Marc Stackler, Teledyne e2v半導體亞太區產品應用工程師

多年來，數字收發機被應用在多種類型的應用中，包括地面蜂窩網絡、衛星通信和基于雷達的監視、地球觀測和監控。它們的性能直接影響新的5G移動網絡的效率和系統成本。

過去，收發機的系統工程師在這些應用中使用中頻架構。現在，高速數據轉換器的最新發展，使新型基于射頻采樣的架構成為可能。和過去的方案相比，它在系統層面有很多優勢。

這些優勢不僅包括"SWAP-C"——減少尺寸、重量、功耗和成本，還包括縮短投向市場的時間，以及軟件定義無線電(SDR)和軟件定義微波(SDM)帶來的靈活性。這使工程師可以在不同的應用中使用相同的支持多種配置和需求的硬件系統。

在討論最新一代的高速數據轉換器如何實現這些優勢之前，讓我們先看一看兩種不同的收發機系統的架構。

中頻架構

中頻架構需增加特定的射頻硬件，通過一個或多個中頻環節產生射頻頻率。這些環節被稱為發射(TX)端的上變頻器（其作用是把低頻轉變為高頻）和接收(RX)端的下變頻器（其作用是把高頻轉變為低頻）。圖1展示了兩級頻率轉換的架構。

圖1. 兩級頻率轉換的中頻架構的TX和RX端

上變頻器環節包括一個混頻器，其頻率由本地振蕩器(LO)提供，用來完成頻率轉換。接下來是濾波器環節，用來移除混頻或放大帶來的鏡像。圖2展示了這個兩級頻率轉換的例子中的連續轉換的環節。必須仔細處理頻率鏡像，以免產生由混疊和畸變引起的性能下降。這里我們不詳細討論。

圖2. 兩級頻率轉換的環節

在發射端，第一級上變頻器把基帶或第一奈奎斯特域的信號轉變成中頻(IF1)，第二級上變頻器把IF1信號轉變為射頻信號。在接收端的過程正好相反（射頻信號轉變為IF1，然后IF1信號轉變為基帶或第一奈奎斯特域的信號），然后ADC把模擬信號轉變為數字信號，用于解調的數字處理。不同的應用，頻率轉換器的數量和中頻的值是不同的，發射端和接收端的實現也不一定相同。

中頻架構是在“一戰”時發明的，從那時起就被廣泛應用，主要原因是它曾經是唯一的一種數字處理射頻信號的解決方案。如今，這種方案最主要的優勢是能提供高頻射頻信號和僅支持基帶頻率轉換的數據轉換器的接口。

由于多年來數據轉換器只能處理低頻和數字域的數據轉換，人們只能使用特定的模擬方案處理射頻頻譜，并進行數字化處理。這一方案的主要弊端在于增加了射頻硬件的數量，使SWAP-C和性能下降。另一個弊端是缺少靈活度，因為中頻已經被LO頻率和數據轉換器的輸入/輸出頻率決定了。如果不和另一種架構比較，這一弊端很難被發現。

射頻采樣架構
射頻采樣架構直接把射頻頻率轉變到數字域，不需要任何的上變頻器和下變頻器，其使用寬帶數據轉換器恢復射頻信號（如圖3所示）。

圖 3. 射頻采樣架構系統的TX和RX端

射頻采樣架構需要能直接在高奈奎斯特域完成信號轉換的模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)。奈奎斯特域是一個由香農-奈奎斯特采樣定理定義的寬度等于數據轉換器采樣率一半的頻帶，可表示為，這里k是整數。圖4表示信號如何在第四奈奎斯特域直接采樣。

圖4. 第四奈奎斯特域的射頻采樣

射頻采樣是使模擬域處理工作量達到最小的關鍵。把越多的處理工作放在數字域，系統的靈活度就越高——能夠在多個平臺重用硬件，減少投向市場的時間和認證的成本，降低風險。

除了能提高靈活度，射頻采樣架構還能通過移除模擬頻率轉換器來降低成本和功耗。經過幾十年的發展，現在，系統工程師們有充分的理由采用射頻采樣架構。

迄今為止，采用射頻采樣架構的應用的瓶頸在于數據轉換器的能力。現在的高速數據轉換器完全可以滿足高達C波段甚至X波段射頻采樣架構的需求，但是在更高的波段（比如K波段、E波段、V波段這些未來5G回程系統需使用的波段）的性能并不夠。

表1給出了中頻采樣和射頻采樣的高級別的比較。射頻采樣的優勢很大，但是也帶來了新的挑戰和要求，尤其是對于數據轉換器。

表1. 中頻和射頻采樣的高級別比較

數據轉換器的作用
今天的收發機的性能通常受限于數據轉換器，它在數字域和模擬域的接口上扮演著關鍵角色。無論選擇哪種架構，都需考慮ADC和DAC的性能和規格要求。但是，射頻采樣架構需要額外關注某些特定的關鍵指標，包括數據轉換器的模擬帶寬和DAC的輸出模式。

