人類對帶寬的需求是永無止境的。我們希望自己的智能手機(jī)可提供更多的游戲、更多的視頻流和更多的社交媒體互動(dòng)。此外，訪問網(wǎng)絡(luò)的人也比以往任何時(shí)候都多。所有這一切都使網(wǎng)絡(luò)必須用更多的帶寬來支持我們要求的數(shù)據(jù)和容量規(guī)定。
圖1展示了一種用于支持高帶寬信號的傳統(tǒng)接收器架構(gòu)。混頻器級可將射頻（RF）頻譜信號轉(zhuǎn)換成固定的中頻（IF）信號。正交解調(diào)器再將中頻信號向下轉(zhuǎn)換成復(fù)基帶（BB）信號，在復(fù)基帶處，信號被雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣并傳遞到數(shù)字處理器。
奈奎斯特采樣定理規(guī)定，采樣頻率必須至少是信號帶寬的兩倍；但在實(shí)踐中，采樣頻率甚至需要更高。
當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣速率是限制因素時(shí)，運(yùn)用所有可獲得的技巧來減少那種帶寬勢在必行。解調(diào)器可將信號分成兩條正交路徑，每條路徑的帶寬是原始信號帶寬的一半。即使采用該技巧，迄今為止也很難找到一種具有足夠采樣速率能力和動(dòng)態(tài)范圍來捕獲高端通信設(shè)備所需寬帶信號的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器......
圖1：適用于寬帶信號的傳統(tǒng)超外差接收器架構(gòu)
全新的更高采樣速率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（采樣速率高達(dá)4GSPS甚至超過4GSPS）可直接對大信號帶寬進(jìn)行采樣。此外，該器件還能直接在RF頻帶內(nèi)運(yùn)行。這就提供了一個(gè)全新的架構(gòu)選項(xiàng)，如圖2所示。該RF采樣接收器架構(gòu)不僅去除了RF混頻器級與其相關(guān)的本地振蕩器（LO）合成器，而且去除了正交解調(diào)器及相關(guān)的BB電路與LO合成器，并用單個(gè)RF采樣ADC取代了雙通道ADC。通過采用RF采樣ADC，信號路徑已被大大簡化。
該RF采樣架構(gòu)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了新的可能性 —— 最顯著增高的帶寬和更多的靈活性。RF采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可支持更高的帶寬，這能實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。該架構(gòu)還可提供更多的靈活性。無需模擬調(diào)諧，即可在RF頻帶的任何地方輕松捕獲想得到的信號。實(shí)際上，甚至沒必要知道該信號的確切位置。整個(gè)頻譜均能被捕獲，然后可在該處理器中以數(shù)字的方式提取特定信號。此外，減少組件數(shù)量還能降低功耗并縮減成本。
4-GSPS ADC12J4000等RF采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器支持較高密度的系統(tǒng)，這類系統(tǒng)可利用波束賦形天線或塊狀天線陣列（其中通道數(shù)量有所增加）。該架構(gòu)正為現(xiàn)在更靈活、成本更低效益更高的解決方案以及適用于下一代系統(tǒng)、數(shù)據(jù)速率更高且容量更大的新型系統(tǒng)鋪平道路。
RF采樣轉(zhuǎn)換器可捕獲高頻信號和大帶寬信號；但是，并非每種應(yīng)用都能利用需要極高速采樣的信號。就帶寬或輸出頻率不過高的情況而言，利用RF采樣轉(zhuǎn)換器的高采樣速率能力仍存在一大優(yōu)勢。
采樣定理規(guī)定，采樣速率必須至少是信號最大帶寬的兩倍。低于該速率的采樣被稱為欠采樣，會引起混疊現(xiàn)象；筆者的上一篇博客討論了這種方法的好處。高于該速率的采樣被稱為過采樣。過采樣可提供一些看似能讓您無視物理學(xué)定律的處理優(yōu)勢。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的關(guān)鍵測量參數(shù)之一是信噪比（SNR）。SNR可衡量所需信號功率與第一奈奎斯特區(qū)內(nèi)全部噪聲功率之間的相對電平。該奈奎斯特區(qū)的帶寬等于采樣速率除以2（Fs/2）。要記得，所有信號和噪聲均會折返到第一奈奎斯特區(qū)。該區(qū)實(shí)際上代表了該器件的整個(gè)帶寬。
過采樣的一大好處是，圖像分量可在頻率空間里被進(jìn)一步分離。這允許更輕松的模擬濾波，以便消除能向下混疊到被捕獲的帶寬范圍內(nèi)并降低接收器靈敏度的干擾信號。圖1展示了兩個(gè)實(shí)例：一種以接近奈奎斯特速率的速率采樣的信號以及一種被過采樣的信號。在被過采樣的實(shí)例中，模擬抗混疊濾波器更易實(shí)現(xiàn)。
