簡介

無線通信網絡正在迅猛發展。消費者對增強數據服務的需求日益增長，對帶寬的使用率也在上升。新一代無線通信系統要求更高的數據吞吐速率、更低的功耗和更高的可靠性。這些要求通常互相沖突。為了滿足這些要求需要有高采樣速率、高信號帶寬、高效率的數模轉換器(DAC)解決方案。新一代高速DAC產品具有GSPS采樣率和輸入數據速率，可為多頻段、多標準無線電基站提供多載波GSM兼容性能，同時能夠降低系統的總功耗和散熱密度。本文討論高速轉換器如何藉由更高的采樣速率、更寬的數據帶寬以及更低的功耗，來幫助系統設計人員推動無線通信系統的創新。

高帶寬對系統的挑戰
現代移動基站的發射帶寬超過300 MHz并不是罕見現象。為了支持更寬數據帶寬和數字預失真技術的要求，提升了對高速DAC產品的可用信號帶寬和動態性能標準指標要求。為了實現更高的系統帶寬，存在三方面挑戰。

第一，更高的信號帶寬要求DAC采樣速率更快。奈奎斯特—香農采樣理論規定，轉換器采樣速率至少應為待合成信號頻率的兩倍。因此，在不考慮其它設計約束的情況下，DAC采樣速率需要以信號帶寬2倍的速率提高。而且模擬重構濾波是系統設計的另一重要因素，為了簡化這個濾波器的設計需要有更高的DAC采樣率。在無線發射機中使用矩形模擬濾波器既不可行，也無甚效果。實踐中，系統要求DAC采樣速率相對于合成信號帶寬有一定的過采樣比，以便在目標信號與需要抑制的高頻DAC采樣鏡像之間構建一個濾波器過渡帶。例如，如果要合成的信號帶寬是±50 MHz且中心頻率為150 MHz，則DAC輸出信號的上限是200 MHz；而如果要合成的信號帶寬是±150 MHz且中心頻率為300 MHz，則DAC輸出信號的上限是450 MHz。可以看出，第二種情況對DAC采樣速率的要求要高得多。

第二，更高的信號帶寬要求轉換器數據接口更快且更可靠。所需的信號帶寬與發射數據的吞吐速率成比例提高。要利用IQ調制實現300 MHz系統帶寬，雙通道DAC(I和Q)的組合輸入數據速率需為750 MSPS(假設濾波器滾降系數為0.2)。因此，輸入數據周期為1.33 ns，必須盡可能消除數據總線的位間時序不對準情況以便滿足建立和保持時序要求，這會給系統設計人員帶來巨大壓力。若采用傳統的并行數據接口方案，如LVDS和CMOS等，實現難度將非常大。新型JESD204B高速串行接口提供一種可靠且可擴展的解決方案，支持升級到更高的數據速率。

第三，集成電路(IC)器件并非理想器件。DAC也不例外。更高的輸出帶寬要求DAC器件提供更好的動態性能，原因有二：首先， 動態范圍一般隨著DAC輸出頻率的提高而降低。此外，當帶寬較大時，落入目標頻段內的雜散成分往往也更多。然而，系統雜散要求并不隨著信號帶寬變大而提高或而降低。無論支持多大的信號帶寬，移動基站都要滿足發射模板要求。具有出色動態性能的DAC會簡化系統的頻率規劃和濾波工作。

圖1和圖2顯示了AD9144 DAC以2,800 MSPS的DAC采樣速率合成一個80 MHz信號(16載波C-WCDMA)的實測頻譜性能。

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系統的低功耗和高可靠性挑戰
為了提高發射帶寬和數據容量，系統設計人員還面臨著其它挑戰，包括功耗、散熱和系統可靠性。這些方面常常不利于實現更高系統帶寬，有時甚至與這一目標相沖突。因此，系統設計人員需要一種能夠在同一封裝中實現更高特性集成度、更低功耗、更低工作發熱密度、更寬帶寬的新型DAC產品。

