高速数据转换器被用在通信应用中已有多年，并且可以在许多的设备中找到，从移动电话基站到电缆顶端器再到雷达和专用通信系统，这些构成了我们互联世界的基础。
最近的技术进步使得高速数据转换器的时钟速率发展到越来越高的频率。连同推动输出数据实际管理和传输的 JESD204B 高速序列串联接口，时钟速率更高的数据转换器形成了一个新的转换器类型，被称为 RF（射频）数据转换器。它们能够直接合成或捕获 RF 信号，无需使用模拟无线链路进行上变频或下变频。
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本文将关注新的 RF 数字到模拟转换器 (RF DAC) 产品系列，AD9162 和 AD9164，以及它们拓展软件定义无线电 (SDR) 定义的能力。AD9164 将 RF DAC 类别的性能提升至新的高度，并使得传统的无线电设计变得比过去几代的 RF 类或 IF 类 DAC 更为高效。世界最佳的性能和丰富的功能相结合，使 AD9164 成为将无线电内容从一个系统切换到另一个系统的自然选择，并且距离实现真正软件定义无线电的目标又近了一步。
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简介
传统无线电设备一直将高速数据转换器连同正交调变器用作有线或无线通信连接的主要组成部分。经典的外差、超外差和直接转换体系结构都需要发射机和接收器中的数据转换器能够从数字处理跨界到真实世界模拟信号，反之亦然。数据转换器技术与滤波器技术和功率放大器技术一起，决定了无线电设计领域的发展速度。
图 1 显示了使用一组基带高速 DAC 实施的经典无线电发射机。数字基带数据是通过两个同步的高速数据转换器发送的，同相数据通过 I DAC，正交数据通过 Q DAC。DAC 的输出被发送到正交调变器。根据调变器的类型，它的输出可能是 200-400 MHz 的低中间频率、500 MHz 到 1 GHz 的高 IF 频率或者范围介于 1-5 GHz 的 RF 频率。此图显示后续上变频到最终频率。会使用一个通带滤波器队结果信号进行过滤，随后通过功率放大器和另一个通带滤波器（例如可能是双工器的一部分）发送。
图 1. 使用高速数据转换器的经典超外差发射机示例
通常使用此类体系结构传输的瞬时带宽介于几十到几百 MHz，主要受到转换器、功率放大器和滤波器带宽的限制。这对于一些系统是不够的，例如需要 500 MHz、1 GHz 甚至 2 GHz 无线电频道的新型 E 波段微波回程无线电。如果考虑多带无线电，例如可能安装在无线基础设施基站中，可能就需要 500 MHz 或 700 MHz 甚至 1 GHz 间距同样宽，才能覆盖一些波段组合。传统无线电可以通过两个波段各安装一个无线电来解决这个问题。无论考虑到成本、考虑到大小还是考虑到其他一些因素，将无线电合并为一个无线链路可能更为可取。这时候就需要新的方法。
使能技术
高速数据转换器的技术发展焦点一直以来都在于不断提高数据转换的速率，同时保持稳定的性能优值系数。优值系数包括噪声频谱密度 (NSD) 和无杂散动态范围 (SFDR) 等项目。单频信号和调制信号的互调失真 (IMD) 也都很重要，例如 GSM 和 3G (WCDMA) 与 4G (OFDM) 等热门无线通信系统中所使用的以及使用 256-QAM 的电缆应用。
数据转换速率更高可为无线电设计师带来一些好处。首先，可以更高频率推送信号图片，将模拟重建滤波器的设计变得更简单和更加可以实现。此外，更高的更新速率创建了更宽的第一奈奎斯特区，反过来也能促进转换器直接合成更高的输出频率。当直接合成信号足够高时，模拟频率变换或上变频的整个阶段都会从无线电中去处，简化了频率计划，并缩减了功率消耗和无线电的尺寸。更高的更新速率还能可用来散射数据转换器量化噪声的带宽量，为发射机的噪声频谱密度赋予“处理增益”。
随着 CMOS 加工技术的不断进步，为数据转换器增添信号处理已经变得司空见惯。新增的 NCO 功能组件和 DAC 中的插补器为 FPGA 或 ASIC 缓解了实现这些功能所带来的负担和功率消耗，并允许 DAC 以低于要求的数据传输速率运作。数据传输率低会降低系统的整体功率消耗，在某些情况下，使得结构速度可能高达 300 MHz - 400 MHz 的数字信号有可能与转换器保持同步将 NCO 置于芯片中促成无线电中的首次频率变换在数字领域中实现，借助数据转换器上的 NCO 和插补器找到当今无线电中数百 MHz 的中间频率是很常见的。
