能够直接合成射频范围内的信号的转换器(RF转换器)已经成熟到一个点，即它们正准备改变传统的无线电设计。利用数字化和合成高达2 GHz或3 GHz的瞬时信号带宽的能力，RF转换器现在可以提供真正宽带无线电的承诺，使无线电设计者能够显著地减少创建无线电所需的硬件量，并使新的LeVE成为可能。L的可重构性通过软件，这是不可能与传统的无线电设计。本文探讨了RF转换器技术的进步，使这种新的数据采集系统和宽带无线电可能，并讨论了软件可配置性创造的可能性。
介绍
每个无线电设计者面临的设计约束是设计具有最高可能质量与无线电功率消耗的信号带宽的折衷。无线电设计者如何满足这一限制，决定了收音机的大小和重量，并从根本上影响了收音机的布局，包括建筑物、塔楼、电线杆、地下车辆、包裹、口袋、耳朵或眼镜。每个无线电位置都有与它的位置相称的可用功率。例如，一座大楼或一座塔可能会比口袋里的智能手机或耳边的蓝牙耳机更能获得更多的电力。在所有的情况下，存在一个基本的事实：无线电所占用的功率越小，它能够以每单位功率递送越多，无线电就越小和越轻。这带来了巨大的后果，多年来一直是通信电子行业创新的主要驱动力。
随着半导体公司将更多的功能和更高的性能集成到相同或更小的组件中，使用它们的设备在某些情况下能够提供更小、更功能、更轻或全部三的承诺。更小，更轻的设备，更好的，具有更多的功能，使更好的设备放置在以前禁止的位置，因为一些其他的限制，例如当一个单元可以在一个塔上时减少的建筑所需的房地产数量，塔式无线电装置的尺寸，如果单元的重量足够低，则可以减少到一个杆单元，或者由于其重量需要在车辆中携带的单元现在可以装在一个包中。
今天的环境充满了需要建筑物、塔楼、电线杆和车辆的遗留设施。在需要把世界上的人联系到一起的同时，工程师们通过设计当时可用的组件来迎接这个挑战，并将我们今天拥有的通信丰富的环境传递给我们;在那里我们可以交谈、文字、IM、照片、下载、上传，以及浏览几乎任何地方，我们希望在几个不同的网络之一，包括移动网络无线局域网，Ad Hoc短距离无线网络等。这些都连接到宽带有线网络上，数据通过RF电缆和最终通过光纤传输。
图1。射频转换器使宽带无线电能够服务于像流媒体视频和游戏这样的要求数据服务。
增强的视频体验
正如一些研究表明，1, 2的数据需求预计将持续增长到下一个十年。这是由一个似乎无法满足的需求，需要更宽的带宽更丰富的数据内容。例如，有线电视和光纤到家庭运营商通过提供更高速的连接和更高清晰度的电视频道，继续向家庭提供宽带服务。移动到超高清(UHD或4K清晰度)电视需要超过HD电视容量的两倍，并且需要比今天使用的更宽的频道带宽。
此外，沉浸式视频，包括虚拟现实(VR)，以及游戏和3D效果，如180°或全景观看的多维自由，所有的4K UHD电视，将要求多达1千兆带宽每用户。这远远超出了已经要求的简单4K UHD的需求。电视广播和流媒体。网络游戏需要在网络中对称的数据带宽，因为等待时间是至关重要的，这是驱动更宽的带宽上行传输能力的发展。这需要更广泛的上游能力，反过来，导致设备制造商升级他们的设计，以实现对称，宽带传输。
今天的RF转换器的增强能力对于实现这种丰富的视频内容的进展至关重要。它们必须能够创建高动态范围信号，具有优良的无杂散性能，以便能够使用诸如256 QAM、1024 QAM和4K QAM的高阶调制方案。这些高阶调制方法需要增加每个信道的频谱效率，因为安装的同轴电缆工厂和分布放大器具有1.2 GHz到1.7 GHz的有限带宽。在头端传输设备中的更高性能扩展了安装的设备基础的可用寿命，减轻了资本预算约束，并允许多个服务运营商(MSOS)更长的时间窗来升级设备和传输系统。