高速DAC產品近年來發展迅速，并且集成了更多的數字和模擬特性。DAC片內時鐘倍頻器PLL和通信專用信號處理特性就是兩個突出的例子。過去，這些特性是在系統中的其它地方實現，例如高速時鐘合成芯片器和基帶ASIC/FPGA。具備這些功能的DAC不僅能降低總BOM成本，而且可簡化設計并提高可靠性。由于DAC內置時鐘倍頻器，系統僅需為器件提供低頻參考時鐘。時鐘倍頻器鎖定外部參考時鐘，產生DAC內部使用的高速采樣時鐘。這樣就可以減少對高速時鐘耦合和PCB走線阻抗匹配的擔憂。功率檢測和保護等新數字特性為RF信號鏈提供額外的保護，防止其受到超范圍信號或異常系統行為損害。盡管集成度明顯提高，DAC器件的功耗與前代產品相比卻大致上保持穩定，甚至降低，這些歸功于硅工藝節點尺寸更小和高速DAC技術的進步，這對解決這些系統挑戰發揮了巨大作用。

除了功耗和碳排放更低以外，低功耗器件的另一大好處是熱量密度更低。無線通信系統通常是局限在水密性密閉的金屬機箱內。尺寸和重量限制一般不允許采用主動冷卻。IC器件產生的熱量需通過機箱散去。機箱內部的空腔和PCB溫度可能非常高，以至于會影響系統的長期可靠性。積累的熱量可能會影響PCB機械特性、器件與板之間的焊接接頭并加速老化，即IC器件電氣特性的也會產生長期偏移。系統中的熱分布/散熱并不均勻，產生熱量的主要是信號處理密集的器件，高速DAC是其中之一。因此，特性豐富且功耗很低的DAC對系統設計人員極具吸引力。

圖3和圖4分別顯示了AD9144在開啟和關閉DAC片內時鐘倍頻器的情況下，以1966 MSPS的DAC采樣速率合成一個4載波C-WCDMA信號的實測性能。

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系統在通用平臺設計方面的挑戰
在要求更廣覆蓋范圍和更寬帶寬的同時，消費者對數據服務需求的快速擴張，需要有則呼喚多標準無線電(MSR)基站支持。不同的無線電技術以及不斷增加的頻率分配使控制網絡和降低成本變得更為復雜。為了滿足這些需求，必須通過有效且相對廉價的方案來解決MSR基站構建問題，即通用平臺設計。DAC技術進步支持基站設計的這種發展。一般認為多載波GSM (MC-GSM)是對動態范圍要求最苛刻的空中標準。MC-GSM測試常用來判斷一款DAC產品是否支持通用平臺設計。

圖5和圖6顯示了AD9144以1,966 MSPS的DAC采樣速率合成一個6C-GSM信號的實測性能。

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小結
現代無線通信網絡正在朝著更多數據服務和更高帶寬使用率方向發展。為了支持這一趨勢，新一代無線通信系統必須具備更高的數據吞吐速率、更低的功耗和更高的可靠性。高速DAC技術的進步，例如ADI公司推出的AD9144，可以支持下一代多標準無線電設計，并且已經幫助系統設計人員在多個關鍵技術維度上實現了突破性創新。

作者簡介
Yi Zhang是ADI公司高速轉換器部門應用工程師。他于2007年加入ADI公司，擁有超過8年的高速轉換器產品和高速混合信號應用經驗。他為好幾代高速數模轉換器(DAC)產品撰寫了數據手冊、應用筆記和技術文章。他擁有康奈爾大學電氣工程碩士學位。

Michele Viani是ADI公司高速轉換器部門應用工程師，已工作5年。他既是產品工程師，也是應用工程師，負責評估高速數模轉換器產品，并向客戶提供技術支持以解決實施問題。他擁有倫斯勒理工學院電氣工程學士學位。