調(diào)制方法來提高每個信道的頻譜效率。前端傳輸設(shè)備的更高性能延長了已安裝設(shè)備基礎(chǔ)的使用壽命，緩解了資本預算限制，并使多個服務運營商（MSO）能夠在更長的時間內(nèi)升級其設(shè)備和傳輸系統(tǒng)。

多頻段，多模測試

今天的智能手機與傳統(tǒng)手機相似，因為其中包含更多功能。這些特征中的許多具有與它們相關(guān)聯(lián)的無線電，因此，今天的移動設(shè)備中具有多達五個或七個或更多無線電。在生產(chǎn)智能手機時，必須對這些無線電中的每一個進行測試，這給多模通信測試儀的制造商帶來了新的挑戰(zhàn)。盡管測試的數(shù)量隨著無線電的數(shù)量而增加，但仍需要速度來降低測試成本。就測試器的尺寸和成本而言，為移動設(shè)備中的每個無線電建立不同的無線電硬件變得不切實際。隨著更多頻段開放或被提議用于移動業(yè)務， 3 在移動設(shè)備中測試越來越多的無線電的挑戰(zhàn)越來越多。

這一挑戰(zhàn)可以通過RF轉(zhuǎn)換器很好地解決。在發(fā)射器和接收器中，RF轉(zhuǎn)換器可以提供傳統(tǒng)無線電無法實現(xiàn)的靈活性。寬帶RF轉(zhuǎn)換器能夠同時捕獲和直接合成每個頻段的信號，從而可以同時測試移動設(shè)備中的多個無線電。通過RF DAC和RF ADC內(nèi)置的通道器，可以在轉(zhuǎn)換器中有效地處理這些多個無線電信號。例如，在圖2中，顯示了每個RF DAC的3個信道器，使得三個不同的信號和頻帶能夠直接合成，組合，然后通過數(shù)字控制振蕩器（NCO）進行數(shù)字上變頻，然后由RF轉(zhuǎn)換為RF信號DAC。

在其他市場領(lǐng)域，如航空航天和國防測試設(shè)備，對脈沖雷達和軍事通信的寬帶測試解決方案的需求正在增加。由于需要測試的雷達，電子情報，電子戰(zhàn)設(shè)備和通信設(shè)備的數(shù)量和類型，測試設(shè)備制造商必須創(chuàng)建具有豐富功能的靈活儀器。 4 例如，任意波形發(fā)生器必須能夠在很寬的輸出頻率和帶寬范圍內(nèi)產(chǎn)生各種信號，包括線性頻率調(diào)制，脈沖信號，相位相干信號和調(diào)制信號。測量設(shè)備必須具有相同的能力，以便在測試激勵器或發(fā)射器時接收這些信號。 RF轉(zhuǎn)換器通過在RF頻率下實現(xiàn)直接RF合成和測量，很好地滿足了這一應用。在某些情況下，這可以消除向上或向下轉(zhuǎn)換的需要，并且在其他情況下可以減少單次轉(zhuǎn)換所需的數(shù)量。這簡化了硬件，因此可以減小其尺寸，重量和功率要求。增加數(shù)字功能，如信道化器，內(nèi)插器，NCO和合路器，可在專用的低功耗CMOS技術(shù)上實現(xiàn)高效的信號處理。

軟件定義的無線電

RF轉(zhuǎn)換器可以是軟件定義無線電中的關(guān)鍵推動因素。 RF轉(zhuǎn)換器能夠直接合成和捕獲數(shù)GHz范圍內(nèi)的無線電頻率，通過消除整個上變頻或下變頻階段，而不是數(shù)字化地實現(xiàn)它們，簡化了無線電架構(gòu)。模擬轉(zhuǎn)換級和相關(guān)混頻器，LO合成器和濾波器的移除減小了無線電的尺寸，重量和功率（SWaP），使無線電能夠位于更多的地方，并且可以使用更小的電源供電。這種技術(shù)使無線電體積小，重量輕，可以手動攜帶，在小型地面車輛中驅(qū)動，或安裝在各種機載資產(chǎn)中，如飛機，直升機和無人駕駛飛行器（UAV）。

< p>除了實現(xiàn)跨平臺的更好通信之外，使用RF轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的無線電硬件還具有多功能，以及多模和多頻帶的潛力。由于RF轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在能夠到達較低的雷達波段，并且在不久的將來將達到更高的波段，因此可以用作雷達和戰(zhàn)術(shù)通信鏈路的單個單元的概念可以成為現(xiàn)實。這樣的單位在現(xiàn)場維修，升級，采購程序和成本方面提供了明確的杠桿作用。

直接合成和捕獲雷達頻率的能力使RF轉(zhuǎn)換器成為相控陣雷達系統(tǒng)的理想選擇。由于直接RF轉(zhuǎn)換器的合成和捕獲消除了如此多的傳統(tǒng)無線電硬件，因此單個信號鏈更小更輕。因此，可以將許多這些無線電裝入較小的空間。適用于船載或地面相控陣列的陣列，以及用于信號情報操作的較小陣列和單元，可以使用較小的SWaP構(gòu)建。