過采樣可不受理論量化噪聲限制來改善該器件的SNR性能。這種量化噪聲跨奈奎斯特帶寬均勻分布。通過提高采樣速率，同樣的量化噪聲被分散在更大的奈奎斯特帶寬范圍內(nèi)。所需的信號保持不變。抽取與數(shù)字濾波相結(jié)合可降低噪聲帶寬，卻不會對所需的信號造成影響。注意，抽取意味著過采樣，因?yàn)楸仨氂锌晒┮瞥钠渌鼧颖尽Ｔ赗F采樣ADC中，更常提及的是抽取因子，而非過采樣速率；但這些參數(shù)實(shí)際上是等效的。
例如，要使抽取因子為2，必須讓信號的過采樣因子至少為2。在這個(gè)例子中，信號功率保持不變，但奈奎斯特帶寬被減半。這就消除了一半的噪聲功率，從而讓該ADC的SNR增加了3dB。第一個(gè)方程式表示因量化噪聲得到的理想SNR，其中N是該轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。第二個(gè)方程式則表示與抽取因子D相關(guān)的SNR改善值。
根據(jù)純量化噪聲分析，采樣速率每提高三倍（即增至原來的四倍），可讓分辨率增加一個(gè)有效位。從理論上講，通過以16倍于最小奈奎斯特速率的速率采樣，12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)14位轉(zhuǎn)換器的SNR性能。在實(shí)踐中，由于和孔徑抖動(dòng)、時(shí)鐘抖動(dòng)及熱噪聲相關(guān)的其它損害，RF采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器無法實(shí)現(xiàn)與量化噪聲限值相當(dāng)?shù)腟NR性能；但是，過采樣技術(shù)仍能提供幾乎完全一樣的相關(guān)SNR改善值。在許多通信系統(tǒng)中，這一好處是至關(guān)重要的。例如，ADS54J60是一款16位、1GSPS的ADC，它擁有抽取因子為2或4的選項(xiàng)。為改善SNR性能，設(shè)計(jì)人員可做出提高采樣速度并采用抽取技術(shù)的決定。
下一篇將討論RF采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字混頻器。
采用傳統(tǒng)的收發(fā)器架構(gòu)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器工作時(shí)支持低頻模擬信號。在該隊(duì)列的其它地方要有附加的模擬混頻器，以便將較低的頻率轉(zhuǎn)換成較高的頻率或?qū)⑤^高的頻率轉(zhuǎn)換成較低的頻率。而使用RF采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，則可在高頻率下直接生成或接收模擬信號。這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器配備了數(shù)字混頻器，可將基帶信號移入或移出要求的高頻率位置。為簡單起見，筆者將集中討論數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，但是這些理念在信號流方向相反的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中是同等重要的。有兩個(gè)適用于數(shù)字混頻器的主要選項(xiàng)：從真實(shí)數(shù)字輸入到真實(shí)數(shù)字輸出或從復(fù)雜數(shù)字輸入到真實(shí)數(shù)字輸出。圖1展示了DAC中的這兩個(gè)選項(xiàng)。
復(fù)雜混頻器更有利，因?yàn)檩斎隝和Q數(shù)據(jù)可占用輸出信號帶寬的一半，圖像及載波分量自然而然會受到抑制。與其模擬對應(yīng)產(chǎn)品不同的是，數(shù)字混頻器近乎完美，因此不存在能轉(zhuǎn)化為不完善邊帶抑制或載波饋通的瑕疵。
數(shù)字混頻器像其模擬對應(yīng)產(chǎn)品一樣，需要適用于混頻操作的振蕩器信號源。一種輕松的實(shí)施方法是使用基于該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘的固定頻率。使用固定振蕩器頻率、采樣速率被4除(Fs/4)的粗調(diào)混頻器非常容易實(shí)現(xiàn)。該復(fù)雜混頻器將I和Q輸入數(shù)據(jù)乘以正交音調(diào)：余弦和正弦。當(dāng)采用Fs/4混頻時(shí)，乘法因子可簡化為1、0或-1：無需實(shí)際的乘法運(yùn)算。通過在I/Q數(shù)據(jù)流內(nèi)提取合適的數(shù)據(jù)點(diǎn)，您可得到輸出 —— 這是一種能最大限度降低電流消耗的簡單方法。圖2展示了Fs/4混頻操作和輸出模式。
當(dāng)您需要更多靈活性時(shí)，數(shù)控振蕩器(NCO)可提供這種振蕩器功能。該NCO經(jīng)過編程，可處于該器件奈奎斯特區(qū)內(nèi)的任意頻率下。這就允許信號通過軟件被移動(dòng)到任意的RF頻帶。該NCO可使用快速查找表來創(chuàng)建振蕩器信號。常見的實(shí)施方案利用可提供子赫茲級頻率分辨率的32位至48位NCO。此外，該混頻器還具有相位調(diào)整功能。圖3是該NCO的方框圖。
