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射頻/無線  

高速ADC技術奠定軟體定義無線電基礎

上網時間: 2007年05月29日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ADC  軟體定義  無線電 

無線技術標準的持續演進與改變,迫使電信公司必須支付龐大的成本,而軟體定義無線電(Software Defined Radio,SDR)則能解決這個問題。新的完全可重配置無線射頻系統可望透過軟體升級支援新標準或多主種標準,使電信公司不需花費高額成本佈建新基礎設施,就可為用戶提供新的無線技術及更新,以及更好的服務。

然而,完全可重新規劃式無線電的最大挑戰並非是軟體,類比電路及其與數位電路之間的橋接,反而才是系統設計人員的難題。本文將探討類比數位轉換在SDR實作中所遭遇的困難,以及如何經由類比數位轉換器(ADC)的突破進展,使SDR得以被廣泛採用。

SDR的目標是協助電信公司以最少的網路佈建與基礎設施,處理涵蓋範圍寬廣的無線電頻率與標準,並應對其未來演進。針對此一需求,彈性的無線射頻系統設計必須能支援比平常更寬的頻帶,並提供超過窄頻應用所需的動態範圍。也就是說,無線射頻系統最終必須能在多載波環境中,處理調變方式與頻寬皆不同的載波,以及訊號阻隔等需求。DSP技術的進展已大幅提高無線射頻系統數位後端的功能,以符合SDR設計需求。目前缺乏的是將敏感度極高的類比訊號轉換為處理方便的數位資料。無線射頻系統的接收機(Rx)和發射機(Tx)都會用到ADC,這是SDR發展的關鍵元件。

ADC規格概述

靈敏度與可用頻寬是無線射頻系統接收機設計的主要規格。簡單的說,靈敏度是指無線射頻系統對天線輸入端微弱訊號的處理能力,通常以dBm表示。對ADC而言,靈敏度多半意指訊號雜波比(SNR)的規格,並以dBc或dBFS表示(dBc是以載波訊號為參考所表示的訊號雜波比,dBFS則是以ADC的滿刻度輸入為參考)。無線射頻系統的小訊號接收能力以及大干擾訊號拒斥能力,皆與ADC的無假訊號動態範圍(SFDR)密切相關。

SFDR是目標訊號(載波)與次高的混附訊號(無論是否為諧波)在ADC輸出端的比值,通常以dBc表示。最後,轉換器的可用頻寬其實是定義不明確的名詞,主要指ADC在適當SNR和SFDR效能下,所能運用的實際訊號頻寬。在業界標準做法中,ADC規格是以類比輸入頻率響應的-3dB為參考點。然而,現今許多轉換器雖標示有高達數百MHz的頻寬,實際效能卻在類比輸入頻率增加為200~300MHz後就大幅下降。

SDR優勢

SDR的主要優勢之一是它不需要新硬體就能處理更大頻率範圍,就當前全球頻譜使用情形來看,此點格外吸引人。每一種無線技術標準都會定義多種操作頻率,舉例來說,GSM能在400MHz、850MHz、900MHz、1,800MHz、1,900MHz甚至2,500~2,690MHz的延伸頻帶上操作。3GPP頻率包括1,800MHz、1,900MHz和2,100MHz;WiMAX頻率則包括2,500MHz、3,500MHz到5GHz,未來還會應用在更多的頻率上。

由於頻率種類複雜繁多,透過ADC儘可能將最大訊號頻寬數位化就成為一項重要優勢,這也使得ADC的取樣頻率成為這類設計的重要關鍵。根據奈奎斯特定理,ADC在不產生混疊情況下所能數位化的頻寬,為其取樣頻率的一半(Fs/2);舉例來說,取樣頻率200MSPS的ADC最大能將100MHz頻寬數位化。然而在實際應用裡,負責將類比輸入端頻寬限制為Fs/2的濾波器不可能是完美的方形濾波器,表示實際可用的頻寬還會更少。

除了接收機外,大頻寬對無線電的發射功能也很重要。由於功率放大器成本與其輸出功率成正比,提高效率就成為減少零件用料和操作成本的重要方法。現代的數位預失真演算法雖能將發射機功率放大器線性化,卻需要將頻寬放大到發射訊號頻寬的好幾倍,再將此數位化頻寬回授給數位處理器,因此取樣速率極高的ADC在系統中即為一不可或缺的角色。

訊號雜波比

為維持最高靈敏度,SDR必須擁有很高的訊號雜波比,以分辨微弱訊號和進行解調。無線技術標準演進到64QAM等高階調變機制後,對於ADC的訊號雜波比效能要求更為嚴格。當天線接收輸入功率很低時,ADC的訊號雜波比(再加上本地振盪器的相位雜訊)就成為限制因素,決定整個接收機的靈敏度。

