软件无线电应用推进数据转换器技术升级

摘要： 本文介绍了数据转换器在软件无线电技术中的应用，并对数据转换器技术在软件无线电应用中的发展与趋势做了简要分析。
关键词： 软件无线电；ADC；DAC；数据转换器

假设将来有一天，你的移动电话除了作为日常通信工具之外，还将融合汽车遥控器、卫星导航设备、电视接收机等多种功能，那将是多么令人向往的个人移动多媒体信息娱乐时代！
随着越来越多的移动电话成为结合通信、计算和娱乐功能的多合一设备，这些设备需要支持包括Wi-Fi、WiMAX、音视频广播、导航等多种射频(RF)标准。所有这些RF标准都使移动电话的设计变得更为复杂，而软件无线电(SDR)就是解决这些问题的答案。
SDR通过能够把宽的射频频谱数字化的高速模/数转换器(ADC)和数/模转换器(DAC)，为RF级和天线提供一个模拟接口。这样，就不必利用多个芯片来解码射频信号，从而在单一集成电路上用软件实现调制和解调，为SDR系统提供所需要的灵活性、频谱效率、低成本和小的形状因子。据iSuppli预测，在移动电话中SDR的应用将呈现强劲增长，交付使用的SDR移动电话将从2007年仅仅4.2万部上升到2014年的6740万部，如图1所示。

图1  移动电话中SDR的应用将呈现强劲的增长
随着软件无线电应用的发展，数据转换器成为了主要半导体器件供应商的竞争焦点之一，主要的厂商包括：TI、AD、Maxim、Linear和NS。本文试图向你说明，ADC和DAC转换器的进展已经接近软件无线电系统的要求，值得引起中国无线电系统设计工程师的关注。
ADC的瓶颈和发展趋势

尽管主要SDR技术的采用是由DSP和FPGA的发展所加速，但是，模拟性能的鸿沟却阻止SDR在许多常见应用中的使用，因此，掌握ADC和DAC转换器的进展对于软件无线电的应用有着积极的意义。对于ADC和DAC之类的器件，一般地说，性能要求的重点是噪声和失真特性。ADC器件的主要指标是信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR)，DAC器件的指标包括噪声频谱密度(NSD)、邻道泄漏比(ACLR)或邻道功率比(ACPR)。
转换器指标包含许多性能标准。除了噪声和失真之外，其它要求如采样率和带宽也是至关重要的。采样率需要足够地匹配应用带宽以满足奈奎斯特频率的要求。此外，过采样可以作为压低噪声密度的一种手段，但是，假如满足奈奎斯特频率，这就不是严格必需的。目前的采样率和在采样率上的技术进展已经跟上了应用需求。
另一方面，带宽总是小于应用需求。新的系统设计总是寻求以更高的频率进行采样(对于ADC来说)或合成(对于DAC来说)，其目的在于获得更高的中频(IF)，同时，满足直接RF采样及合成的要求。直接RF采样可能是极大地简化系统设计和进一步降低成本的关键。
然而，在高模拟频率上运行数据转换器存在一定的不利后果。由于时钟抖动和有限的偏斜率的原因，噪声和失真性能可能更糟糕。过去十年当中，高速转换器开发过程中的创新一直就集中在以更高的模拟频率改进转换器的工作。例如，尽管过去十年当中SFDR的改进不大，但是，输入带宽却得到了很大提高。图2所示为ADC带宽和SFDR的改进情况，该图清楚地表明IF采样转换器的性能持续得到改进。

图2  ADC带宽和SFDR的改进情况
大多数高速ADC用电容来采集输入信号，采样开关的导通阻抗与采样电容一起，自然而然地构成了一个滤波器。因此，ADC的带宽受到电容大小的限制，如方程1所示。电容越小，电路就越易于驱动，从而提高带宽并改进SFDR性能。图3所示为ADC噪声谱密度逐年降低的情况。
   (1)
其中，BW是转换器的带宽。除了改进SFDR性能和获得更大的输入带宽之外，该电路容许更多的噪声通过采样电容。输入噪声的增加会导致ADC SNR进一步降低，因此，这就引出了有趣的折衷问题，如方程2所示。
   (2)
尽管如此，对业已增加的输入带宽，SNR仍然保持相对平坦。通过把噪声分布在奈奎斯特带宽上，可以把SNR转换为NSD，从而生成一个系统设计工程师所使用的关键参数。高速转换器的NSD随着时间的推移而得到了改进，并且每年稳定提高大约1 dB/Hz。这就转化为改进了接收灵敏度，并进一步提高了SDR设计的可用动态范围。例如，对于GSM应用来说，典型的高速转换器的NSD必须在-157 dBm/Hz数量级或86dBFS(满刻度分贝)；无杂散性能要求大约为-110dBFS。从图2和图3可见，所要求的性能仍未达到，然而，这个发展趋势是显而易见的，而所需要的性能在下一代产品中应该能达到。

