高速數據轉換器已在通信應用中使用多年，并且可以在構成我們互聯世界基礎的許多設備中找到，從蜂窩電話基站到電纜前端設備，再到雷達和專用通信系統。最近的技術進步使高速數據轉換器的時鐘速率能夠向越來越高的頻率移動。結合JESD204B高速串行接口，實現輸出數據的實際管理和傳輸，這些更高時鐘速率的數據轉換器形成了一類新的轉換器，稱為RF（射頻）數據轉換器。它們能夠直接合成或捕獲RF信號，而無需使用模擬無線電鏈進行傳統的上變頻或下變頻。

本文將重點介紹新的RF數模轉換器（RF DAC）系列產品AD9162和AD9164，以及它們拓寬軟件定義無線電（SDR）定義的能力。AD9164為RF DAC類帶來了新的性能水平，使傳統無線電設計比前幾代RF級或IF級DAC更高效。AD9164集世界最佳性能和豐富的功能集于一身，是將無線電環境從一個系統切換到另一個系統的自然選擇，離真正的軟件定義無線電更近一步。

介紹

傳統的無線電設備將高速數據轉換器與正交調制器結合使用，作為有線或無線通信鏈路的一些主要構建模塊。經典的外差、超外差和直接變頻架構共同需要發射器和接收器中的數據轉換器跨越從數字處理到真實模擬信號的邊界，然后再返回。除了濾波器技術和功率放大器技術外，數據轉換器技術的改進也為無線電設計的進步奠定了基礎。

使用一組基帶高速DAC實現的經典無線電發射器如圖1所示。數字基帶數據通過兩個同步高速數據轉換器發送，同相數據通過I DAC，正交數據通過Q DAC。DAC的輸出被發送到正交調制器。根據調制器的類型，其輸出可以是低中頻，例如200 MHz至400 MHz，較高的IF頻率，例如500 MHz至1 GHz，甚至是1 GHz至5 GHz范圍內的RF頻率。該圖顯示了隨后的上變頻到最終的最終頻率。產生的信號用帶通濾波器濾波，然后通過功率放大器和另一個帶通濾波器發送，例如，帶通濾波器可能是雙工器的一部分。

圖1.使用高速數據轉換器的經典超外差發射器圖示。

使用這種架構傳輸的瞬時帶寬通常為幾十到幾百MHz，主要受轉換器、功率放大器和濾波器帶寬的限制。這對于某些系統來說是不夠的，例如需要 500 MHz、1 GHz 甚至 2 GHz 無線電信道的新 E 波段微波回程無線電。如果考慮多頻段無線電，例如可能在無線基礎設施基站中實現，則可能需要同樣寬的500 MHz或700 MHz甚至1 GHz的間隔來覆蓋某些頻段組合。傳統的無線電將通過實現兩個無線電來解決這個問題，每個頻段一個。將無線電組合成一個無線電鏈可能更可取，無論是出于成本還是尺寸或其他因素。在這種情況下，需要一種新的方法。

使能技術

長期以來，高速數據轉換器技術開發的重點是提高數據轉換速率，同時保持一致的性能品質因數。品質因數包括噪聲頻譜密度（NSD）和無雜散動態范圍（SFDR）等項目。互調失真（IMD）也很重要，無論是單音信號還是調制信號，例如GSM和3G（WCDMA）和4G（OFDM）等流行無線通信系統，以及使用256 QAM的電纜應用中的信號。

更高的數據轉換速率為無線電設計人員帶來了幾個優勢。首先，信號圖像的頻率被推高，使模擬重建濾波器的設計更簡單、更易于實現。此外，更高的更新速率會產生更寬的第一奈奎斯特區，從而使轉換器能夠直接合成更高的輸出頻率。當直接合成的信號足夠高時，可以從無線電中移除整個模擬頻率轉換或上變頻階段，從而簡化頻率規劃并降低無線電的功耗和尺寸。更高的更新速率也增加了可用于傳播數據轉換器量化噪聲的帶寬量，從而為發射器的噪聲頻譜密度提供處理增益。

隨著CMOS工藝技術的進步，在數據轉換器中添加信號處理已變得司空見慣。DAC中新增的NCO和插值器功能集減輕了FPGA或ASIC實現這些功能的負擔和功耗，并使DAC能夠以比其他方式更低的數據傳輸速率運行。較低的數據速率降低了系統的總體功耗，在某些情況下，使結構速度可能高達300 MHz至400 MHz的數字芯片能夠與轉換器保持同步。在芯片上安裝NCO可以在數字域中實現無線電中的第一次頻率轉換，因此在當今的無線電中，通常可以找到數百MHz的中頻，由數據轉換器上的NCO和插值器實現。