與其模擬對應(yīng)產(chǎn)品相比，數(shù)字混頻器可提供更卓越的性能。用戶可即時(shí)為精確的頻率輸出進(jìn)行編程，無需硬件改裝。像DAC38J84這樣的DAC可采用適合發(fā)射器的所有粗調(diào)與精調(diào)混頻器選項(xiàng)。而像ADC12J4000這樣的ADC則包含一個(gè)適合在接收器上使用的復(fù)雜混頻器。
為了在軟件定義架構(gòu)中增加靈活性，該轉(zhuǎn)換器可使用多個(gè)數(shù)字混頻器，以便讓多種信號能在頻率范圍內(nèi)獨(dú)立地移動(dòng)。這可提供非常輕松地支持多頻帶應(yīng)用并根據(jù)需要實(shí)時(shí)更改頻帶的機(jī)會。
你認(rèn)為你的射頻 (RF) 采樣設(shè)計(jì)運(yùn)行的還不錯(cuò)，其原因在于你選擇了合適的器件，并且定義了時(shí)鐘源。不過先等一等；你所要完成的工作還遠(yuǎn)非如此。在不進(jìn)行適當(dāng)?shù)念l率規(guī)劃，以確保諧波或時(shí)鐘混合雜散中產(chǎn)生出潔凈頻譜的情況下，即使是最好的器件也會造成性能下降。我在上一篇博文中討論了與交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器有關(guān)的某些缺陷。頻率規(guī)劃始終是良好收發(fā)器設(shè)計(jì)的一部分，不過RF采樣更加關(guān)鍵，這是因?yàn)樾盘栆恢碧幱谒璧念l率頻帶范圍內(nèi)。與其它具有中間頻率 (IF) 或基頻級 (BB) 的配置不同，RF采樣架構(gòu)不具有清潔頻譜的窄頻帶通道濾波功能。
在這些發(fā)射器中，管理要求將嚴(yán)格限制雜散乘積的等級，使其落在所需頻帶內(nèi)，并且剛好在頻帶外。這些轉(zhuǎn)換器內(nèi)產(chǎn)生的雜散乘積在到達(dá)功率放大器 (PA) 之前無法被有效過濾掉。一旦受到輻射，這些乘積就有可能干擾其它用戶。
用一個(gè)RF采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 進(jìn)行的頻率規(guī)劃確保了折返回第一那奎斯特區(qū)域內(nèi)的諧波含量不在所需頻帶之內(nèi)，或者在其附近。針對指定應(yīng)用的頻帶是固定的；它是不可調(diào)節(jié)的，不過你可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的采樣率。增加采樣速率可以生成一個(gè)更大的那奎斯特區(qū)域；然而，這并不能確保一個(gè)最優(yōu)方案。
我們來看一個(gè)發(fā)射器示例，它的運(yùn)行頻率為2.14GHz，信號寬度為60MHz。圖1顯示的是具有8024MHz高頻時(shí)鐘速率的第一那奎斯特區(qū)域頻譜。在這個(gè)速率下，所需要的頻帶（用藍(lán)色標(biāo)出）很清楚，但是第三和第四階諧波，以及已知的雜散（用黃色標(biāo)出）位于所需的頻帶附近。這些雜散積很難被過濾掉。
圖1b顯示的是同一頻率，不過時(shí)鐘速率減少為5683.2MHz。在這個(gè)時(shí)鐘速率下，高階諧波或者時(shí)鐘混合雜散都不會位于所需頻帶的附近。在這個(gè)示例中，較低采樣率方法比較適用，這是因?yàn)槟憧梢暂p松地將高階雜散濾除掉。
對于接收器來說，頻率規(guī)劃目標(biāo)稍微不同。源自帶內(nèi)和帶外信號的干擾會嚴(yán)重影響接收器的靈敏度。通過在RF輸入端上進(jìn)行適當(dāng)?shù)南迬V波，你可以最大限度地降低其它用戶信號或發(fā)射器干擾所形成的帶外干擾源。你無法過濾掉帶內(nèi)干擾源。頻率規(guī)劃確保來自帶內(nèi)干擾源的諧波含量不會折返回所需頻帶的內(nèi)部。與發(fā)射器的情況不同，恰恰折返回頻帶外部的諧波含量不是一個(gè)問題。
圖2顯示的是一個(gè)100MHz寬的信號，在中央頻率為1950MHz的頻帶范圍內(nèi)運(yùn)行。時(shí)鐘頻率為6144MHz。在這個(gè)配置中，所有這些較高階諧波都位于頻帶外部。第二和第四諧波很接近，但是不在頻帶內(nèi)部。這是一個(gè)傳統(tǒng)低IF架構(gòu)所不能比擬的。使用同樣信號帶寬運(yùn)行的較低采樣率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 無法實(shí)現(xiàn)一個(gè)干凈的頻譜，這是因?yàn)檎鄯抵C波覆蓋了整個(gè)那奎斯特區(qū)域。
你可以修改時(shí)鐘頻率來在所需頻率發(fā)生變化時(shí)保持一個(gè)潔凈頻譜。在使用傳統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，對于頻率規(guī)劃的調(diào)整需要你修改合成器和IF或基帶濾波器級。只需調(diào)節(jié)采樣率，RF采樣架構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)簡單頻率規(guī)劃調(diào)整。由于在不同頻帶下運(yùn)行只需要對時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，RF采樣架構(gòu)可以很輕松地適應(yīng)不同頻帶和應(yīng)用的要求。
文/RJ Hopper
來源：TI社區(qū)
