Les convertisseurs de données à haute vitesse ont été utilisés dans les applications de communication pendant de nombreuses années, et se trouvent dans beaucoup d'équipements formant la base de notre monde connecté, des stations émettrices-réceptrices aux nouvelles têtes de réseau par câble, radars et systèmes de communication spécialisés.
Les progrès technologiques récents ont permis d'augmenter de plus en plus les fréquences des convertisseurs de données à haute vitesse. En combinaison avec l'interface sérielle à haute vitesse JESD204B qui rend possible une gestion pratique et le transfert des données, ces convertisseurs aux fréquences plus élevées constituent une nouvelle catégorie de convertisseurs dénommés convertisseurs de données RF (pour fréquence radio). Ils ont la capacité de synthétiser directement ou de capturer les signaux RF sans une conversion up - down conventionnelle à l'aide d'une chaine radio analogique.
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Cet article se concentrera sur une nouvelle famille de produits convertisseurs RF numériques-analogiques (RF DAC) AD9162 et AD9164, et sur leur capacité à élargir la définition radio réalisée par le logiciel (SDR). L'AD9164 introduit un autre niveau de performance dans la catégorie DAC RF et rend les antennes de conception conventionnelle plus efficaces que celles des générations précédentes des DACs RF ou IF. Le fait d'associer la meilleure performance au monde et un ensemble de caractéristiques très riche rendent l'AD9164 un choix naturel pour la commutation de contexte de la radio d'un système à un autre, et permet de s'approcher de la réalité d'une radio réellement définie par le logiciel.
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Introduction
Les convertisseurs de données radio conventionnels ont utilisé des convertisseurs de données à haute vitesse en combinaison avec des modulateurs en quadrature comme certains blocs principaux pour une liaison de transmission avec fil ou sans fil. Les architectures de conversion hétérodynes, superhétérodyne et directes conventionnelles partagent le besoin commun de convertisseurs de données dans l'émetteur et le récepteur pour traverser la frontière entre le traitement numérique et les signaux analogiques du monde réel et vice versa. Avec les technologies de filtrage et d'amplification d'alimentation, les progrès des technologies de conversion de données ont imprimé le rythme aux progrès de la conception radio.
Un émetteur radio conventionnel mis en place à l'aide d'un set de DAC à haute vitesse en bandes de base est illustré dans l'image 1. Les données numériques en bandes de base sont transmises grâce à deux convertisseurs de données à haute vitesse synchronisés, avec les données En-phase traitées par le I DAC et les données en quadrature par le Q DAC. Les données de sortie du DAC sont envoyées vers un modulateur en quadrature. Selon le type de modulateur, son rendement peut être des fréquences basses et intermédiaires comme 200-400 MHz, une fréquence IF plus élevée telle que 500 MHz à 1 GHz, ou même une fréquence RF dans une plage de 1-5 GHz. Le diagramme montre une upconversion ultérieure vers une éventuelle fréquence finale. Le signal qui en découle est filtré à l'aide d'un filtre passe-bande et ensuite traité par un amplificateur d'alimentation et un autre filtre passe-bande qui pourrait faire partie d'un Duplexeur, par exemple. 
Image 1. Illustration d'un émetteur superhétérodyne conventionnel qui utilise des convertisseurs de données à haute vitesse
La bande passante instantanée qui est généralemenent émise par une telle architecture va de quelques dizaines à quelques centaines de MHz, limitée uniquement par le convertisseur, l'amplificateur d'alimentation et les bandes passantes du filtre. Cela ne suffit pas pour certains systèmes, comme les radios de transmission à micro-ondes en bandes E qui nécessitent obligatoirement des canaux radio de 500 MHz, 1 GHz ou même 2 GHz. Si nous prenons en considération une radio multibandes, comme peut l'être une station à base d'infrastructures sans fil, un espacement également large de 500 MHz ou 700 MHz ou même de 1 GHz pourrait être obligatoire pour couvrir certaines combinaisons de bandes. Une radio conventionnelle répondrait à cela en réalisant deux radios, une pour chaque bande. Il pourrait être plus souhaitable d'unir les radios dans une chaine de radios, en raison du prix, des dimensions ou d'autres facteurs. Dans ce cas, une nouvelle approche est nécessaire.
Technologie habilitante
L'objectif du développement technologique des convertisseurs de données à haute vitesse a été pendant longtemps d'augmenter la fréquence de la conversion de données tout en maintenant un indicateur de qualité de performance constante. L'indicateur de qualité inclut des articles comme la densité spectrale de bruit (NSD) et une plage dynamique exempte de parasites (SFDR). La distortion d'intermodulation (IMD) est également importante, aussi bien des signaux sonores uniques que des signaux modulés, comme dans les répandus systèmes de communications sans fil comme le GSM, 3G (WCDMA), 4G (OFDM) et les applications à câble lorsque le 256-QAM est utilisé.
