摘  要： 鑒于傳統(tǒng)硬件無線電架構(gòu)的特點和局限性，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。
關(guān)鍵詞： 硬件無線電；軟件無線電；ADC；差分放大器；時鐘源

    顧名思義，軟件無線電（SDR）是指無線電設(shè)備的關(guān)鍵特征是由軟件而非硬件決定的。這樣的架構(gòu)有很多優(yōu)勢：復(fù)雜度低，尺寸更小，功耗更低，升級方便，降低了硬件開發(fā)和重復(fù)設(shè)計的成本。但是軟件無線電架構(gòu)需要性能非常高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器和精確的時鐘。本文將介紹12位千兆級采樣轉(zhuǎn)換器的新產(chǎn)品系列，該系列轉(zhuǎn)換器集成了軟件無線電的諸多優(yōu)點，在軍用雷達(dá)、通信、有線機頂盒等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。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)，每種都有其獨特的優(yōu)勢以及缺點。它們的共同特點在于，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。不管是否存在頻率變換，雙級（外差）或單級（零差）架構(gòu)都需要進(jìn)行大量具有挑戰(zhàn)性的模擬信號調(diào)節(jié)。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（預(yù)選、鏡像抑制、抗混）。此類器件存在很多困擾影響：泄漏、直流偏置錯誤、閃爍噪聲、I/Q不匹配以及偶次諧波失真。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：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。基本上，無線電的特點應(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)（如WiMax、UMTS、MC_GSM），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。為了實現(xiàn)這一方法，數(shù)字化模塊必須靠近天線。在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前只需極少的模擬信號調(diào)節(jié)。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（用于消除帶外信號能量）、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。

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)點反映了硬件無線電的缺點。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)運營商可以升級通信基站。有線或衛(wèi)星電視服務(wù)供應(yīng)商在不增加額外調(diào)諧器的情況下即可直接升級客戶端機頂盒（STB）。雷達(dá)系統(tǒng)制造商也能受益于數(shù)字可編程頻率選擇技術(shù)。服務(wù)得到改善而運營商的成本降低，從而使客戶受益。
    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，在獨立通道運行時采樣率高達(dá)3.6 GS/s，而在雙通道交叉運行時采樣率高達(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/保持放大器和擴展的自校準(zhǔn)機制也能使系統(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。測試模式可用于系統(tǒng)調(diào)試。
    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。該鎖相環(huán)(PLL)可以產(chǎn)生31.6 MHz～4 GHz的頻率，同時歸一化基底噪聲達(dá)到前所未有的-225 dBc/Hz。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。
    很多系統(tǒng)都可受益于軟件無線電架構(gòu)，如測試儀器（頻譜分析器、數(shù)字示波器）、雷達(dá)、通信（衛(wèi)星、微波回程、光鏈路）、多通道機頂盒（STB）、信號情報以及激光檢波與測距（LIDAR）。這些系統(tǒng)過去都采用硬件無線電架構(gòu)。對于上述系統(tǒng)，軟件無線電都可減少元件數(shù)量和材料清單成本，降低解決方案規(guī)模及功耗，同時提供無限的靈活性和可編程性。通過重用通用模擬前端模塊升級設(shè)備也可有助于減少研發(fā)費用。
    關(guān)于軟件無線電及上述產(chǎn)品的更多詳情，請參見：http://www.national.com/analog/adc/ultra_high_speed_adc。