可以直接在射頻范圍內合成信號的轉換器（RF轉換器）已經成熟到可以改變傳統無線電設計的程度。 RF轉換器具有數字化和合成高達2 GHz或3 GHz瞬時信號帶寬的能力，現在可以實現真正寬帶無線電的承諾，使無線電設計人員能夠大幅減少創建無線電所需的硬件數量，并啟用通過軟件實現新的可重新配置水平，這是傳統無線電設計所無法實現的。本文探討了RF轉換器技術的進步，使這種新型數據采集系統和寬帶無線電成為可能，并討論了軟件可配置性產生的可能性。

簡介

設計約束面向每個無線電設計師的是設計信號帶寬，以最高質量與無線電功耗進行權衡。無線電設計師如何滿足這一限制決定了無線電的大小和重量，并從根本上影響無線電的放置，包括建筑物，塔，桿，地下車輛，包，口袋，耳朵或眼鏡。每個無線電位置都有一定數量的可用功率，與其位置相稱。例如，建筑物或塔樓可能比口袋中的智能手機或耳機中的藍牙?耳機具有更多可用功率。在所有情況下，存在一個基本事實：無線電所消耗的功率越少，每單位功率能夠提供的吞吐量越多，無線電就越小，越輕。這帶來了巨大的后果，并且多年來一直是通信電子行業大部分創新的驅動力。

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，在某些情況下，使用它們的設備能夠實現更小，更多功能，更輕或三者的承諾。更小，更輕的設備具有更多功能，可以將這種更好的設備放置在之前由于某些其他約束而被禁止的位置，例如建筑物所需的不動產量，當設備可以減少時在塔上，塔式無線電單元的大小，如果單元的重量足夠低，可以減少到極單元，或者由于其重量而需要在車輛中攜帶的單元現在可以在一包。

今天的環境充滿了需要建筑物，塔樓，電線桿和車輛的傳統裝置。在需要將世界各地的人們彼此聯系的驅動下，工程師通過設計當時可用組件的設備來應對這一挑戰，并為我們提供了我們今天擁有的通信豐富的環境;我們可以在幾個不同的網絡之一，包括移動網絡無線局域網，臨時短距離無線網絡等，幾乎可以在任何地方進行通話，文本，即時消息，照片，下載，上傳和瀏覽。這些都連接到寬帶有線網絡，數據由射頻電纜傳輸，最終通過光纖傳輸。

增強視頻體驗

正如一些研究表明的那樣， 1,2 預計數據需求將持續增長到下一個十年。這是由對需要更寬帶寬的更豐富數據內容的看似無法滿足的需求所推動的。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高清晰度的電視頻道，繼續在寬帶服務上與家庭競爭。超高清（UHD或4k清晰度）電視的轉播要求是高清電視容量的兩倍以上，并且需要比現在使用的更寬的頻道帶寬。

此外，沉浸式視頻，包括虛擬現實（VR），以及具有多維自由度的180°或全景觀看等游戲和3D效果，全部采用4k UHD電視，每位用戶需要高達1千兆位的帶寬。 2 這遠遠超出簡單的4k UHD電視廣播和流媒體已經苛刻的需求。在線游戲需要網絡中的對稱數據帶寬，因為延遲時間是至關重要的，這推動了更寬帶寬上行傳輸能力的發展。這種對更廣泛上行能力的需求反過來又促使設備制造商升級其設計，以實現對稱的寬帶傳輸。

當今RF轉換器的增強功能對于實現此類豐富視頻內容的傳輸至關重要。它們必須能夠創建具有出色無雜散性能的高動態范圍信號，以便能夠使用更高階的調制方案，如256-QAM，1024-QAM和4k-QAM。由于安裝的同軸電纜設備和分配放大器具有1.2GHz至1.7GHz的有限帶寬，因此需要這些更高階調制方法來提高每個信道的頻譜效率。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，并使多個服務運營商（MSO）能夠在更長的時間內升級其設備和傳輸系統。

多頻段，多模測試

今天的智能手機與傳統手機相似，因為其中包含更多功能。這些特征中的許多具有與它們相關聯的無線電，因此，今天的移動設備中具有多達五個或七個或更多無線電。在生產智能手機時，必須對這些無線電中的每一個進行測試，這給多模通信測試儀的制造商帶來了新的挑戰。盡管測試的數量隨著無線電的數量而增加，但仍需要速度來降低測試成本。就測試器的尺寸和成本而言，為移動設備中的每個無線電建立不同的無線電硬件變得不切實際。隨著更多頻段開放或被提議用于移動業務， 3 在移動設備中測試越來越多的無線電的挑戰越來越多。

這一挑戰可以通過RF轉換器很好地解決。在發射器和接收器中，RF轉換器可以提供傳統無線電無法實現的靈活性。寬帶RF轉換器能夠同時捕獲和直接合成每個頻段的信號，從而可以同時測試移動設備中的多個無線電。通過RF DAC和RF ADC內置的通道器，可以在轉換器中有效地處理這些多個無線電信號。例如，在圖2中，顯示了每個RF DAC的3個信道器，使得三個不同的信號和頻帶能夠直接合成，組合，然后通過數字控制振蕩器（NCO）進行數字上變頻，然后由RF轉換為RF信號DAC。