Les hauts taux de conversion de données comportent plusieurs avantages pour les concepteurs radio. Tout d'abord, l'image du signal est augmentée en fréquence, en rendant la conception du filtre de reconstruction analogique plus simple et réalisable. En plus, des taux plus élevés de mise à jour créent des premières zones Nyquist plus larges qui, à leur tour, permettent au convertisseur de synthétiser directement des fréquences de sortie plus élevées. Si le signal synthétisé directement est assez élevé, un stade entier de traduction de fréquence analogique, ou upconversion, peut être supprimé de la radio, en simplifiant ainsi la planification de fréquence et réduisant la consommation électrique ainsi que les dimensions de la radio. Des taux de mise à jour plus élevés augmentent aussi la quantité de bande passante disponible pour étaler le bruit de quantification du convertisseur de données, ce qui comporte un « gain de traitement » pour la densité spectrale du bruit de l'émetteur.
Au fur à mesure que la technologie des procédés CMOS a avancé, l'ajout du traitement du signal aux convertisseurs de données est devenu un lieu commun. L'ajout d'un ensemble de fonction de NCOs et d'interpolateurs aux DACs, soulage la charge du FPGA ou ASIC et la consommation électrique comportée par l'installation de ces caractéristiques, et en même temps permet aux DACs d'opérer sur des taux de transfert de données plus bas qu'ils ne le seraient obligatoirement dans d'autres cas. Les taux de données plus bas réduisent la consommation globale d'électricité du système et dans certains cas rendent cela possible pour les puces numériques, pour lesquelles la plage de vitesse peut varier en allant jusqu'à 300 MHz - 400 MHz, afin de garder le rythme du convertisseur. Les NCOs internes rendent possible la première traduction de fréquence dans une radio dans le domaine numérique et donc, il est assez commun de trouver des fréquences intermédiaires dans les centaines de MHz des radios actuelles, qui marchent grâce aux NCOs et aux interpolateurs des convertisseurs de données.
Traitement des signaux DAC RF
Ce qui a changé par rapport aux convertisseurs de données RF est la fréquence finale de mise à jour à laquelle le convertisseur RF est capable d'opérer, et l'ajout du traitement de signaux, capable également de la manutention de telles vitesses. Cette puissante combinaison de telles caractéristiques et d'une telle vitesse peut comporter des changements radicaux dans la conception de l'architecture radio et ouvre de nouvelles possibilités de radios qui soient reconfigurables et définies par logiciel. 
Image 2. Schéma fonctionnel de la famille d'AD9162 et AD9164 des RF DACs
Les séries AD9162 et AD9164 des RF DACs constituent un bon exemple de cette combinaison. Un schéma fonctionnel d'AD9162 et AD9164 est montré dans l'image 2. L'AD9162 est un DAC RF 6 GSPS 16-bits avec plusieurs options d'interpolation, de x1 mode de contournement à x24 d'interpolation. Les interpolateurs opèrent sur une bande passante conventionnelle utilisée à 80% ou une plus large à 90%, pour les bandes passantes relatives aux signaux plus instantanés avec une alimentation légèrement plus élevée. Le chemin de données a également un interpolateur final demi-pas, FIR85, indiqué comme le bloc « HB x2 » avant le NCO dans l'image 2, qui dédouble en effet la fréquence de mise à jour du DAC jusqu'à 12 GSPS, en éloignant encore plus les images et simplifiant les exigences de filtrage. Le FIR85 en option est suivi par un oscillateur contrôlé numériquement de 48-bits (NCO) qui opère à un fréquence de mise à jour de 6 GSPS ou 12 GSPS lorsque le FIR85 est activé. Après le NCO il y a un filtre de compensation x/sinx qui corrige la pente du filtre en sinx/x du DAC en accentuant préalablement l'entrée dans le DAC core.
Le DAC core est conçu avec l'architecture de commutateur Quad breveté par Analog Devices[i], et fournit une plage dynamique exempte de parasistes (SFDR) et une densité spectrale de bruit (NSD) qui donne comme résultat la meilleure plage dynamique du secteur, toute en proposant des options familières de décodeurs DAC activés par le commutateur Quad : mode non retour à zéro (NRZ), mode retour à zéro (RZ) et mode mixte™. Le FIR85 ajoute une nouvelle caractéristique au décodeur DAC appelé 2xNRZ, qui sera décrit ultérieurement de manière plus détaillée.
