作者：DANIEL E. FAGUE，STEVEN ROSE

每個軍用無線電設計人員面臨的一個設計約束是，在設計盡可能高質量的信號帶寬與無線電功耗之間進行權衡。無線電設計人員滿足此約束的方式決定了無線電的大小和重量，并從根本上影響無線電的位置，包括建筑物、塔樓、桿子、地下車輛、背包、口袋、耳朵或眼鏡。

每個無線電位置都有與其位置相稱的可用功率量。例如，建筑物或塔樓可能比口袋里的智能手機或耳朵里的藍牙耳機有更多的電力。

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，使用這些組件的設備已經兌現(xiàn)了更小、功能更強大、更輕或在某些情況下三者兼而有之的無線電的承諾。這些升級可以將設備放置在以前由于某些其他限制而禁止的位置，例如當單元可以安裝在塔上時減少建筑物所需的空間量，如果單元的重量足夠低，則可以減小到桿單元的塔式無線電單元的大小， 或者由于其重量而需要用車輛攜帶的單元，現(xiàn)在可以打包攜帶。

當今的環(huán)境充滿了需要建筑物、塔樓、電線桿和車輛的傳統(tǒng)裝置。在將世界上的人們相互連接的需求的驅動下，工程師通過設計具有當時可用組件的設備來應對這一挑戰(zhàn)，這些設備通過我們今天擁有的通信豐富的環(huán)境交付給我們。人們可以在幾個不同的網絡之一上幾乎任何位置進行通話、文本、IM、拍照、下載、上傳和瀏覽，包括移動網絡無線 LAN、臨時短程無線網絡等。它們都連接到寬帶有線網絡，數(shù)據由射頻電纜傳輸，最終通過光纖傳輸。

增強的視頻體驗

正如一些研究表明，1，2 預計未來十年對數(shù)據的需求將繼續(xù)增加。這一不斷增長的數(shù)字是由對需要更寬帶寬的更豐富數(shù)據內容的看似永不滿足的需求推動的。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多的高清電視頻道，繼續(xù)在家庭寬帶服務方面展開競爭。向超高清（UHD或4K清晰度）電視的轉變需要高清電視的兩倍以上容量，并且需要比目前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）以及游戲和 3D 效果（如具有多維自由度的 180 度或全景觀看）均采用 4K 超高清電視，每位用戶需要多達 1 GB 的帶寬2。此外，在線游戲需要網絡中的對稱數(shù)據帶寬，因為延遲時間至關重要，這一需求正在推動更寬帶寬的上行傳輸能力的發(fā)展。這種對更寬上游能力的需求反過來又促使設備制造商升級其設計，以實現(xiàn)對稱、寬帶寬傳輸。

當今RF轉換器的增強功能對于實現(xiàn)此類豐富視頻內容的交付至關重要。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調制方案，例如 256-QAM ［正交幅度調制］、1024-QAM 和 4K-QAM。由于安裝的同軸電纜設備和分配放大器的有限帶寬為1.2 GHz至1.7 GHz，因此需要這些高階調制方法來提高每個通道的頻譜效率。 前端傳輸設備的更高性能延長了已安裝設備基礎的使用壽命，緩解了資本預算限制，并允許多個服務運營商（MSO）有更長的時間窗口來升級其設備和傳輸系統(tǒng)。

多頻段、多模測試

今天的智能手機與傳統(tǒng)手機更不像，因為其中包含了更多的功能。其中許多功能都有與之關聯(lián)的無線電;因此，今天的移動設備中有超過五七個或更多的無線電。由于所有這些無線電都必須在智能手機生產時進行測試，因此多模通信測試儀的制造商面臨著新的挑戰(zhàn)。盡管測試數(shù)量隨著無線電數(shù)量的增加而增加，但需要速度來降低測試成本。在移動設備中為每個無線電構建不同的無線電硬件在測試儀的尺寸和成本方面變得不切實際。隨著更多頻段的開放或提議用于移動服務3，測試移動設備中越來越多的無線電的挑戰(zhàn)也在增加。