在其他市場領域，如航空航天和國防測試設備，對脈沖雷達和軍事通信的寬帶測試解決方案的需求正在增加。由于需要測試的雷達，電子情報，電子戰設備和通信設備的數量和類型，測試設備制造商必須創建具有豐富功能的靈活儀器。 4 例如，任意波形發生器必須能夠在很寬的輸出頻率和帶寬范圍內產生各種信號，包括線性頻率調制，脈沖信號，相位相干信號和調制信號。測量設備必須具有相同的能力，以便在測試激勵器或發射器時接收這些信號。 RF轉換器通過在RF頻率下實現直接RF合成和測量，很好地滿足了這一應用。在某些情況下，這可以消除向上或向下轉換的需要，并且在其他情況下可以減少單次轉換所需的數量。這簡化了硬件，因此可以減小其尺寸，重量和功率要求。增加數字功能，如信道化器，內插器，NCO和合路器，可在專用的低功耗CMOS技術上實現高效的信號處理。

軟件定義的無線電

RF轉換器可以是軟件定義無線電中的關鍵推動因素。 RF轉換器能夠直接合成和捕獲數GHz范圍內的無線電頻率，通過消除整個上變頻或下變頻階段，而不是數字化地實現它們，簡化了無線電架構。模擬轉換級和相關混頻器，LO合成器和濾波器的移除減小了無線電的尺寸，重量和功率（SWaP），使無線電能夠位于更多的地方，并且可以使用更小的電源供電。這種技術使無線電體積小，重量輕，可以手動攜帶，在小型地面車輛中驅動，或安裝在各種機載資產中，如飛機，直升機和無人駕駛飛行器（UAV）。

< p>除了實現跨平臺的更好通信之外，使用RF轉換器構建的無線電硬件還具有多功能，以及多模和多頻帶的潛力。由于RF轉換器現在能夠到達較低的雷達波段，并且在不久的將來將達到更高的波段，因此可以用作雷達和戰術通信鏈路的單個單元的概念可以成為現實。這樣的單位在現場維修，升級，采購程序和成本方面提供了明確的杠桿作用。

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的理想選擇。由于直接RF轉換器的合成和捕獲消除了如此多的傳統無線電硬件，因此單個信號鏈更小更輕。因此，可以將許多這些無線電裝入較小的空間。適用于船載或地面相控陣列的陣列，以及用于信號情報操作的較小陣列和單元，可以使用較小的SWaP構建。

RF轉換器背后的技術< / h3>

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，數字柵極變得更快，更小，功耗更低。 6 這允許使用RF轉換器將重要的數字信號處理包含在芯片上合理的功率和面積。包含軟件可編程的數字信道化器，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還為使用數字處理幫助糾正轉換器中的模擬缺陷打開了大門。在模擬方面，每個新節點提供更快的晶體管，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。

僅靠流程技術的進步是不夠的 - 還有一些關鍵的架構改進使這些轉換器成為可能。 RF DAC的首選架構是電流控制DAC架構。這種類型的DAC的性能取決于構成DAC的電流源的匹配。未校準的電流源匹配與電流源區域的平方根成比例。 7 每個技術節點的單位面積匹配將得到改善。然而，即使在最先進的節點中，對于高分辨率轉換器具有足夠低的隨機失配的電流源也將非常大。具有如此大的電流源將使轉換器變大，并且更關鍵的是，該大電流源的寄生電容降低了DAC的高頻性能。更有吸引力的解決方案是校準較小的電流源以實現期望的匹配水平。這可以顯著減少來自電流源的增加的寄生電流，并因此允許所需的線性度性能而不損害高頻性能。如果操作正確，可以在整個溫度范圍內使校準非常穩定，這樣就可以進行一次校準。穩定的一次性校準意味著校準不需要在后臺定期運行，這樣可以節省操作功率并減輕由于校準在后臺運行而產生虛假產品的擔憂。 8

另一種有助于以極高速度滿足所需轉換器性能指標的架構選擇是選擇用于控制DAC電流的開關架構。傳統的雙開關結構（圖4）在非常高的速度下運行時有幾個缺點。 9,10 由于驅動到雙開關的數據可以在一到多個時鐘周期內保持不變，尾節點將具有數據依賴的時間量來結算。如果時鐘速率足夠慢以使該節點在一個時鐘周期內穩定，則這不是問題。但是，在非常高的速率下，該節點不會在一個時鐘周期內完全穩定，因此數據相關的建立時間將導致DAC輸出失真。如果使用四開關（圖5），數據信號全部返回到零。這導致尾節點電壓獨立于數據輸入，這緩解了上述問題。四通道開關還允許在時鐘的兩個邊沿更新DAC數據。此功能可用于有效地將DAC采樣率加倍，而不會使時鐘頻率加倍。 11

使用精心設計的電流源校準算法四開關電流控制單元與當今的細線CMOS工藝相結合，可以設計出能夠以極高的速率采樣并具有出色動態范圍的DAC。這允許在寬頻率范圍內合成高質量信號。當這個寬帶DAC與支持DSP結合使用時，它就變成了一個非常靈活的高性能無線電發射器，可以配置為前面提到的所有不同應用提供信號。

未來無線電

雖然當今的RF轉換器已經在無線電架構設計中實現了根本性的變革，但它們有望在未來實現更大的變革。隨著工藝技術的不斷發展和RF轉換器設計的進一步優化，RF轉換器對功耗和無線電尺寸的影響將繼續縮小。這些適當的技術進步正好趕上下一代無線電，例如新興的5G無線基站應用，如大規模MIMO，以及大規模相控陣雷達和波束成形應用。深亞微米光刻技術可以將更大量的數字電路放置在RF轉換器芯片上，集成了重要的計算功能，如數字預失真（DPD） 13 和波峰因數降低（CFR）算法提高功率放大器效率并顯著降低整體系統功耗。這種集成將減輕耗電的FPGA邏輯壓力，并將這些功能轉移到功率吝嗇的專用邏輯上。其他可能性包括將RF轉換器及其數字引擎與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，并為無線電設計提供比特到天線的系統級方法。利用RF轉換器，存在廣泛的機會。 RF轉換器是在可能的?之前的技術。