在解釋為什么這些參數對于這種架構非常重要的原因，以及它們如何影響系統性能之前，我們有必要回顧一下香農-奈奎斯特采樣定理是如何從理論上定義這種實現方案的。

香農-奈奎斯特采樣定理說，當采樣率至少是被采樣信號的總帶寬的兩倍時(即，這里，被采樣信號能夠被重建。這條定理通常被闡述成第一奈奎斯特域的版本，即。這對基帶系統是足夠的，但為了達到高奈奎斯特域的射頻采樣，必須理解完整版的定理。混疊效應會使得每個奇數的奈奎斯特域產生相同信息的信號，每個偶數的奈奎斯特域產生相反信息的信號，如圖5所示。通過在感興趣的奈奎斯特域進行抗混疊濾波，射頻采樣能關注包含有用信息的單個信號。

圖5. 混疊原理

射頻采樣需考慮的第一個額外的指標是ADC和DAC的模擬帶寬。器件的帶寬會產生和低通濾波器類似的影響，從而限制能在指定精度有效轉換的信號頻率。圖6表示一個簡單的例子，這里在第二奈奎斯特域之后，信號由于帶寬的限制產生了很大的衰減。

圖6. ADC/DAC的模擬帶寬對射頻采樣能力的影響實例

另外，還需考慮模擬前端的總帶寬。ADC和DAC模擬前端的放大器和濾波器會影響能夠被收發機還原的總帶寬。

帶寬并不是影響直接射頻采樣性能的唯一參數。由于數據轉換器的工藝和架構不同，性能會有很大的差異。例如，某些ADC和DAC使用CMOS工藝，帶寬超過6GHz，但是從3-5GHz的信號開始，性能就有明顯的降低。這是采用雙極型工藝和BiCMOS工藝制造ADC和DAC的主要原因之一，因為這些工藝可以保證即使在轉換頻率高于轉換器帶寬的情況下也能得到良好的性能。

當然，在高頻輸出時，帶寬對產生的輸出功率有很大的影響，從而限制系統的性能。但是，對于不需要非常高的輸出功率的應用，可以使用能夠產生高于標稱模擬帶寬的高頻信號的器件進行射頻采樣。當為射頻采樣選擇數據轉換器時，既要考慮帶寬，也要考慮高頻的性能。

另一個影響射頻采樣性能的DAC的參數是輸出模式，更準確的說，是對其產生的輸出功率的影響。DAC可以以不同的輸出模式產生輸出信號。比如，最新一代的DAC提供四種不同的輸出模式：

· 非歸零模式 (NRZ) – 最常見的輸出模式，在全采樣周期輸出采樣值

· 歸零模式 (RTZ) – 這種輸出模式也很常見，在半個采樣周期輸出采樣值，另外半個周期輸出0

· 窄歸零模式(NRTZ) – 這種輸出模式提供了NRZ模式和RTZ模式之間的靈活的解決方案，在采樣周期的某一段(X)輸出采樣值，前后的部分(1-X)/2輸出0

· 射頻模式 (射頻) – 這種輸出模式主要面向射頻采樣，在半個采樣周期輸出采樣值，另外半個周期輸出相反的值

從這些模式的頻率響應中能更容易理解輸出模式對輸出功率的影響。應該根據感興趣的奈奎斯特域選擇合適的模式，使輸出功率達到最大。這就是說，要基于采樣率和產生的射頻頻率選擇模式。例如，采樣率是6Gsps，輸出頻率在C波段（4-8GHz），在第二或第三奈奎斯特域，射頻模式的輸出功率最大，對輸出功率只有5dB的影響。

輸出模式的頻率響應取決于采樣率。工作在12Gsps采樣率、輸出頻率為C波段的DAC最多在第二奈奎斯特域，這時NRZ模式是最適合的。

對于應用在射頻采樣中的數據轉換器，除了常規的要求外，它們必須能在目標射頻頻率上達到足夠的輸出功率和性能指標，包括模擬帶寬、動態性能和輸出模式（只適用于DAC）。一旦選擇了合適的數據轉換器，就可在系統中應用射頻采樣架構。

使用最新ADC的架構對比
為了突出射頻采樣和中頻架構相比的優勢，Teledyne e2v最新一代的ADC可采用三種不同的配置：兩級中頻架構、單級中頻架構和射頻采樣架構。

表2展示了三種不同配置的功耗和噪聲。可以看出，移除每個下變頻器環節都能顯著降低系統的功耗，從雙下變頻器到射頻采樣架構降低了約25%。同時，噪聲性能并沒有變化。這是因為如果第一級的放大器能提供足夠的增益，噪聲性能通常由第一級的放大器決定。

表 2. 使用最新一代ADC的中頻和射頻采樣架構的性能對比

雖然不同形式的中頻架構的歷史悠久，但是如今數據轉換器的發展使這種架構越來越不適合射頻應用。射頻采樣架構有明顯的SWAP-C優勢，并隨著新一代的高速、高帶寬數據轉換器的發展而發展。數據轉換器技術的進步將帶來更高的性能，支持更高頻率的直接射頻采樣。