L'AD9164 présente les caractéristiques de base de l'AD9162, mais il ajoute une fonction de synthèse numérique directe (DDS) sous la forme d'un appareil NCO à saut de fréquence rapide (FFH). L'FFH NCO présente des caractéristiques uniques qui le rendent assez attrayant sur plusieurs marchés, comme celui de l'instrumentation d'essais à haute vitesse, du remplacement d'oscillateurs locaux, des communications radio sécurisées et des stimulateurs de radars. L'appareil FFH NCO est installé avec trente-deux NCOS de 32-bits, dont chacun avec son propre accumulateur de phase et un bloc de sélection qui active le saut rapide de fréquence.
L'AD9162 dispose également de deux produits dérivés visant des marchés spécifiques. L'AD9161 est un DAC RF 6 GSPS de 11-bits avec une interpolation minimum x2. L'SFDR et l'NSD de l'AD9161 sont adaptés aux applications PHY avec tête de réseau par câble et éloignée et répondent aux spécifications DOCSIS 3.0. La bande passante réduite du signal et les exigences pour supprimer la plage dynamique pour une licence d'exportation pour l'AD9161. L'AD9163 est un DAC RF 6 GSPS 16-bits qui a une interpolation minimum x6 et maintient toute la plage dynamique du produit principal AD9162. L'entière plage dynamique du dispositif et sa large bande passante instantanée de 1 GHz plus l'entière plage NCO rendent ce dispositif adapté aux stations base à infrastructure sans fil à bande unique ou à bande double, et des systèmes à micro-ondes point à point dans les bandes conventionnelles, avec l'avantage aussi de ne pas avoir besoin d'une licence d'exportation. Le tableau 1 vous présente la famille de produits et ses caractéristiques clés.
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Tableau 1. Résumé des caractéristiques de la famille AD9162 et AD9164 du DAC RF 6 GSPS et des marchés ciblés.
Présentation des produits Datapath (chemin de données) numériques
Les données sont transférées à l'AD9162 et AD9164 par une interface 8 voies 12.5 GBPS JESD204B. Cette interface sérielle à haute vitesse simplifie la complexité de la mise en page du tableau de bord en réduisant le nombre de fils nécessaires pour connecter le dispositif en bande de base au DAC. Un guide détaillé sur la façon d'opérer de l'interface est fourni dans la fiche technique et un guide complet de l'interface JESD204B est fourni sur le site Web Analog Devices.
Le premier interpolateur du chemin de données d'AD9162 et AD9164 est soit un filtre à demi-bande x2 soit à triple bande x3. Les deux filtres ont une bande passante du signal variable utilisée à 80% ou 90%. Les deux filtres ont un rejet de bande à 85 db ou plus. 90% des filtres opèrent à puissance plus élevée à cause de leur caractéristique coupure plus accentuée et donc à un nombre plus élevé de robinets. Les filtres à demi-bande x2 restants opèrent tous avec une bande passante utilisée à 90% pour adapter les premiers interpolateurs. L'FIR85 opère aussi avec une bande passante utilisée à 90%. Puisque tous les filtres successifs sont plus loin que la ligne d'interpolation, ils peuvent opérer avec une bande passante utilisée à 90% avec une augmentation imperceptible de la puissance.
L'FIR85, qui met en œuvre un mode 2xNRZ une fois activé, est mis en œuvre différemment des autres filtres interpolateurs. Il tire parti de l'architecture de commutateur Quad et utilise les fronts montants et descendants de l'horloge du DAC pour échantillonner les données. Cette méthode échantillonne les nouvelles données à chaque montant du signal de l'horloge et de cette manière il dédouble le taux d'échantillonnage du DAC jusqu'à 12 GSPS. Cela pousse l'image du signal jusqu'à 2xfDAC - fOUT de fDAC - fOUT, rendant plus simple le filtrage des images à l'aide de filtres analogiques plus réalisables. Cette méthode d'échantillonnage et d'interpolation rend la sortie du DAC plus sensible à l'équilibre de l'horloge, même si des réglages effectués sur l'entrée de l'horloge du DAC peuvent être utilisés pour arriver à une meilleure performance. Ces réglages sont réalisés en programmant les registres à travers une interface sérielle périphérique (SPI). Les détails sont fournis dans la fiche technique.
L'NCO 48-bits est un NCO en quadrature qui permet une variation de fréquence sans image du signal de données en entrée ou une synthèse numérique directe d'un seul ton. L'NCO dispose de deux modes de fonctionnement variables, une commutation de fréquence de phase discontinue ou continue. Durant la commutation de phase continue, le réglage du FTW (Frequency tuning word) est actualisé, mais l'accumulateur de phase n'est pas réinitialisé, ce qui comporte un changement de phase continue dans la fréquence. En mode phase discontinue, l'accumulateur de phase est réinitialisé lorsque l'FTW est actualisé. L'interface périphérique sérielle (SPI) est garantie jusqu'à 100 MHz pour activer l'actualisation rapide du FTW.
