摘 要： 鑒于傳統硬件無線電架構的特點和局限性，分析了軟件無線電設計中模數轉換器的應用要求，介紹了12位千兆級采樣轉換器的新產品系列以及與之匹配使用的差分放大器和時鐘解決方案。
關鍵詞： 硬件無線電；軟件無線電；ADC；差分放大器；時鐘源
顧名思義，軟件無線電（SDR）是指無線電設備的關鍵特征是由軟件而非硬件決定的。這樣的架構有很多優勢：復雜度低，尺寸更小，功耗更低，升級方便，降低了硬件開發和重復設計的成本。但是軟件無線電架構需要性能非常高的模數轉換器、放大器和精確的時鐘。本文將介紹12位千兆級采樣轉換器的新產品系列，該系列轉換器集成了軟件無線電的諸多優點，在軍用雷達、通信、有線機頂盒等領域得到了廣泛應用。本文還將介紹與之匹配使用的差分放大器和時鐘解決方案。
傳統硬件無線電架構的特點和局限
外差、零差、低中頻這類眾所周知的接收器架構，每種都有其獨特的優勢以及缺點。它們的共同特點在于，不管是雙轉換或單轉換架構都是通過混頻或者下變頻將射頻信號向下轉換為頻率更低、更易于管理的中頻信號。由于現有模數轉換技術的局限性，通常都需要將模擬射頻信號轉換為低中頻或基帶信號。基本上現有的模數轉換器在采樣頻率、模擬輸入帶寬和輸入采樣寬帶噪聲的跟蹤和保持方面還不足以滿足許多軟件無線電應用的要求。超外差架構如圖1所示。不管是否存在頻率變換，雙級（外差）或單級（零差）架構都需要進行大量具有挑戰性的模擬信號調節。硬件無線電(HDR)架構需要高性能的混頻器，這種混頻器要求濾波器具有優異的幅度/相位匹配能力、低本振泄漏電平、高Q值及低插入損耗（預選、鏡像抑制、抗混）。此類器件存在很多困擾影響：泄漏、直流偏置錯誤、閃爍噪聲、I/Q不匹配以及偶次諧波失真。射頻和模擬系統設計富有挑戰性—— 由阻抗引起的駐波、諧波失真和反射，I/Q失配以及設備泄漏都很難檢測，造成的影響也難以量化。另外由于教育機構偏重于培養“數字”工程師，導致行業中的射頻和模擬專家正日益減少。
硬件無線電架構除了技術上實現起來較有難度外，還有一些明顯的缺點：密集模擬設計復雜度高，需要大量的電能和電路板面積；為了降低電磁干擾（EMI），通常都需要增加射頻屏蔽，而這又進一步增大了整個系統的體積；高能耗必然帶來散熱問題和冷卻要求；造價高昂，且成本隨著通道數增加而成倍遞增；固定頻點會造成僵化；硬件上的系統參數（頻道數及頻道帶寬等等）固定，因此系統的修改和重新設計都需要大量的研發工作和更高的成本。
與軟件無線電的比較
軟件無線電的概念并不新鮮。盡管“軟件無線電”這個詞匯是由Joseph Mitola在1991年提出并于1992年發表了專題論文，但實際上國防部門從20世紀70年代以來就一直在沿用這一概念。軍方的目的是要開發出靈活且可編程的無線電架構，這種架構可以輕松地適應不斷變化的地面條件。基本上，無線電的特點應該是由軟件而不是硬件定義的。無線基礎設施開發者很快認識到軟件無線電在降低硬件開發成本和增加收益方面的潛力。一個軟件可編程基站很容易通過調整來支持新興行業標準（如WiMax、UMTS、MC_GSM），既不需要升級硬件，也不需要派遣維護工程師到達現場。這就要求無線電的特征在數字域而不是在模擬域定義。為了實現這一方法，數字化模塊必須靠近天線。在模數轉換之前只需極少的模擬信號調節。圖2所示只是簡圖，但一般而言，只需要配置一個預選濾波器（用于消除帶外信號能量）、一個低噪聲放大器（LNA）和一個差分可變增益放大器(VGA)即可。模數轉換器往往需要一個精確的時鐘源——由于模數轉換器對射頻信號直接采樣，因而對時鐘源的要求比以前更加嚴格。應用該方法，整個信號帶即可數字化，再也不需要復雜的非線性的混頻器、本地振蕩器和濾波器（中頻以及基帶）。而同時，這里模數轉換器也對前端器件提出了嚴格的要求。
模數轉換器要求：
· 千兆赫茲的采樣率和奈奎斯特帶寬；
· 低基底噪聲；
· 高噪聲功率比（NPR）和互調失真；
· 低功耗；
· 推薦具備的模擬特性：單電源軌、自動校準、可調輸入增益和偏置；
推薦具備的數字特性：多芯片同步功能、可編程數據接口（數據速率、數據采集時鐘、數據/數據時鐘的相位關系）和測試模式。
