NS基于模数转换器系列的软件无线电应用

摘  要： 鉴于传统硬件无线电架构的特点和局限性，分析了软件无线电设计中模数转换器的应用要求，介绍了12位千兆级采样转换器的新产品系列以及与之匹配使用的差分放大器和时钟解决方案。

　　LMX2541是一个超低噪声频率合成器，它整合了一个高性能△-Σ小数N分频锁相环（PLL）、一个完全集成储能电路的压控振荡器（VCO）以及一个可选分频器。当配合高质量的参考振荡器时，LMX2541可产生非常稳定的低噪声信号。因此LMX2541成为ADC12D1800的理想时钟源。

　　LMX6554具有2.8 GHz的单位增益小信号带宽，且无需牺牲响应平坦度、带宽、谐波失真或输出噪声性能即可工作在增益大于1的环境下。它在830 MHz处有0.1 dB的增益平坦度，在150 MHz处有8 dB的噪声指数和-99 dB的互调失真。对于直流耦合应用，LMH6554有一个用于正确设置ADC121X00系列共模电压的共模输出电压引脚。

　　对制造商来说，随着技术的进步，无线通信产品的生命周期越来越短，因此针对单一产品线的投资风险很大。基于SDR产品的生产将比传统产品原材料成本低，且产品寿命长，这就意味着投资风险低。同时，由于它简单化及标准化硬件使得产品容易生产。因此，制造商生产基于SDR技术的产品，可得到远大于生产传统产品的效益。

　　软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势力要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（A/D和D/A变换）尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。本文还将介绍与之匹配使用的差分放大器和时钟解决方案。

　　传统硬件无线电架构的特点和局限

　　外差、零差、低中频这类众所周知的接收器架构，每种都有其独特的优势以及缺点。它们的共同特点在于，不管是双转换或单转换架构都是通过混频或者下变频将射频信号向下转换为频率更低、更易于管理的中频信号。由于现有模数转换技术的局限性，通常都需要将模拟射频信号转换为低中频或基带信号。基本上现有的模数转换器在采样频率、模拟输入带宽和输入采样宽带噪声的跟踪和保持方面还不足以满足许多软件无线电应用的要求。超外差架构如图1所示。硬件无线电（HDR）架构需要高性能的混频器，这种混频器要求滤波器具有优异的幅度/相位匹配能力、低本振泄漏电平、高Q值及低插入损耗。射频和模拟系统设计富有挑战性—— 由阻抗引起的驻波、谐波失真和反射，I/Q失配以及设备泄漏都很难检测，造成的影响也难以量化。另外由于教育机构偏重于培养“数字”工程师，导致行业中的射频和模拟专家正日益减少。

　　硬件无线电架构除了技术上实现起来较有难度外，还有一些明显的缺点：密集模拟设计复杂度高，需要大量的电能和电路板面积；为了降低电磁干扰（EMI），通常都需要增加射频屏蔽，而这又进一步增大了整个系统的体积；高能耗必然带来散热问题和冷却要求；造价高昂，且成本随着通道数增加而成倍递增；固定频点会造成僵化；硬件上的系统参数（频道数及频道带宽等等）固定，因此系统的修改和重新设计都需要大量的研发工作和更高的成本。

　　与软件无线电的比较

　　软件无线电的概念并不新鲜。尽管“软件无线电”这个词汇是由Joseph Mitola在1991年提出并于1992年发表了专题论文，但实际上国防部门从20世纪70年代以来就一直在沿用这一概念。军方的目的是要开发出灵活且可编程的无线电架构，这种架构可以轻松地适应不断变化的地面条件。基本上，无线电的特点应该是由软件而不是硬件定义的。无线基础设施开发者很快认识到软件无线电在降低硬件开发成本和增加收益方面的潜力。一个软件可编程基站很容易通过调整来支持新兴行业标准，既不需要升级硬件，也不需要派遣维护工程师到达现场。这就要求无线电的特征在数字域而不是在模拟域定义。图2所示只是简图，但一般而言，只需要配置一个预选滤波器、一个低噪声放大器（LNA）和一个差分可变增益放大器（VGA）即可。模数转换器往往需要一个精确的时钟源——由于模数转换器对射频信号直接采样，因而对时钟源的要求比以前更加严格。应用该方法，整个信号带即可数字化，再也不需要复杂的非线性的混频器、本地振荡器和滤波器（中频以及基带）。而同时，这里模数转换器也对前端器件提出了严格的要求。