RF轉換器可以很好地解決這一挑戰(zhàn)：在發(fā)射器和接收器中，RF轉換器可以提供傳統(tǒng)無線電無法實現(xiàn)的靈活性。寬帶RF轉換器使測試人員能夠同時捕獲和直接合成每個頻段的信號，從而可以在移動設備中同時測試多個無線電。由于RF數(shù)模轉換器（DAC）和模數(shù)轉換器（ADC）內置了通道選擇器，這些多無線電信號在轉換器中得到高效處理。例如，在圖2中，每個RF DAC顯示三個通道選擇器，使三個不同的信號和頻段能夠直接合成、組合，然后通過數(shù)控振蕩器（NCO）進行數(shù)字上變頻，然后由RF DAC轉換為RF信號。

圖2|帶通道器的RF DAC示例。

其他細分市場（如國防和航空航天測試設備）對脈沖雷達和軍事通信的寬帶測試解決方案的需求不斷增加。由于需要測試的雷達、電子情報、電子戰(zhàn) （EW） 設備和通信設備的數(shù)量和類型，測試設備制造商必須創(chuàng)建具有豐富功能集的靈活儀器.4 例如，任意波形發(fā)生器必須能夠創(chuàng)建各種信號，包括線性頻率調制、脈沖信號、相位相干信號、 以及跨寬輸出頻率和帶寬范圍的調制信號。

測量設備必須具有相同的能力，以便在測試激勵器或變送器時接收此類信號。RF轉換器通過實現(xiàn)RF頻率的直接RF合成和測量來處理此應用。在某些情況下，這種方法可以消除對上轉換或下轉換的需求，而在其他情況下，可以減少單次轉換所需的次數(shù)。它還可以簡化硬件，從而降低其尺寸、重量和功耗 （SWaP） 要求。通過增加通道選擇器、插值器、NCO 和組合器等數(shù)字功能，可在專用的低功耗 CMOS ［互補金屬氧化物半導體］ 技術上實現(xiàn)高效的信號處理。

軟件定義無線電

RF轉換器可以成為軟件定義無線電的關鍵推動因素。RF轉換器能夠直接合成和捕獲多GHz范圍內的無線電頻率，通過消除整個上變頻或下變頻級，而是以數(shù)字方式實現(xiàn)它們，從而簡化了無線電架構。去掉模擬轉換級和相關混頻器、LO ［本振］合成器和濾波器可降低無線電的SWaP，使無線電能夠位于更多位置，并使用更小的電源工作。這種技術使無線電足夠小、足夠輕，可以隨身攜帶、在小型地面車輛中驅動或安裝在飛機、直升機和無人機 （UAV） 等各種機載資產中。

除了實現(xiàn)更好的跨平臺通信外，使用RF轉換器構建的無線電硬件還具有多功能以及多模和多頻段的潛力。由于RF轉換器現(xiàn)在能夠到達較低的雷達頻段，并且在不久的將來將達到較高的頻段，因此可以同時用作雷達和戰(zhàn)術通信鏈路的單個單元的概念可以成為現(xiàn)實。這種單位在現(xiàn)場維修、升級以及采購程序和成本方面具有明顯的杠桿作用。

直接合成和捕獲雷達頻率的能力使RF轉換器成為相控陣雷達系統(tǒng)的理想選擇。由于直接RF轉換器合成和捕獲消除了許多傳統(tǒng)的無線電硬件，因此單個信號鏈更小、更輕。因此，可以將許多這些無線電封裝到較小的空間中。適用于艦載或地面相控陣的陣列，以及用于信號情報操作的較小陣列和單元，都可以使用降低SWaP來構建。

射頻轉換器背后的技術

使RF轉換器成為可能的關鍵技術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、更低功耗6。包含軟件可編程的數(shù)字通道選擇器、調制器和濾波器對于構建高效靈活的無線電至關重要。這種更高效的DSP也為使用數(shù)字處理來幫助糾正轉換器中的模擬缺陷打開了大門。在模擬方面，每個新節(jié)點都提供更快的晶體管，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換器至關重要。