時鐘要求：
· 超低基底噪聲-亞皮秒級RMS抖動；
· 優秀的寄生噪聲性能；
· 推薦具備的特性：高集成度，可編程輸出頻率和功率。
模數轉換器驅動電路要求：
· 寬帶寬等于模數轉換器的輸入帶寬；
· 帶外增益平坦；
· 低噪聲和失真；
· 推薦具備的特性：增益和共模電壓控制。
軟件無線電的優點反映了硬件無線電的缺點。更少的模擬元件意味著更低的模擬復雜度，而射頻信號處理過程的簡化意味著更少的射頻屏蔽。這使設計體積更小，結構更為緊湊，而且功率更低。可立即節省硬件和開發成本，但主要優勢來自于軟件無線電固有的靈活性。相比硬件無線電這確實是一個顯著的優勢。軟件可編程性允許從遠程位置更改或者完全改變無線電規格，而這樣的更改不會對硬件造成任何修改。通過提供對新3 G或4 G標準的兼容性，網絡運營商可以升級通信基站。有線或衛星電視服務供應商在不增加額外調諧器的情況下即可直接升級客戶端機頂盒（STB）。雷達系統制造商也能受益于數字可編程頻率選擇技術。服務得到改善而運營商的成本降低，從而使客戶受益。
值得一提的是軟件無線電的崛起并非意味著模擬系統的消亡。正相反，超高性能的放大器、頻率合成器以及時鐘調節器等模擬系統都已廣泛應用于軟件無線電的設計中。
軟件無線電組件解決方案
如圖3所示，ADC12D1800由兩個通道組成，在獨立通道運行時采樣率高達3.6 GS/s，而在雙通道交叉運行時采樣率高達1.8 GS/s。該設備在3.6 GS/s條件下運行時比現有的任何12位設備都要快3.6倍。該模數轉換器的模擬輸入帶寬為2.8 GHz，基底噪聲動態性能為-147 dBm/Hz，噪聲功率比（NPR）為52 dB，互調失真（IMD）為-61 dBFS，這樣的規格可以滿足很多軟件無線電應用要求。
ADC12D1800以1.9 V的單電源供電，由0.18 μm純CMOS工藝制造，每通道的功率僅為2.05 W。該設備每通道具有多芯片同步、可編程增益和偏置電路。即便在輸入頻率超過2 GHz時，內部的跟蹤/保持放大器和擴展的自校準機制也能使系統對于所有的動態參數都獲得平坦的響應，同時誤碼率可降低到令人難以置信的10-18。除了在基底噪聲、噪聲功率比（NPR）及互調失真(IMD)方面有良好的性能，ADC12D1800在125 MHz時也擁有57.8 dB的信噪比(SNR)、67 dBc的無雜散動態范圍（SFDR）以及9.2位有效位數。低壓差分信號（LVDS）輸出可配置為1:1或1:2解復用模式。測試模式可用于系統調試。
LMX2541是一個超低噪聲頻率合成器，它整合了一個高性能△-Σ小數N分頻鎖相環(PLL)、一個完全集成儲能電路的壓控振蕩器（VCO）以及一個可選分頻器。該鎖相環(PLL)可以產生31.6 MHz～4 GHz的頻率，同時歸一化基底噪聲達到前所未有的-225 dBc/Hz。當配合高質量的參考振蕩器時，LMX2541可產生非常穩定的低噪聲信號。因此LMX2541成為ADC12D1800的理想時鐘源。
LMX6554具有2.8 GHz的單位增益小信號帶寬，且無需犧牲響應平坦度、帶寬、諧波失真或輸出噪聲性能即可工作在增益大于1的環境下。它在830 MHz處有0.1 dB的增益平坦度，在150 MHz處有8 dB的噪聲指數和-99 dB的互調失真。對于直流耦合應用，LMH6554有一個用于正確設置ADC121X00系列共模電壓的共模輸出電壓引腳。
很多系統都可受益于軟件無線電架構，如測試儀器（頻譜分析器、數字示波器）、雷達、通信（衛星、微波回程、光鏈路）、多通道機頂盒（STB）、信號情報以及激光檢波與測距（LIDAR）。這些系統過去都采用硬件無線電架構。對于上述系統，軟件無線電都可減少元件數量和材料清單成本，降低解決方案規模及功耗，同時提供無限的靈活性和可編程性。通過重用通用模擬前端模塊升級設備也可有助于減少研發費用。
關于軟件無線電及上述產品的更多詳情，請參見：http://www.national.com/analog/adc/ultra_high_speed_adc。