L'AD9164 ajoute une caractéristique importante à l'NCO : l'NCO à saut de fréquence rapide (FFH NCO). L'appareil FFH NCO est installé avec trente et un NCOs de 32-bits supplémentaires dont chacun avec son propre accumulateur de phase et un bloc de sélection qui active le saut rapide de fréquence. Chaque NCO a son propre FTW, de sorte qu'un total de trente-deux FTW NCOs puissent être programmés dans le dispositif. Un registre de sélection FTW est fourni afin qu'un seul registre de commande Byte Write SPI puisse effectuer un saut vers une nouvelle fréquence avec une précision de 32 bits. Avec le SPI 100 MHz, cela veut dire qu'un FTW nouveau peut être choisi en 240 ns, avec le seul Byte Write.
L'FFH NCO dispose d'un mode supplémentaire de saut de fréquence de phase cohérent qui le rend plus attrayant pour l'application d'instrumentations et les applications à des fins militaires. Le saut de fréquence de phase cohérent est important pour les applications de test et radar qui doivent verrouiller la cible d'un signal stimulateur pour un usage successif. Le saut de fréquence de phase cohérent permet de passer d'une fréquence à l'autre et de retourner à la fréquence originale, sans perdre la cible de l'accumulation de phase de la fréquence originale. Autrement dit, cela permet de passer d'une fréquence à l'autre, de retourner et de donner l'impression qu'il n'y a eu aucune variation de fréquence.
Applications et mesures de performance
Les caractéristiques du traitement du signal et l'important taux d'échantillonnage de l'AD9162 et AD9164 permet une simplification de l'architecture radio dans l'image 1. Le schéma actualisé est présenté dans l'image 3. Puisque le convertisseur de données RF peut synthétiser directement les signaux à la fréquence de sortie souhaitée, il n'y aura plus besoin d'un modulateur ni d'un mélangeur d'upconversion. Le signal est créé dans le processeur numérique et il sort tout simplement du convertisseur de données RF. La quantité de matériel nécessaire à l'installation de l'émetteur est ainsi énormément réduite. De plus, la radio est plus simple à installer, sans la nécessité de calibrer le LO et les entrées du DAC dans le modulateur en quadrature dans le but de supprimer la fuite du LO et l'image non souhaitée, puisque le modulateur est installé numériquement dans le convertisseur de données RF.
Image 3. Architecture de l'émetteur radio installée avec un convertisseur de données RF
Ce type d'architecture, avec uniquement un filtre analogique passebas pour filtrer l'image du convertisseur de données, ouvre des possibilités de créer des radios reconfigurables et définies par logiciel. La même pièce numérique, le convertisseur de données RF et le filtre de reconstruction passebas pourraient être utilisés avec le seul amplificateur de puissance et le changement du filtre passebas afin d'installer un certain nombre de radios différentes. L'image 4 montre un exemple d'une sortie d'émetteur à double bande d'une station de base sans fil de trois prothèses WCDMA de 5-MHz à 1800 MHz et trois prothèses WCDMA 5-MHz à 2100 MHz. L'image 5 montre un exemple d'une sortie d'émetteur d'une tête de câble conforme de 194 prothèses de 6-MHz et de 256 QAM dans un spectre allant de 50 MHz à 1.2 GHz du DOCSIS 3.1. L'image 6 montre un exemple de la durée de temporisation du saut rapide de fréquence de 260 ns avec 240 ns de programmation du registre (un seul Byte Write) et 20 ns de temps de montée. L'image 7 montre l'excellente performance du bruit de phase de l'AD9164, avec un décalage supérieur à 125 dBc/Hz à 10 kHz provenant d'un oscillateur à quartz thermostaté 4 GHz et synthétisant une onde sinusoïdale de 3.9 GHz.
Image 4. Signa WCDMA double bande à 1.8 GHz et bandes de 2.1 GHz
Image 5. Signaux de 194 6 MHz 256-QAM dans la bande de fréquence (50 MHz – 1.2 GHz) du DOCSIS 3.1.
Image 6. Performance de saut de fréquence rapide de l'AD9164 : 260 ns de temps de temporisation par montée.
Image 7. Performance globale pour le bruit de phase de l'AD9164. Source du signal de l'horloge du DAC : oscillateur en quartz thermostaté de 4 GHz jusqu'à un décalage de 600 kHz, puis un générateur de signal supérieur à un décalage de 600 kHz.
Conclusions
Les convertisseurs de données RF peuvent simplifier les conceptions d'architecture radio et réduire leur taille en éliminant beaucoup de composants de la chaîne du signal radio. L'AD9162 et AD9164 associent un ensemble de caractéristiques extraordinaires et une performance RF supérieure dans un convertisseur de données RF, capable de répondre à une large gamme d'application de l'émetteur radio, et démontrant que la réalité d'une radio réellement définie par logiciel est plus proche que jamais.
[i] numéros de brevet USA #6,842,132 et #7,796,971