　　软件无线电在一个开放的公共硬件平台上利用不同可编程的软件方法实现所需要的无线电系统。简称SWR。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电，并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。全部可编程包括可编程射频（RF）波段、信道接入方式和信道调制。

　　模数转换器要求：

　　千兆赫兹的采样率和奈奎斯特带宽；

　　低基底噪声；

　　高噪声功率比（NPR）和互调失真；

　　低功耗；

　　推荐具备的模拟特性：单电源轨、自动校准、可调输入增益和偏置；

　　推荐具备的数字特性：多芯片同步功能、可编程数据接口（数据速率、数据采集时钟、数据/数据时钟的相位关系）和测试模式。

　　时钟要求：

　　超低基底噪声-亚皮秒级RMS抖动；

　　优秀的寄生噪声性能；

　　推荐具备的特性：高集成度，可编程输出频率和功率。

　　模数转换器驱动电路要求：

　　宽带宽等于模数转换器的输入带宽；

　　带外增益平坦；

　　低噪声和失真；

　　推荐具备的特性：增益和共模电压控制。

　　软件无线电的优点反映了硬件无线电的缺点。更少的模拟元件意味着更低的模拟复杂度，而射频信号处理过程的简化意味着更少的射频屏蔽。这使设计体积更小，结构更为紧凑，而且功率更低。可立即节省硬件和开发成本，但主要优势来自于软件无线电固有的灵活性。相比硬件无线电这确实是一个显着的优势。软件可编程性允许从远程位置更改或者完全改变无线电规格，而这样的更改不会对硬件造成任何修改。通过提供对新3 G或4 G标准的兼容性，网络运营商可以升级通信基站。无线电结构具有以下几个特点：（1）更好的灵活性。工作站的容量和开发环境均优于专用DSP芯片，容易实现新协议和信号处理新算法以及性能的改进提高。（2）升级快捷。用户可以很方便地通过更新软件来增强现有设备功能。（3）易与其他应用结合。虚拟无线电的研究将无线和其他应用的界限模糊化了，提高了功能性和端到端的有效性。

　　值得一提的是软件无线电的崛起并非意味着模拟系统的消亡。正相反，超高性能的放大器、频率合成器以及时钟调节器等模拟系统都已广泛应用于软件无线电的设计中。

　　软件无线电组件解决方案

　　如图3所示，ADC12D1800由两个通道组成，在独立通道运行时采样率高达3.6 GS/s，而在双通道交叉运行时采样率高达1.8 GS/s。该设备在3.6 GS/s条件下运行时比现有的任何12位设备都要快3.6倍。该模数转换器的模拟输入带宽为2.8 GHz，基底噪声动态性能为-147 dBm/Hz，噪声功率比（NPR）为52 dB，互调失真（IMD）为-61 dBFS，这样的规格可以满足很多软件无线电应用要求。

　　ADC12D1800以1.9 V的单电源供电，由0.18 μm纯CMOS工艺制造，每通道的功率仅为2.05 W。该设备每通道具有多芯片同步、可编程增益和偏置电路。即便在输入频率超过2 GHz时，内部的跟踪/保持放大器和扩展的自校准机制也能使系统对于所有的动态参数都获得平坦的响应，同时误码率可降低到令人难以置信的10-18。除了在基底噪声、噪声功率比（NPR）及互调失真（IMD）方面有良好的性能，ADC12D1800在125 MHz时也拥有57.8 dB的信噪比（SNR）、67 dBc的无杂散动态范围（SFDR）以及9.2位有效位数。低压差分信号（LVDS）输出可配置为1:1或1:2解复用模式。