鑒于SDR的接收器僅僅由一個(gè)低噪聲放大器 （LNA） 和一個(gè)濾波器和ADC組成，隨著半導(dǎo)體行業(yè)在RF采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 領(lǐng)域的進(jìn)步，那些預(yù)見(jiàn)到真正軟件定義無(wú)線電 （SDR） 的系統(tǒng)工程師們借此得以實(shí)現(xiàn)了之前的設(shè)想。例如：在RF波段范圍處于700MHz到3.8GHz之間的蜂窩通信基礎(chǔ)設(shè)施中，這一愿望就將很快成為現(xiàn)實(shí)。這是因?yàn)殡S著越來(lái)越多功能越來(lái)越強(qiáng)大的設(shè)備的涌現(xiàn)，能夠滿足用戶(hù)對(duì)更小外形尺寸、更低系統(tǒng)功耗和更高密度的要求，從而讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的構(gòu)想成為可能。

　　目前的高性能接收器主要使用一種外差架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，輸入信號(hào)的RF范圍在700MHz到數(shù)兆赫茲之間，隨后下行轉(zhuǎn)換為DC-500MHz之間的低中頻 （IF）。例如在某些諸如軍用雷達(dá)的應(yīng)用中，當(dāng)從10GHz（X波段）或者25至40GHz（Ka波段）范圍內(nèi)高很多的初級(jí)RF波段進(jìn)行下行轉(zhuǎn)換時(shí)，次級(jí)IF就在1至3GHz范圍（S波段，L波段）。

　　RF采樣ADC直接采集RF輸入，并因此取代了圖1中所示的整個(gè)下行轉(zhuǎn)換級(jí)。由于不使用RF本地振蕩器 （LO）、混音器和額外的增益與濾波級(jí)，從而節(jié)省了印刷電路板 （PCB） 面積，并可以實(shí)現(xiàn)更加緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。ADC的兆赫茲采樣時(shí)鐘，在輸入處于第二那奎斯特區(qū)間內(nèi)或者更高區(qū)間內(nèi)時(shí)，將已采樣RF能量下行轉(zhuǎn)換為較低的數(shù)字中間頻率，從而成為高效LO。與外差架構(gòu)中的混音器LO相類(lèi)似，ADC時(shí)鐘需要極佳的相位噪聲來(lái)防止來(lái)自較大信號(hào)的能量混合進(jìn)入小信號(hào)所處的同一頻率，因?yàn)檫@樣會(huì)降低接收器的靈敏度。

　　傳統(tǒng)RF采樣ADC需要極寬的數(shù)字接口來(lái)輸出數(shù)據(jù)。由于低壓差分信令 （LVDS） 通常情況下的速度最高只有大約1Gbps，所以一個(gè)12位，4Gsps ADC將會(huì)需要大約49個(gè)差分對(duì)（其中的48個(gè)用于數(shù)據(jù)，剩余的一個(gè)用于時(shí)鐘）。這就要求足夠大的封裝尺寸，和在PCB上較大的走線面積。而例如ADC12J4000使用了一款10Gbps JESD204b接口，只用8個(gè)差分對(duì)即可傳送同樣的數(shù)據(jù)量—將所需的差分對(duì)數(shù)量減少了83%（圖2）。對(duì)于窄帶應(yīng)用來(lái)說(shuō)，片上數(shù)字抽取濾波器 （DDC） 可實(shí)現(xiàn)片上芯片濾波，以進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)流量和所需的信道數(shù)量。例如，一個(gè)帶寬為100MHz的信號(hào)，只使用一條5Gbps的單信道即可以250Msps的速度進(jìn)行傳輸（具有IQ輸出的抽取因子32）。

　　RF采樣ADC的信噪比 （SNR） 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IF采樣ADC，然而動(dòng)態(tài)范圍并沒(méi)有變差。其原因是它們用過(guò)采樣來(lái)彌補(bǔ)了其中的差距，并且通過(guò)將每赫茲水平的SNR標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)了差不多的SNR。

　　例如，信噪比為70dB SNR的14位，250Msps ADC的噪聲頻譜密度 （NSD） 為-151dBFS/Hz，而信噪比為55dB SNR的12位，4Gsps ADC的NSD為-148dBFS/Hz。它們之間的差異只有3dB。