然而，僅靠工藝技術的進步是不夠的：幾個關鍵的架構進步也使這些轉換器成為可能。RF DAC的首選架構是電流轉向DAC架構。這種類型的DAC的性能取決于組成DAC的電流源的匹配。未校準的電流源匹配與電流源面積的平方根成正比.7 單位面積的匹配將隨著每個技術節(jié)點的提高而提高。然而，即使在最先進的節(jié)點中，對于高分辨率轉換器來說，具有足夠低的隨機失配的電流源也會非常大。擁有如此大的電流源會使轉換器變大，更關鍵的是，這種大電流源的寄生電容會降低DAC的高頻性能。

一個更具吸引力的解決方案是校準較小的電流源以達到所需的匹配水平，這可以顯著減少來自電流源的附加寄生蟲，從而在不影響高頻性能的情況下實現(xiàn)所需的線性度性能。如果正確完成，這種校準可以在溫度范圍內非常穩(wěn)定，這意味著校準只需要進行一次。穩(wěn)定的一次性校準避免了周期性的背景校準，從而節(jié)省了工作功耗，并減輕了由于在后臺運行校準而產生虛假產品的擔憂8。

另一種有助于在極高速度下滿足所需轉換器性能指標的架構選擇是用于控制DAC電流的開關架構的選擇。傳統(tǒng)的雙開關結構（圖4）在高速下運行時有幾個缺點.9， 10 由于驅動到雙開關的數(shù)據可以在一到多個時鐘周期的任何地方保持不變，因此尾節(jié)點將有一個依賴于數(shù)據的時間量來建立。如果時鐘速率足夠慢，以至于該節(jié)點在一個時鐘周期內建立，則這不是問題。然而，在非常高的速率下，該節(jié)點不會在一個時鐘周期內完全建立，因此與數(shù)據相關的建立時間將導致DAC輸出失真。如果使用四路開關（圖5），數(shù)據信號全部歸零。這導致尾節(jié)點電壓與數(shù)據輸入無關，從而緩解了上述問題。四通道開關還允許在時鐘的兩個邊沿更新DAC數(shù)據。此功能可用于有效地使DAC采樣速率加倍，而不會使時鐘頻率加倍11。

圖 4|用于控制DAC電流的傳統(tǒng)雙開關架構。

使用精心設計的電流源校準算法和四開關電流轉向單元 - 結合當今的精細線CMOS工藝 - 可以設計出能夠以非常高的速率采樣并具有出色動態(tài)范圍的DAC，從而可以在寬頻率范圍內合成高質量信號。當這種寬帶DAC與支持DSP相結合時，它就變成了一個非常靈活的高性能無線電發(fā)射器，可以配置為為本文前面提到的所有不同應用提供信號12。

圖 5|四開關結構可以緩解雙開關結構在高速運行時遇到的許多問題。

未來的無線電

雖然當今的RF轉換器已經使無線電架構設計發(fā)生了根本性的變化，但它們有望在未來實現(xiàn)更大的變化。隨著工藝技術的不斷進步和RF轉換器設計的進一步優(yōu)化，RF轉換器對功耗和無線電尺寸的影響將繼續(xù)縮小。這些合適的技術進步恰逢其時，使下一代無線電成為可能，例如新興的5G無線基站應用，以及大規(guī)模相控陣雷達和波束成形應用。深亞微米光刻技術將允許在RF轉換器芯片上放置更多的數(shù)字電路，集成數(shù)字預失真（DPD）13和波峰因數(shù)降低（CFR）算法等關鍵計算密集型功能，有助于提高功率放大器效率并顯著降低整體系統(tǒng)功耗。

這種集成將減輕高功耗FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）邏輯的壓力，并將這些功能轉移到功耗吝嗇的專用邏輯中。其他可能性包括將RF轉換器及其數(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計，并提供比特到天線的系統(tǒng)級無線電設計方法。

審核編輯：郭婷