SDR設計人員直到最近都還必須犧牲訊號雜波比,來提高取樣頻率(頻寬),因為率高達數百MSPS的最先進ADC只有10位元,訊號雜波比則在50dBFS左右。隨著ADS5463(12位元/500MSPS)出現,獨立式12位元ADC的取樣頻率已大幅提高一倍(過去最高僅250MSPS),使訊號雜波比躍增至65dBFS左右,實現了過去無法做到的許多設計。

除了能夠有效重建最大類比訊號頻寬外,處理增益是ADC取樣頻率的另一項附帶優點。一般而言,ADC的訊號雜波比,都是以主弦波功率與轉換器在整個Nyquist頻帶(從0Hz到Fs/2,不包含直流)雜訊總和的比值來計算。總雜訊通常會均勻分佈在Nyquist區域。當接收機處理該區域的某個頻帶訊號時,數位濾波器就能大幅衰減該頻帶以外的雜訊。假設目標訊號頻寬為BWSIG,ADC的取樣頻率為Fs,則實際的處理增益可計算如下:


圖1是500MSPS ADS5463這類超高速ADC所能提供的處理增益。SDR的數位後端可以充份利用ADC的寬頻帶功能優點。

圖1:ADC在500MSPS取樣頻率下的處理增益與目標訊號頻寬關係圖。
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圖1:ADC在500MSPS取樣頻率下的處理增益與目標訊號頻寬關係圖。

無線接收機不斷進步,最後將能直接取樣射頻訊號。這類作業所需的ADC技術雖未出現,但相關技術突破是可預期的。值得注意的是,訊號抖動(jitter)最後也會對訊號雜波比造成限制,也要列入考慮。在取樣系統裡,公式2表示訊號雜波比與抖動之間的關係:


其中fin代表類比輸入頻率,tjitter則是系統抖動的均方根值。ADC取樣電路的內部抖動會以平方根和的方式,加到外部提供的轉換器取樣時脈。值得注意的是,訊號雜波比的限制與實際取樣頻率無關,但會直接受到類比輸入頻率的影響。這項基本限制將影響決定接收機中頻位置時,亦即當中頻提高時,簡化接收機架構和濾波電路(也就是降低成本)的好處,會被ADC時脈和抖動造成的限制所抵消。

無假訊號動態範圍

ADC的線性特性通常以其無假訊號動態範圍(SFDR)代表,在接收機天線的入射功率達到相當水準時,此特性會變得極為重要。可能情況為目標訊號很強(理想情形),或頻帶內出現強大干擾源之時(惡劣情形);如果是後者,ADC的線性特性就決定了目標訊號能否被解調,特別是當目標訊號功率很低時。由於強大干擾源的出現,可能會讓總訊號(目標訊號加干擾源)接近類比輸入的滿刻度範圍,而限制了任何自動增益控制(AGC)功能的應用。此時,ADC固有的線性效能就變成了瓶頸。

SFDR和抖動一樣,都會限制SDR設計人員中頻的設定。市場雖有許多ADC具備良好的線性特性,但都僅限於輸入頻率在200MHz以下,使高中頻的優點受到SFDR效能限制而無法實現。採用先進BiCMOS製程技術的新型類比架構納入了類比輸入緩衝器,可在高達數百個MHz的範圍提供很高的SFDR效能。ADS5463的類比輸入緩衝器,能將敏感的類比輸入與轉換器內部的開關電路完全隔開,使使用者輕易達到元件資料表所列的效能。

另外,ADS5463能在輸入頻率範圍提供固定不變的阻抗值。如圖2所示,ADS5463至少能在500MHz中頻範圍達到超過70dBc的SFDR效能。激增的效能將大幅簡化無線電設計,當它配合非常高的訊號雜波比和處理增益時更為有用。採用超高輸入頻率能進一步降低無線電成本,能省下額外的降頻轉換步驟與相關零件。

圖2:ADS5463在類比輸入頻率範圍的SNR與SFDR效能(500MSPS取樣頻率)。
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圖2:ADS5463在類比輸入頻率範圍的SNR與SFDR效能(500MSPS取樣頻率)。

本文小結

如同許多技術,高速類比數位轉換技術對於實現SDR扮演決定性角色。ADC是接收機與發射機的核心元件,決定無線電整體效能。最新的混合訊號技術,已能在前所未見的取樣頻率和類比輸入頻率上提供強大效能,不但簡化無線電設計,並提供更大操作頻寬及更高靈敏度。ADC技術不斷突破極限將持續為真正可重新規劃式多標準無線電的來臨奠定基礎。

作者:

Yiannis N. Papantonopoulos

系統與應用經理

德州儀器




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