　　RF采樣ADC的優(yōu)勢(shì)

　　RF采樣ADC有兩個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)，一是將大量信號(hào)帶寬數(shù)字化，二是直接在RF上捕捉信號(hào)，從而簡(jiǎn)化了信號(hào)鏈。

　　但它還有一個(gè)鮮少被提及的優(yōu)勢(shì)，即在所需信號(hào)波段遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采樣率時(shí)，它能夠使用快速采樣率進(jìn)行頻率規(guī)劃。選擇一個(gè)至少比信號(hào)帶寬快5至10倍的采樣率可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠規(guī)劃那些無(wú)法濾除的帶內(nèi)干擾源的負(fù)面影響，因此可實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)范圍。

　　與外差接收器正好相類(lèi)似的是，ADC的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 （SFDR） 性能限制了對(duì)低輸入信號(hào)的檢測(cè)功能（圖3）。所需帶寬內(nèi)的干擾源（或者是通信基礎(chǔ)設(shè)施中的攔截器）是無(wú)法濾除的。這就要求信號(hào)鏈降低增益來(lái)避免ADC飽和。信號(hào)鏈中減少的增益會(huì)削弱把小信號(hào)（例如，“有用信號(hào)B”）提升到ADC噪底以上的能力，因而不能進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測(cè)。帶內(nèi)干擾源的諧波雜散還會(huì)落在有用信號(hào)的頂部，從而限制了接收器的靈敏度。這是軍用雷達(dá)（用來(lái)偵測(cè)小型物體），軟件定義無(wú)線電和蜂窩基站中的一個(gè)關(guān)鍵要素。

　　在過(guò)采樣配置中使用RF采樣ADC（諸如ADC12J4000）可以避免干擾源的限制諧波對(duì)小幅有用信號(hào)的阻斷。例如，200MHz的所需帶寬可在中央頻率為1.75GHz的RF上，以4Gsps的采樣率進(jìn)行采樣。前四個(gè)通常是高速ADC中最差的諧波（HD2，HD3，HD4和HD5），以及其他來(lái)自帶內(nèi)干擾源的交叉雜散就全都落在了波段之外（圖4）。

　　ADC采樣率的加快也放寬了對(duì)為驅(qū)動(dòng)放大器所需的對(duì)抗混疊濾波器的要求。200MHz波段可以用500Msps ADC進(jìn)行采樣，但是將會(huì)需要非常精確的濾波器，這是因?yàn)橄乱粋€(gè)圖像只隔了50MHz（假定波段在那奎斯特區(qū)域的中心）。相反地，采樣率為4Gsps，以1.75GHz為中心的同一波段，就只需要和針對(duì)最近距離大約為300MHz的圖像（混疊 = 2.15-2.35GHz，交叉圖像 = 1150-1350MHz）同樣的波段外濾波器衰減技術(shù)規(guī)格，對(duì)濾波器的要求就放寬了許多。

　　在成功使用頻率規(guī)劃后，SFDR性能只受到較高階諧波（不是HD2-5中的任何一個(gè)）的限制?？梢酝ㄟ^(guò)采用小信號(hào)抖動(dòng)來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)這些較高階雜散。兆采樣RF ADC的高采樣率提供很多“未占用”頻譜，可將波段受限抖動(dòng)放置在其中，而又不會(huì)影響到任何有用信號(hào)（圖5）。

　　抖動(dòng)是軟件定義無(wú)線電中的常用技術(shù)，并且可將雜散底噪改進(jìn)5至10dB。

　　總結(jié)

　　目前諸如ADC12J4000的RF采樣ADC可以大大提高超寬波段接收器的使用和性能。其高輸入帶寬在RF上直接實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的數(shù)字化，與此同時(shí)，快速采樣率又降低了濾波器要求，并實(shí)現(xiàn)了帶內(nèi)干擾器諧波周?chē)念l率規(guī)劃。通過(guò)添加片上數(shù)字濾波器來(lái)大大降低數(shù)字接口數(shù)據(jù)流量，從而使ADC12J4000成為小型、低功耗、下一代數(shù)字無(wú)線電的完美選擇 。

　　作者：Tommy Neu，德州儀器 （TI）系統(tǒng)工程師