RF轉(zhuǎn)換器背后的技術(shù)< / h3>

使RF轉(zhuǎn)換器成為可能的關(guān)鍵技術(shù)進步之一是不斷向更精細的CMOS工藝邁進。隨著基本CMOS晶體管的柵極長度和特征尺寸變小，數(shù)字柵極變得更快，更小，功耗更低。 6 這允許使用RF轉(zhuǎn)換器將重要的數(shù)字信號處理包含在芯片上合理的功率和面積。包含軟件可編程的數(shù)字信道化器，調(diào)制器和濾波器對于構(gòu)建高效靈活的無線電至關(guān)重要。這種更高效的DSP還為使用數(shù)字處理幫助糾正轉(zhuǎn)換器中的模擬缺陷打開了大門。在模擬方面，每個新節(jié)點提供更快的晶體管，每單位面積具有更好的匹配。這些改進對于更快的高精度轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。

僅靠流程技術(shù)的進步是不夠的 - 還有一些關(guān)鍵的架構(gòu)改進使這些轉(zhuǎn)換器成為可能。 RF DAC的首選架構(gòu)是電流控制DAC架構(gòu)。這種類型的DAC的性能取決于構(gòu)成DAC的電流源的匹配。未校準的電流源匹配與電流源區(qū)域的平方根成比例。 7 每個技術(shù)節(jié)點的單位面積匹配將得到改善。然而，即使在最先進的節(jié)點中，對于高分辨率轉(zhuǎn)換器具有足夠低的隨機失配的電流源也將非常大。具有如此大的電流源將使轉(zhuǎn)換器變大，并且更關(guān)鍵的是，該大電流源的寄生電容降低了DAC的高頻性能。更有吸引力的解決方案是校準較小的電流源以實現(xiàn)期望的匹配水平。這可以顯著減少來自電流源的增加的寄生電流，并因此允許所需的線性度性能而不損害高頻性能。如果操作正確，可以在整個溫度范圍內(nèi)使校準非常穩(wěn)定，這樣就可以進行一次校準。穩(wěn)定的一次性校準意味著校準不需要在后臺定期運行，這樣可以節(jié)省操作功率并減輕由于校準在后臺運行而產(chǎn)生虛假產(chǎn)品的擔憂。 8

另一種有助于以極高速度滿足所需轉(zhuǎn)換器性能指標的架構(gòu)選擇是選擇用于控制DAC電流的開關(guān)架構(gòu)。傳統(tǒng)的雙開關(guān)結(jié)構(gòu)（圖4）在非常高的速度下運行時有幾個缺點。 9,10 由于驅(qū)動到雙開關(guān)的數(shù)據(jù)可以在一到多個時鐘周期內(nèi)保持不變，尾節(jié)點將具有數(shù)據(jù)依賴的時間量來結(jié)算。如果時鐘速率足夠慢以使該節(jié)點在一個時鐘周期內(nèi)穩(wěn)定，則這不是問題。但是，在非常高的速率下，該節(jié)點不會在一個時鐘周期內(nèi)完全穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)相關(guān)的建立時間將導致DAC輸出失真。如果使用四開關(guān)（圖5），數(shù)據(jù)信號全部返回到零。這導致尾節(jié)點電壓獨立于數(shù)據(jù)輸入，這緩解了上述問題。四通道開關(guān)還允許在時鐘的兩個邊沿更新DAC數(shù)據(jù)。此功能可用于有效地將DAC采樣率加倍，而不會使時鐘頻率加倍。 11

使用精心設(shè)計的電流源校準算法四開關(guān)電流控制單元與當今的細線CMOS工藝相結(jié)合，可以設(shè)計出能夠以極高的速率采樣并具有出色動態(tài)范圍的DAC。這允許在寬頻率范圍內(nèi)合成高質(zhì)量信號。當這個寬帶DAC與支持DSP結(jié)合使用時，它就變成了一個非常靈活的高性能無線電發(fā)射器，可以配置為前面提到的所有不同應用提供信號。

未來無線電

雖然當今的RF轉(zhuǎn)換器已經(jīng)在無線電架構(gòu)設(shè)計中實現(xiàn)了根本性的變革，但它們有望在未來實現(xiàn)更大的變革。隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展和RF轉(zhuǎn)換器設(shè)計的進一步優(yōu)化，RF轉(zhuǎn)換器對功耗和無線電尺寸的影響將繼續(xù)縮小。這些適當?shù)募夹g(shù)進步正好趕上下一代無線電，例如新興的5G無線基站應用，如大規(guī)模MIMO，以及大規(guī)模相控陣雷達和波束成形應用。深亞微米光刻技術(shù)可以將更大量的數(shù)字電路放置在RF轉(zhuǎn)換器芯片上，集成了重要的計算功能，如數(shù)字預失真（DPD） 13 和波峰因數(shù)降低（CFR）算法提高功率放大器效率并顯著降低整體系統(tǒng)功耗。這種集成將減輕耗電的FPGA邏輯壓力，并將這些功能轉(zhuǎn)移到功率吝嗇的專用邏輯上。其他可能性包括將RF轉(zhuǎn)換器及其數(shù)字引擎與RF，微波或毫米波模擬組件集成，進一步減小尺寸并進一步簡化無線電設(shè)計，并為無線電設(shè)計提供比特到天線的系統(tǒng)級方法。利用RF轉(zhuǎn)換器，存在廣泛的機會。 RF轉(zhuǎn)換器是在可能的?之前的技術(shù)。