NS基于模數轉換器系列的軟件無(wú)線(xiàn)電應用

摘 要： 鑒于傳統硬件無(wú)線(xiàn)電架構的特點(diǎn)和局限性，分析了軟件無(wú)線(xiàn)電設計中模數轉換器的應用要求，介紹了12位千兆級采樣轉換器的新產(chǎn)品系列以及與之匹配使用的差分放大器和時(shí)鐘解決方案。

　LVDS技術(shù)擁有330mV的低壓差分信號和快速過(guò)渡時(shí)間。這可以讓產(chǎn)品達到自100Mbps至超過(guò)1Gbps的高數據速率。此外，這種低壓擺幅可以降低功耗消散，同時(shí)具備差分傳輸的優(yōu)點(diǎn)。 LVDS技術(shù)用于簡(jiǎn)單的線(xiàn)路驅動(dòng)器和接收器物理層器件以及比較復雜的接口通信芯片組。通道鏈路芯片組多路復用和解多路復用慢速TTL信號線(xiàn)路以提供窄式高速低功耗LVDS接口。這些芯片組可以大幅節省系統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解決方案為設計人員解決高速I(mǎi)/O接口問(wèn)題提供了新選擇。

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

　　LMX6554具有2.8 GHz的單位增益小信號帶寬，且無(wú)需犧牲響應平坦度、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的噪聲指數和-99 dB的互調失真。對于直流耦合應用，LMH6554有一個(gè)用于正確設置ADC121X00系列共模電壓的共模輸出電壓引腳。

　　對制造商來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短，因此針對單一產(chǎn)品線(xiàn)的投資風(fēng)險很大?；赟DR產(chǎn)品的生產(chǎn)將比傳統產(chǎn)品原材料成本低，且產(chǎn)品壽命長(cháng)，這就意味著(zhù)投資風(fēng)險低。同時(shí)，由于它簡(jiǎn)單化及標準化硬件使得產(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，可得到遠大于生產(chǎn)傳統產(chǎn)品的效益。

　　軟件無(wú)線(xiàn)電的基本思想是以一個(gè)通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設計方法中解放出來(lái)。功能的軟件化實(shí)現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，把數字化處理（A/D和D/A變換）盡量靠近天線(xiàn)。軟件無(wú)線(xiàn)電強調體系結構的開(kāi)放性和全面可編程性，通過(guò)軟件更新改變硬件配置結構，實(shí)現新的功能。軟件無(wú)線(xiàn)電采用標準的、高性能的開(kāi)放式總線(xiàn)結構，以利于硬件模塊的不斷升級和擴展。本文還將介紹與之匹配使用的差分放大器和時(shí)鐘解決方案。

　　傳統硬件無(wú)線(xiàn)電架構的特點(diǎn)和局限

　　外差、零差、低中頻這類(lèi)眾所周知的接收器架構，每種都有其獨特的優(yōu)勢以及缺點(diǎn)。它們的共同特點(diǎn)在于，不管是雙轉換或單轉換架構都是通過(guò)混頻或者下變頻將射頻信號向下轉換為頻率更低、更易于管理的中頻信號。由于現有模數轉換技術(shù)的局限性，通常都需要將模擬射頻信號轉換為低中頻或基帶信號?；旧犀F有的模數轉換器在采樣頻率、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(mǎn)足許多軟件無(wú)線(xiàn)電應用的要求。超外差架構如圖1所示。硬件無(wú)線(xiàn)電（HDR）架構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。射頻和模擬系統設計富有挑戰性—— 由阻抗引起的駐波、諧波失真和反射，I/Q失配以及設備泄漏都很難檢測，造成的影響也難以量化。另外由于教育機構偏重于培養“數字”工程師，導致行業(yè)中的射頻和模擬專(zhuān)家正日益減少。

　　硬件無(wú)線(xiàn)電架構除了技術(shù)上實(shí)現起來(lái)較有難度外，還有一些明顯的缺點(diǎn)：密集模擬設計復雜度高，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(gè)系統的體積；高能耗必然帶來(lái)散熱問(wèn)題和冷卻要求；造價(jià)高昂，且成本隨著(zhù)通道數增加而成倍遞增；固定頻點(diǎn)會(huì )造成僵化；硬件上的系統參數（頻道數及頻道帶寬等等）固定，因此系統的修改和重新設計都需要大量的研發(fā)工作和更高的成本。

