創新ADC加持　直接射頻取樣實作門檻降低

2012-12-03

Paul McCormack

與摩爾定律一樣，電子產業的趨勢也依循可預測的明確方向進行。隨著電晶體裝置縮小，以及IC密度增加，消費者要求以低成本的方式達到效能、增加功能、提升資料處理量以及延長電池續航力，這也促使業界需求更高整合度與設計彈性和重複使用性，以縮短半導體和電子產品製造商的設計週期和上市時程。

早期的個人電腦和手機採用許多標準邏輯IC、類比配置區塊和離散元件，如今這些都已經整合於少數的特殊應用積體電路(ASIC)內。相較於10年前的機型，現今的個人電腦(PC)和智慧型手機所含的元件大約減少十倍，但效能增強數千倍。對於以小尺寸達到更高效能、使用性、功能及電池續航力的需求，促使技術進展與整合。在這些技術進展中，最顯著的部分在數位電子產品，持續按照摩爾定律進行發展，電晶體尺寸縮小，而且晶片密度增加。

多年前，無線射頻接收器架構已變成為完全整合式無線射頻收發器，使得手機架構更加創新。類比數位轉換器(ADC)如今可以直接對整個3G/4G頻帶進行取樣，同時符合第三代合作夥伴計畫(3GPP)雜訊與失真需求，達到超越2.7GHz及第十一個尼奎斯特(Nyquist)區域的絕佳雜訊與線性效能。以下將比較直接無線射頻取樣架構相較於傳統中頻(IF)及零IF取樣架構所展現的效益，以及介紹這個架構在其他市場的應用。

採用無線射頻取樣

一般而言，須要支援全球行動通訊系統(UMTS)頻帶1(1,920M?1,980MHz)的60MHz UMTS接收器只能支援頻帶1。無線射頻元件如低雜訊放大器(LNA)、混頻器之本地振盪器(LO)頻率(1或2段)、表面聲波(SAW)、陶瓷及低通濾波器全部都能支援選擇的頻帶。接收器的參數在硬體中固定不變，因此IF頻率或頻道頻寬的任何變化都須要重新設計，並可能重新選擇不同的元件。

直接無線射頻取樣ADC能夠讓工程人員建立軟體定義無線射頻(SDR)，其中的重要參數均可供設定，不同於硬體定義無線射頻(HDR)將參數固定在硬體中。對於SDR，所有的濾波和頻帶選取都是以數位方式進行，視需要設定現場可編程閘陣列(FPGA)，因此無線射頻的參數可進行最小程度的硬體變更。這類架構有許多優點，包括低複雜度、小尺寸、低耗電量、方便升級或高彈性，及低硬體開發與重新設計成本。

SDR一直是無線射頻架構設計的終極目標，過去由於無線射頻元件的限制而無法達成，尤其是ADC。最近ADC技術的發展使得直接無線射頻取樣得以實現，廣泛運用於多種應用。全新的無線射頻取樣ADC符合3G/4G無線基地台接收器直接無線射頻取樣的失真和雜訊效能。效能、尺寸、彈性及成本相關的系統效益和改進，也可運用於其他許多應用，例如測試儀器(頻譜分析器、數位示波器、資料擷取)、電信(衛星、微波回程、光學連結)、多頻道機上盒(STB)，以及軍事用途(訊號情報、雷達、光達)。

HDR架構實作成本高

目前有許多常見的HDR接收器架構包括外差式(Heterodyne；IF取樣)和零差式(Homodyne；零IF取樣)，各有優缺點。大致而言，這兩種的運作方式相當類似，都是藉由雙重轉換或單一轉換架構，將類比的無線射頻訊號降頻轉換為可管理的低頻率IF。

由於ADC技術的限制，一般都將無線射頻訊號降頻轉換為類比的低頻率IF或基頻(Baseband)訊號。近期，ADC的最大取樣頻率、類比輸入頻寬和雜訊效能已經不足以實作無線射頻取樣SDR接收器。圖1顯示HDR架構。無論是以雙段或單段將頻率轉換為IF，或是以正交解調變器的零IF系統將頻率轉換為IF，都須要進行許多類比訊號調節。這類架構需要高效能的混頻器，以及優異的相位與振幅匹配、低漏損LO及高Q低插入損耗(預先選取、鏡像抑制及抗混疊)。無線射頻元件會出現漏損、直流(DC)偏移誤差、閃爍雜訊、I/Q不相符及諧波失真。

圖1　一般HDR架構

此外，無線射頻及類比系統設定有許多挑戰，不良的阻抗匹配、I/Q不相符及裝置漏損所造成的駐波(Standing Waving)、諧波失真及反射都相當難以測量，而且不易將所造成的影響量化。另外，隨著教育機構不斷培育數位工程人才，業界的無線射頻和類比專業人才的數量逐漸減少。

除了設計挑戰外，這類架構也有其他缺點。類比設計相當複雜，極為耗電，而且占用許多電路板空間。高耗電量會導致散熱問題，產生嚴格的降溫需求。一般需要無線射頻屏蔽降低類比LO來源的電磁干擾(EMI)效應，導致整體系統大小和成本增加。

HDR架構的實作成本相當高，會隨著通道數增加而倍增。HDR的另一項主要缺點是固定頻率配置缺乏彈性。系統參數如通道數、無線射頻頻寬、無線射頻頻帶等，在硬體內固定不變，因此系統修改或重新設計相當耗費時間和資源；各個不同的頻率頻帶都需要幾乎完全不同的無線射頻設計。

實現直接無線射頻取樣

由於大多數的無線射頻使用14位元或16位元ADC，因此設計工程人員通常不了解12位元ADC是否能夠發揮雜訊與線性效能，符合特定的系統需求。因為業界已經習慣使用管線式轉換器，並且以輸出位元計數和取樣速度進行開發，以滿足電信市場愈來愈多的需求。

圖2　ADC12Dxx00RF的雜訊位準

在過去，12位元ADC可充分發揮雜訊和線性效能，滿足單一載波全球行動通訊系統(GSM)需求。但是，隨著增強型GSM數據服務(EDGE)、多載波GSM與寬頻3G/4G的雜訊和線性需求日益嚴苛，14位元及16位元資料轉換器已成為必要配備。因此，工程人員自然懷疑12位元解決方案能否解決14位元或16位元問題。在此情況下，有必要比較12位元GHz ADC與16位元管線式ADC一掃疑慮。圖2顯示ADC12Dxx00RF的雜訊位準。

訊噪比(SNR)是常見的資料轉換器規格，但是，由於也是完整尼奎斯特頻帶規格，因此整個尼奎斯特頻帶都有雜訊。大多數無線射頻所需的頻寬小於整個頻帶，則SNR將變得較不相關。

ADC12D1800RF(12位元1.8/3.6 GSPS ADC)具有1.8GHz全速單通道模式的尼奎斯特頻寬，而ADC16DV160 (16位元160MSPS ADC)具有80MHz的尼奎斯特頻寬。假設輸入訊號為248MHz，ADC16DV160的SNR大約比ADC12D1800RF的SNR高出20dB。

不過，如此的比較有誤導之嫌，因為在與ADC16DV160相同的運作條件下，ADC12D1800RF的SNR是經由1,800MHz積成，而非經由80MHz。若要比較雜訊效能，頻譜雜訊密度(Noise Spectral Density, NSD)是較為實用的參數。可由公式1計算而得的NSD，是測量ADC雜訊位準的功率密度所得到的結果，單位為dBFS/Hz或dBm/Hz。