信號處理射頻數字轉換器

RF數據轉換器的變化是RF轉換器能夠運行的最終更新速率，以及信號處理的添加也能夠處理這些速度。這種功能集和速度的強大組合可以極大地改變無線電架構設計，并為可重新配置和軟件定義的無線電開辟新的可能性。

圖2.AD9162和AD9164系列RF DAC的框圖

AD9162和AD9164系列RF DAC就是一個很好的例子。AD9162和AD9164的框圖如圖2所示。AD9162是一款16位、6 GSPS RF DAC，具有多種插值選項，從1×旁路模式到24×插值模式。插值器在經典的 80% 帶寬或更寬的 90% 帶寬下工作，以略高的功率提供更大的瞬時信號帶寬。數據路徑還具有最終的半帶插值器FIR85，如圖2中NCO之前的“HB 2×”模塊所示，可有效地將DAC更新速率提高一倍，達到12 GSPS，從而將圖像移得更遠，并放寬濾波要求。可選的FIR85后跟一個48位數控振蕩器（NCO），當啟用FIR6時，該振蕩器以12 GSPS更新速率或85 GSPS更新速率運行。NCO之后是一個x/sinx補償濾波器，它通過預先加重DAC內核的輸入來校正DAC的sinx/x滾降。

DAC內核采用ADI公司獲得專利的四通道開關架構設計1，提供卓越的無雜散動態范圍 （SFDR） 和噪聲頻譜密度 （NSD），從而獲得業界最佳的動態范圍，同時還提供四路開關支持的熟悉的 DAC 解碼器選項：不歸零 （NRZ） 模式、歸零 （RZ） 模式和混合模式?.FIR85為DAC解碼器增加了一項稱為2xNRZ模式的新功能，稍后將對此進行更詳細的描述。

AD9164具有AD9162的基本特性，并以快速跳頻（FFH）NCO引擎的形式增加了直接數字頻率合成（DDS）功能。FFH NCO 具有多項獨特的功能，使其對高速測試儀器、本振更換、安全無線電通信和雷達激勵器等市場極具吸引力。FFH NCO 引擎由 32 個 <> 位 NCO 實現，每個 NCO 都有自己的相位累加器和一個支持快速跳頻的選擇塊。

AD9162具有兩種針對特定市場的衍生產品。AD9161是一款11位、6 GSPS RF DAC，具有最小2×插值。AD9161 的 SFDR 和 NSD 適用于電纜頭端和遠程 PHY 應用，符合 DOCSIS 3.0 規范。信號帶寬和動態范圍降低，無需獲得AD9161的出口許可證。AD9163是一款16位、6 GSPS RF DAC，具有最小6×插值，保留主產品AD9162的全動態范圍。該器件的全動態范圍及其 1 GHz 的寬瞬時帶寬以及全范圍 NCO，使該器件適用于單頻段或雙頻段無線基礎設施基站以及傳統頻段的點對點微波系統，同時還具有無需出口許可證的優勢。表 1 總結了產品系列和主要特性。

表 1.AD9162和AD9164系列6 GSPS RF DAC特性和目標市場摘要

數字數據路徑亮點

數據通過9162通道、9164.8 Gbps JESD12B接口傳遞到AD5和AD204。這種高速串行接口減少了將數字基帶器件連接到DAC所需的導線數量，從而簡化了電路板布局的復雜性。數據手冊中提供了接口操作的詳細指南，ADI公司網站上提供了JESD204B接口的綜合指南。

AD9162和AD9164數據路徑中的第一個插值器是2×半帶或3×第三頻段濾波器。這些濾波器中的任何一個都具有可選的 80% 或 90% 信號帶寬。兩個濾波器都具有85 dB或更高的阻帶抑制。90%濾波器具有更尖銳的截止特性，因此抽頭次數更多，因此以更高的功率工作。其余2×半帶濾波器均以90%帶寬工作，以適應第一個插值器中的任何一個。FIR85 還以 90% 的帶寬運行。由于所有后續濾波器都在插值線的更下方，因此它們可以在90%帶寬下工作，而功耗增加幾乎不被注意。

FIR85在啟用時實現2xNRZ模式，其實現方式與其他插值器濾波器不同。它利用DAC的四通道開關架構，并使用DAC時鐘的上升沿和下降沿對數據進行采樣。這種采樣方法在時鐘的每個邊沿對新數據進行采樣，因此它可以將DAC的采樣速率提高一倍，達到12 GSPS。這會將信號的圖像推送到 2xf代數轉換器– f外從 F代數轉換器– f外，從而更容易使用可實現的模擬濾波器過濾圖像。這種采樣和插值方法使DAC輸出對時鐘平衡更加敏感，但DAC時鐘輸入需要調整，以調諧以獲得更好的性能。這些調整是通過串行外設接口（SPI）對寄存器進行編程來實現的。數據手冊中給出了詳細信息。

