摘  要： 鑒于傳統(tǒng)硬件無(wú)線電架構(gòu)的特點(diǎn)和局限性，分析了軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用要求，介紹了12位千兆級(jí)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(shí)鐘解決方案。
關(guān)鍵詞： 硬件無(wú)線電；軟件無(wú)線電；ADC；差分放大器；時(shí)鐘源

    顧名思義，軟件無(wú)線電（SDR）是指無(wú)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(shì)：復(fù)雜度低，尺寸更小，功耗更低，升級(jí)方便，降低了硬件開(kāi)發(fā)和重復(fù)設(shè)計(jì)的成本。但是軟件無(wú)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(shí)鐘。本文將介紹12位千兆級(jí)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(wú)線電的諸多優(yōu)點(diǎn)，在軍用雷達(dá)、通信、有線機(jī)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(shí)鐘解決方案。
傳統(tǒng)硬件無(wú)線電架構(gòu)的特點(diǎn)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)以及缺點(diǎn)。它們的共同特點(diǎn)在于，不管是雙轉(zhuǎn)換或單轉(zhuǎn)換架構(gòu)都是通過(guò)混頻或者下變頻將射頻信號(hào)向下轉(zhuǎn)換為頻率更低、更易于管理的中頻信號(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)換為低中頻或基帶信號(hào)?；旧犀F(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(wú)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(jí)（外差）或單級(jí)（零差）架構(gòu)都需要進(jìn)行大量具有挑戰(zhàn)性的模擬信號(hào)調(diào)節(jié)。硬件無(wú)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(cuò)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(jì)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(cè)，造成的影響也難以量化。另外由于教育機(jī)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(wú)線電架構(gòu)除了技術(shù)上實(shí)現(xiàn)起來(lái)較有難度外，還有一些明顯的缺點(diǎn)：密集模擬設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)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，且成本隨著通道數(shù)增加而成倍遞增；固定頻點(diǎn)會(huì)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(jì)都需要大量的研發(fā)工作和更高的成本。
與軟件無(wú)線電的比較
    軟件無(wú)線電的概念并不新鮮。盡管“軟件無(wú)線電”這個(gè)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(shí)際上國(guó)防部門(mén)從20世紀(jì)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?；旧?，無(wú)線電的特點(diǎn)應(yīng)該是由軟件而不是硬件定義的。無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)者很快認(rèn)識(shí)到軟件無(wú)線電在降低硬件開(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(diào)整來(lái)支持新興行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如WiMax、UMTS、MC_GSM），既不需要升級(jí)硬件，也不需要派遣維護(hù)工程師到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。這就要求無(wú)線電的特征在數(shù)字域而不是在模擬域定義。為了實(shí)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(hào)調(diào)節(jié)。圖2所示只是簡(jiǎn)圖，但一般而言，只需要配置一個(gè)預(yù)選濾波器（用于消除帶外信號(hào)能量）、一個(gè)低噪聲放大器（LNA）和一個(gè)差分可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)即可。模數(shù)轉(zhuǎn)換器往往需要一個(gè)精確的時(shí)鐘源——由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)射頻信號(hào)直接采樣，因而對(duì)時(shí)鐘源的要求比以前更加嚴(yán)格。應(yīng)用該方法，整個(gè)信號(hào)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(shí)，這里模數(shù)轉(zhuǎn)換器也對(duì)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：?jiǎn)坞娫窜?、自?dòng)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(shí)鐘、數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)時(shí)鐘的相位關(guān)系）和測(cè)試模式。
時(shí)鐘要求：
    · 超低基底噪聲-亞皮秒級(jí)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(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)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(wú)線電的優(yōu)點(diǎn)反映了硬件無(wú)線電的缺點(diǎn)。更少的模擬元件意味著更低的模擬復(fù)雜度，而射頻信號(hào)處理過(guò)程的簡(jiǎn)化意味著更少的射頻屏蔽。這使設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)成本，但主要優(yōu)勢(shì)來(lái)自于軟件無(wú)線電固有的靈活性。相比硬件無(wú)線電這確實(shí)是一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)。軟件可編程性允許從遠(yuǎn)程位置更改或者完全改變無(wú)線電規(guī)格，而這樣的更改不會(huì)對(duì)硬件造成任何修改。通過(guò)提供對(duì)新3 G或4 G標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以升級(jí)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(jí)客戶端機(jī)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(yùn)營(yíng)商的成本降低，從而使客戶受益。
    值得一提的是軟件無(wú)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(shí)鐘調(diào)節(jié)器等模擬系統(tǒng)都已廣泛應(yīng)用于軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)中。
軟件無(wú)線電組件解決方案
    如圖3所示，ADC12D1800由兩個(gè)通道組成，在獨(dú)立通道運(yùn)行時(shí)采樣率高達(dá)3.6 GS/s，而在雙通道交叉運(yùn)行時(shí)采樣率高達(dá)1.8 GS/s。該設(shè)備在3.6 GS/s條件下運(yùn)行時(shí)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(dòng)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(wú)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(guò)2 GHz時(shí)，內(nèi)部的跟蹤/保持放大器和擴(kuò)展的自校準(zhǔn)機(jī)制也能使系統(tǒng)對(duì)于所有的動(dòng)態(tài)參數(shù)都獲得平坦的響應(yīng)，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(diào)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(shù)。低壓差分信號(hào)（LVDS）輸出可配置為1:1或1:2解復(fù)用模式。測(cè)試模式可用于系統(tǒng)調(diào)試。
    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(shù)N分頻鎖相環(huán)(PLL)、一個(gè)完全集成儲(chǔ)能電路的壓控振蕩器（VCO）以及一個(gè)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(shí)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(shí)，LMX2541可產(chǎn)生非常穩(wěn)定的低噪聲信號(hào)。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(hào)帶寬，且無(wú)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(duì)于直流耦合應(yīng)用，LMH6554有一個(gè)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(wú)線電架構(gòu)，如測(cè)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(jī)頂盒（STB）、信號(hào)情報(bào)以及激光檢波與測(cè)距（LIDAR）。這些系統(tǒng)過(guò)去都采用硬件無(wú)線電架構(gòu)。對(duì)于上述系統(tǒng)，軟件無(wú)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(shí)提供無(wú)限的靈活性和可編程性。通過(guò)重用通用模擬前端模塊升級(jí)設(shè)備也可有助于減少研發(fā)費(fèi)用。
    關(guān)于軟件無(wú)線電及上述產(chǎn)品的更多詳情，請(qǐng)參見(jiàn)：http://www.national.com/analog/adc/ultra_high_speed_adc。