图3  ADC噪声谱密度逐年降低的情况
在许多高性能应用中，采用进一步提高集成度的ADC是重要的发展趋势。例如，AD6655 IF分集接收器提供高性能的接收器功能，包括ADC、数字调谐器和有助于构成自动增益控制(AGC)环路的功率检测。因为SDR系统需要宽的动态范围，所以，AGC是至关重要的。例如，在采样上，输入信号可能接近噪声基底，那么，在几次采样之内，输入就会被快速地驱动到逼近转换器的满刻度数值。AGC环路通常被用来维持在输入上的可能信号，与此同时，要对信号电平的突然增加做出响应，以防止对接收器输入的削波。

DAC的噪声性能至关重要
从DAC的观点看，主要性能要求是杂散信号、NSD、ACPR和ACLR。为了满足发射要求，通常要求DAC的SFDR大约为-75dBFS，如图4所示，对于现有这一代DAC都不成问题。

图4  现有DAC SFDR远远超过了典型的-75dBFS的发射要求
另一方面，噪声性能可能存在问题。因为SDR应用本质上是宽带应用，功率放大器的输出也是宽带的。系统中产生的任何噪声都将被放大并呈现在输出上。在DAC中的过度噪声可能被送到天线，然后，以过量RF噪声的形式发送出去。因此，系统噪声(包括DAC的噪声)必须被化。目前，的调制器(用于直接发射)具有大约-156 dBm或更好的输出噪声密度；理想情况下，DAC应该在这个电平之上或以下，以防整个系统的噪声大幅度增加。从图5可见，DAC的噪声显然低于调制器和混频器的噪声。以现有的技术基础而言，DAC对发展SDR系统的制约作用远远低于ADC。

图5 DAC噪声普密度逐年改进的情况

提高集成度以改进可用性
除了上述改进之外，其它的因素不仅仅增强了性能，而且改进了可用性。集成度就是增强标准转换器产品性能的一个重要因素。近年来，许多数字功能已经被添加到ADC和DAC之中，常见的有数字滤波器、转发器(interpolator)、降频器(decimator)、数控振荡器(NCO)以及其它有助于接收和发送工作的功能。
ADC片上降频器和DAC片上转发器的好处在于，可以极大地降低外部接口的速度，这允许采用速度较低的逻辑电路，并降低开关速度的要求，从而进一步降低整体噪声和数据转换器产生的杂散信号，终提高整个系统的性能。
尽管存在各种瓶颈，现有的曲线表明转换器的性能在稳步提高之中。随着这些转换器集成度的提高，不仅仅能够简化设计，而且系统的性能也将得到提高，下一代的转换器必将进一步弥合性能和功能上的鸿沟，终把软件无线电技术推向普及应用。

结语

作为SDR系统中的关键器件，ADC和DAC器件的性能将继续演变，它们对简化无线电系统的硬件设计有着至关重要的作用。
从图6的无线电频谱可见，除了 “甜蜜区”之外，随着半导体器件技术的发展，SDR技术将在更宽的频谱范围内获得推广应用，并出现各种应用软件和频谱使用方案。软件无线电技术将使未来的无线电产品具有可重配置性和满足多标准要求，因此，代表着未来无线技术发展的方向。对于中国无线电系统工程师来说，掌握的ADC和DAC技术的发展趋势，有助于推进软件无线电技术的现实应用！

图6 无线电频谱中的“甜蜜点”

参考文献：
1. iSuppli市场观察第65期，软件无线电在移动电话中获得强烈的认同, www.isuppli.com

2. Roadmap of IEEE Wireless Networking Spec Overview and C&I Issues, Terng-Yin Hsu

3. Converter performance approaches software-defined radio requirements, Brad Brannon, rfdesign.com

4. 软件定义无线电结构的测试仪器与RF测量的新热点，李仪，电子产品世界，2007-06-09

5．A Simple Guide To Radio Spectrum, Nigel Laflin and Bela Dajka

6．Maxim datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Maxim_1062568.html.