48位NCO是一款全正交NCO，可實現輸入數據信號的無圖像頻移或單個音調的直接數字合成。NCO 有兩種可選工作模式，相位連續或相位不連續頻率切換。在相位連續開關中，頻率調諧字（FTW）更新，但相位累加器未復位，從而導致頻率連續相位變化。在相位不連續模式下，當FTW更新時，相位累加器將復位。串行外設接口 （SPI） 保證為 100 MHz，以實現 FTW 的快速更新。

AD9164為NCO增加了一個重要特性——快速跳頻NCO（FFH NCO）。FFH NCO 通過額外的 32 個 32 位 NCO 實現，每個 NCO 都有自己的相位累加器。每個 NCO 都有自己的 FTW，因此可以在設備中總共編程 32 個 NCO FTW。提供FTW選擇寄存器，以便單個SPI寄存器字節寫入可以完成跳到新頻率，精度為100位。使用240 MHz SPI，這意味著可以在<> ns內選擇新的FTW，單字節寫入。

FFH NCO具有額外的相位相干跳頻模式，使其對儀器儀表和軍事應用具有吸引力。相位相干跳頻對于測試應用以及需要跟蹤激勵器信號相位以供以后使用的雷達應用非常重要。相位相干跳頻可以從一個頻率更改為另一個頻率，然后再回到原始頻率，而不會丟失對原始頻率相位累積的跟蹤。換句話說，它可以從一個頻率更改為另一個頻率，然后再返回，并且看起來好像頻率從未改變過。

應用和測量性能

AD9162和AD9164的信號處理特性和高采樣速率簡化了圖1所示的無線電架構。更新后的繪圖如圖 3 所示。由于RF數據轉換器可以直接合成所需輸出頻率的信號，因此不再需要正交調制器或上變頻混頻器。信號在數字處理器中創建，然后簡單地從RF數據轉換器播放。因此，實現變送器所需的硬件數量大大減少。此外，無線電更易于實現，無需校準正交調制器的LO和DAC輸入來抑制LO泄漏和不需要的鏡像，因為調制器在RF數據轉換器內以數字方式實現。

圖3.使用RF數據轉換器實現的無線電發射器架構。

這種類型的架構僅使用模擬低通濾波器來濾除數據轉換器的圖像，為可重新配置或軟件定義的無線電開辟了可能性。可以使用相同的數字部分、RF數據轉換器和重建低通濾波器，只需更改功率放大器和帶通濾波器，即可實現許多不同的無線電。圖 4 顯示了一個無線基站雙頻發射器輸出示例，該輸出由 5 MHz 的 1800 MHz WCDMA 載波和 5 MHz 的 2100 個 5 MHz WCDMA 載波組成。 圖 194 顯示了 DOCSIS 6.256 的 50 MHz 至 1.2 GHz 頻譜中兼容的電纜頭端發射器輸出示例，該輸出為 3 個 1 MHz 寬 6 QAM 載波。圖260顯示了一個240 ns的快速跳頻停留時間示例，寄存器編程（單字節寫入）為20 ns，跳頻時間為7 ns。圖9164顯示了AD125出色的相位噪聲性能，當采用10 GHz恒溫晶體振蕩器并合成4.3 GHz正弦波時，在9 kHz失調時具有優于–<> dBc/Hz的性能。

圖4.1.8 GHz 和 2.1 GHz 頻段的雙頻 WCDMA 信號。

圖5.DOCSIS 194.6 頻段（256 MHz 至 3.1 GHz）中的 50 個 1 MHz 2 QAM 信號。

圖6.AD9164的快速跳頻性能— 每跳260 ns停留時間。

圖7.AD9164的總相位噪聲性能DAC 時鐘信號源：偏移高達 4 kHz 的 600 GHz 恒溫晶體振蕩器，然后偏移超過 600 kHz 的信號發生器。

結論

RF數據轉換器可以簡化無線電架構設計，并通過消除無線電信號鏈中的許多組件來減小其尺寸。AD9162和AD9164將一系列令人興奮的特性和出色的RF性能結合到RF數據轉換器中，能夠滿足各種無線電發射器應用的需求，表明真正的軟件定義無線電比以往任何時候都更接近現實。

審核編輯：郭婷