信号处理 RF DAC
RF 数据转换器有所变化的之处包括 RF 转换器能够运作的最终更新速率以及添加了同样能够出率这些速度的信号处理功能。功能集和速度的强有力结合能够对无线电体系结构设计带来巨大变化，并为重构和软件定义无线电开启新的可能性。
图 2. RF DAC AD9162 和 AD9164 系列结构图
一个很好的例子便是 RF DAC 的 AD9162 和 AD9164 系列。图 2 显示了 AD9162 和 AD9164 系列的结构图。AD9162 是 16 位 6 GSPS RF DAC，提供多个插值选项，从 1x 旁路模式到最多 24x 插值。插补器以经典的 80% 带宽运作，对于功率略低、较为瞬时的信号带宽则使用较宽的 90% 带宽。数据路径中也有一个最终半带插补器 FIR85（如图 2 中 NCO 之前的“HB 2x”框架所示），能够有效地将 DAC 更新速度倍增到高达 12 GSPS、更快地移走图片并减轻过滤要求。非强制 FIR85 之后是一个 48 位数控振荡器 (NCO)，在启用 FIR85 时以 6 GSPS 更新速率或 12 GSPS 更新速率运作。NCO 之后是一个补偿滤波器，通过预先强化 DAC 核心输入纠正 DAC 的衰减。
DAC 核心是使用 Analog Devices 的专利四开关体系结构[i]设计的，可以提供卓越的无杂散动态范围 (SFDR) 和噪声频谱密度 (NSD)，从而得到行业最佳的动态范围，还能提供四开关所支持的类似 DAC 编码器选项：不归零 (NRZ) 模式、归零 (RZ) 模式和混合模式™。FIR85 为 DAC 解码器添加了一项被称为 2xNRZ 模式的新功能，稍后我们会详细讲解。
AD9164 具备 AD9162 的基础功能，添加了快速跳频 (FFH) NCO 引擎形式的直接数字合成 (DDS) 功能。FFH NCO 具有一些独特的功能，使其对于高速测试仪器、局部振荡器更换、保密无线电通信和雷达激励器等市场极具吸引力。FFH NCO 引擎是使用 32 个 32 位 NCO 实现的，每一个都有自己的相位累加器以及一个促成快速跳频的选择块。
AD9162 有两个指定用于特定市场的衍生产品。AD9161 是一个拥有最少 2x 插值的 11 位、6 GSPS RF DAC。AD9161 的 SFDR 和 NSD 适合用于电缆头端和远程 PHY 应用，并且符合 DOCSIS 3.0 规范。信号带宽和动态范围降低避免对于 AD9161 出口许可证的要求。AD9163 是一个拥有最少 6x 插值并能保留主要产品 AD9162 的全动态范围的 16 位、6 GSPS RF DAC。设备的全动态范围及其宽广的 1 GHz 瞬时带宽外加全范围 NCO 使得设备适合用于单波段或双波段无线基础设施基站以及传统带宽的点对点微波系统，同时也具备不需要出口许可证的优点。表 1 总结了产品系列和主要功能。
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表 1. .6 GSPS RF DAC AD9162 和 AD9164 系列的功能和目标市场概览。
数字数据路径亮点
数据是通过一个 8 通道、12.5 GBPS JESD204B 接口传递到 AD9162 和 AD9164 的。高速串联接口通过减少将数字基带设备连接到 DAC 所需的线路数量简化电路板布局的复杂性。数据表中显示了接口运作的详细指南，Analog Devices 网站上提供 JESD204B 接口的详尽指南。
AD9162 和 AD9164 数据路径中的首要插补器是 2x 半带或 3x 第三环滤波器。任何一个滤波器都具备可选择 80% 或 90% 信号带宽。两个滤波器都具备 85 dB 或更大的阻带抑制。90% 的滤波器以较高的功率运作，导致它们的衰减特性曲线较锐，因此阀门数量也较大。剩余的 2x 半带滤波器都以 90% 的带宽运作，以容纳其中一个首要插补器。FIR85 也以 90% 的带宽运作。因为所有后续滤波器都继续沿着插值向下传输，它们能以几乎察觉不到的功率增值以 90% 的带宽运作。