　　與軟件無(wú)線(xiàn)電的比較

　　軟件無(wú)線(xiàn)電的概念并不新鮮。盡管“軟件無(wú)線(xiàn)電”這個(gè)詞匯是由Joseph Mitola在1991年提出并于1992年發(fā)表了專(zhuān)題論文，但實(shí)際上國防部門(mén)從20世紀70年代以來(lái)就一直在沿用這一概念。軍方的目的是要開(kāi)發(fā)出靈活且可編程的無(wú)線(xiàn)電架構，這種架構可以輕松地適應不斷變化的地面條件?；旧?，無(wú)線(xiàn)電的特點(diǎn)應該是由軟件而不是硬件定義的。無(wú)線(xiàn)基礎設施開(kāi)發(fā)者很快認識到軟件無(wú)線(xiàn)電在降低硬件開(kāi)發(fā)成本和增加收益方面的潛力。一個(gè)軟件可編程基站很容易通過(guò)調整來(lái)支持新興行業(yè)標準，既不需要升級硬件，也不需要派遣維護工程師到達現場(chǎng)。這就要求無(wú)線(xiàn)電的特征在數字域而不是在模擬域定義。圖2所示只是簡(jiǎn)圖，但一般而言，只需要配置一個(gè)預選濾波器、一個(gè)低噪聲放大器（LNA）和一個(gè)差分可變增益放大器（VGA）即可。模數轉換器往往需要一個(gè)精確的時(shí)鐘源——由于模數轉換器對射頻信號直接采樣，因而對時(shí)鐘源的要求比以前更加嚴格。應用該方法，整個(gè)信號帶即可數字化，再也不需要復雜的非線(xiàn)性的混頻器、本地振蕩器和濾波器（中頻以及基帶）。而同時(shí)，這里模數轉換器也對前端器件提出了嚴格的要求。

　　軟件無(wú)線(xiàn)電在一個(gè)開(kāi)放的公共硬件平臺上利用不同可編程的軟件方法實(shí)現所需要的無(wú)線(xiàn)電系統。簡(jiǎn)稱(chēng)SWR。理想的軟件無(wú)線(xiàn)電應當是一種全部可軟件編程的無(wú)線(xiàn)電，并以無(wú)線(xiàn)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制。

　　模數轉換器要求：

　　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）和互調失真；

　　低功耗；

　　推薦具備的模擬特性：?jiǎn)坞娫窜?、自?dòng)校準、可調輸入增益和偏置；

　　推薦具備的數字特性：多芯片同步功能、可編程數據接口（數據速率、數據采集時(shí)鐘、數據/數據時(shí)鐘的相位關(guān)系）和測試模式。

　　時(shí)鐘要求：

　　超低基底噪聲-亞皮秒級RMS抖動(dòng)；

　　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。

　　模數轉換器驅動(dòng)電路要求：

　　寬帶寬等于模數轉換器的輸入帶寬；

　　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(wú)線(xiàn)電的優(yōu)點(diǎn)反映了硬件無(wú)線(xiàn)電的缺點(diǎn)。更少的模擬元件意味著(zhù)更低的模擬復雜度，而射頻信號處理過(guò)程的簡(jiǎn)化意味著(zhù)更少的射頻屏蔽。這使設計體積更小，結構更為緊湊，而且功率更低?？闪⒓垂澥∮布烷_(kāi)發(fā)成本，但主要優(yōu)勢來(lái)自于軟件無(wú)線(xiàn)電固有的靈活性。相比硬件無(wú)線(xiàn)電這確實(shí)是一個(gè)顯著(zhù)的優(yōu)勢。軟件可編程性允許從遠程位置更改或者完全改變無(wú)線(xiàn)電規格，而這樣的更改不會(huì )對硬件造成任何修改。通過(guò)提供對新3 G或4 G標準的兼容性，網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商可以升級通信基站。無(wú)線(xiàn)電結構具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）更好的靈活性。工作站的容量和開(kāi)發(fā)環(huán)境均優(yōu)于專(zhuān)用DSP芯片，容易實(shí)現新協(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(hù)可以很方便地通過(guò)更新軟件來(lái)增強現有設備功能。（3）易與其他應用結合。虛擬無(wú)線(xiàn)電的研究將無(wú)線(xiàn)和其他應用的界限模糊化了，提高了功能性和端到端的有效性。

　　值得一提的是軟件無(wú)線(xiàn)電的崛起并非意味著(zhù)模擬系統的消亡。正相反，超高性能的放大器、頻率合成器以及時(shí)鐘調節器等模擬系統都已廣泛應用于軟件無(wú)線(xiàn)電的設計中。

　　軟件無(wú)線(xiàn)電組件解決方案

　　如圖3所示，ADC12D1800由兩個(gè)通道組成，在獨立通道運行時(shí)采樣率高達3.6 GS/s，而在雙通道交叉運行時(shí)采樣率高達1.8 GS/s。該設備在3.6 GS/s條件下運行時(shí)比現有的任何12位設備都要快3.6倍。該模數轉換器的模擬輸入帶寬為2.8 GHz，基底噪聲動(dòng)態(tài)性能為-147 dBm/Hz，噪聲功率比（NPR）為52 dB，互調失真（IMD）為-61 dBFS，這樣的規格可以滿(mǎn)足很多軟件無(wú)線(xiàn)電應用要求。

　　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(guò)2 GHz時(shí)，內部的跟蹤/保持放大器和擴展的自校準機制也能使系統對于所有的動(dòng)態(tài)參數都獲得平坦的響應，同時(shí)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）及互調失真（IMD）方面有良好的性能，ADC12D1800在125 MHz時(shí)也擁有57.8 dB的信噪比（SNR）、67 dBc的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）以及9.2位有效位數。低壓差分信號（LVDS）輸出可配置為1:1或1:2解復用模式。