会在启用时实现 2xNRZ 模式的 FIR85，会使用其他插补器滤波器以不同方式实现。它运用 DAC 的四开关体系结构并将 DAC 时钟的上升沿和下降沿用于样本数据。采样方法会在每个时钟沿对新数据进行采样，所以它会将 DAC 的采样率加快到最大 12 GSPS。这样就将信号图片从 fDAC - fOUT 推送到 2xfDAC - fOUT，从而简化使用更加可实现滤波器过滤图片的过程。这一采样和插值方法使 DAC 输出对于时钟平衡更加敏感，但可以对 DAC 时钟输入进行调整，从而可以用于微调以获取更好的性能。这些调整是借助串行外围接口 (SPI) 编程寄存器来实现的。数据表中介绍了详情。
48 位 NCO 是一个完全正交 NCO，允许输入数据信号的无图片频率位移或单频的直接数字合成。NCO 提供连续相位或不连续相位频率切换两个可选工作模式。在连续相位切换中，频率控制字 (FTW) 会被更新，但相位累加器不会重置，导致频率出现连续相位变化。在不连续相位模式中，相位累加器会在 FTW 更新时重置。串行外围接口 (SPI) 能保证达到 100 MHz 从而允许 FTW 的快速更新。
AD9164 为 NCO 添加了一项重要功能—快速跳频 NCO (FFH NCO)。FFH NCO 使用额外 31 个 32 位 NCO 实现的，每一个都有自己的相位累加器。每个 NCO 拥有其自己的 FTW，这样就可在设备内编程总共 32 个 NCO FTW。会提供一个 FTW 选择缓存器，这样 SPI 寄存器每写入一个字节就能以 32 位的准确度跳转一次到新的频率。有了 100 MHz SPI，单字节写入就能以 240 毫微秒选择一个新的 FTW。
FFH NCO 具备一个额外的相位一致跳频模式，使其对于仪器和军事应用领域而言极具吸引力。对于测试应用以及需要跟踪激励器信号相位供今后使用的雷达应用，相位一致跳频模式都很重要。相位一致跳频允许从一个频率变化到另一个频率，并重新返回到原始频率，不会丢失对于原始频率相位累积的追踪。换句话说就是，它允许从一个频率变化到另一个频率再复原，看上去仿佛没有变化过一样。
应用和测量性能
图 1 中，AD9162 和 AD9164 的信号处理功能和高采样率实现了无线电体系结构的简化。图 3 显示了更新的图纸。由于 RF 数据转换器可以需要的输出频率直接合成信号，就不再需要正交调变器或升频混频器。数字处理器中形成了信号，起到了 RF 数据转换器的作用。从而大大减少了实现发射机所需的硬件数量。此外，因为在 RF 数据转换器内以数字方式实现了调变器，无线电就更加容易实现，不需要为了抑制 LO 漏泄和不必要的图片而校准正交调变器的 LO 和 DAC 输入。
图 3. 使用 RF 数据转换器实现的无线电发射机体系结构
这个体系结构类型只有一个用来过滤数据转换器图片的模拟低通滤波器，从而为重构或软件定义无线电开启了可能性。可以使用同样的数字零件、RF 数据转换器和重建低通滤波器，只需要更换功率放大器和通带滤波器，就能实现各种不同的无线电。图 4 显示了 5 个 5-MHz WCDMA 载体在 1800 MHz 时以及 3 个 5-MHz WCDMA 载体在 2100 MHz 时的无线基站双波段发射机输出示例。图 4 显示了 194 6-MHz 宽 256-QAM 载体在 DOCSIS 3.1 的 50 MHz – 1.2 GHz 频谱时的符合电缆头端发射机输出示例。图 6 显示了 260 ns 的快速跳频停留时间，其中寄存器编程（单字节写入）为 240 ns，跳转时间为 20 ns。图 7 显示了 AD9164 出色的相位噪声性能，在从 4 GHz 恒温晶体振荡器运行并合成 3.9 GHz 正弦波时优于 50 kHz 偏移值时的 -125 dBc/Hz。
图 4. 1.8 GHz 和 2.1 GHz 频段上的双波 WCDMA 信号
图 5. DOCSIS 3.1 频带 (50 MHz – 1.2 GHz) 中的 194 6 MHz 256-QAM 信号。
图 6. AD9164 的快速跳频性能—每次跳转停留时间 260 ns。
图 7. AD9164 的集料相位噪声性能。DAC 时钟信号源：最大偏移值为 600 kHz 的 4 GHz 恒温晶体振荡器，信号生成器超过 600 kHz 偏移值。
结论
RF 数据转换器可以通过免除无线电信号链中的许多元器件简化无线电体系结构设计并缩小它们的尺寸。AD9162 和 AD9164 将一系列激动人心的功能和卓越的 RF 性能组合到 RF 数据转换器中，从而能够满足多种不同无线电发射机应用要求，展示真正软件定义无线电的实现从未如此接近。
[i] 美国专利号 #6,842,132 和 #7,796,971