多频带多模测试
今天的智能手机与传统的手机相似，因为更多的功能被包装在里面。这些特征中的许多具有与它们相关联的无线电，因此，今天的移动设备在其上具有五或七或更多的无线电向上。当智能手机被生产时，这些无线电设备必须测试，这对多模通信测试员的制造商提出了新的挑战。尽管测试次数随着无线电数量的增加而增加，但仍需要速度来保持测试成本下降。在移动设备的每个无线电设备上建立不同的无线电硬件对于测试仪的尺寸和成本来说是不切实际的。随着更多的频带开放或被提议用于移动服务，3在移动设备中测试越来越多的无线电的挑战增加。
RF转换器可以很好地解决这一挑战。在发射机和接收机中，RF转换器可以提供传统无线电不能实现的灵活性。宽带RF转换器提供捕获和直接在每个频带中同时合成信号的能力，从而能够同时测试移动设备中的多个无线电。在RF DAC和RF ADC中建立信道化器，这些多个无线电信号在转换器中被有效地处理。例如，在图2, 3中示出了每个RF DAC的信道化器，使得三个不同的信号和频带被直接合成、组合，然后用数字控制振荡器(NCO)数字化转换，然后由RF DAC转换为RF信号。
在其他市场领域，如航空航天和国防测试设备，对于脉冲雷达和军事通信的宽带测试解决方案的需求正在增加。由于雷达、电子情报、电子战设备和通信设备需要测试的数量和类型，测试设备制造商必须创建具有丰富特征的柔性仪器。4，例如，任意波形发生器必须能够产生V。各种信号，包括线性调频、脉冲信号、相位相干信号和调制信号，它们在很宽的输出频率和带宽范围内。测量设备必须具有同样的能力，以便在测试激励器或发射机时接收这些信号。RF转换器通过在RF频率上实现直接RF合成和测量来很好地服务于此应用。在某些情况下，这可以消除上转换或下转换的需要，并且在其他情况下可以减少单个转换所需的数量。这简化了硬件，因此可以减小其尺寸、重量和功率要求。诸如信道化器、内插器、NCOS和组合器之类的数字特征的添加使得在专用的低功耗CMOS技术上进行高效的信号处理。
图2。具有信道化器的RF DAC的示例。
软件无线电
射频转换器可以是软件定义无线电中的关键推动者。通过在多GHz范围内直接合成和捕获无线电频率，RF转换器通过消除整个上或下变频级简化了无线电架构，而以数字方式实现它们。模拟转换级和相关混频器、LO合成器和滤波器的去除降低了无线电的大小、重量和功率(SWAP)，使得无线电能位于更多的地方，并由较小的电源供电。这样的技术使得无线电可以小而轻，足以携带，在小型地面车辆中驱动，或者安装在飞机、直升机和无人机(UAV)等各种机载资产中。
除了能够跨平台进行更好的通信外，用RF转换器构建的无线电硬件具有多功能、多模和多频带的潜力。因为RF转换器现在能够到达较低的雷达频带，并且在不久的将来将到达更高的频带，可以用作雷达和战术通信链路的单个单元的概念可以成为现实。这样的单元在现场修理、升级、采购程序和成本方面提供了明显的杠杆作用。
直接合成和捕获雷达频率的能力使得RF转换器对于相控阵雷达系统是理想的。由于直接RF转换器的合成和捕获消除了如此多的常规无线电硬件，单个信号链更小、更轻。因此，将这些无线电装置中的许多装入更小的空间是可能的。适用于船载或陆基相控阵的阵列，以及较小的阵列和信号智能操作单元，可以用较小的交换建立。
图3。由RF转换器供电的软件定义无线电使跨平台的连接通信成为可能。
射频转换器背后的技术
使RF转换器成为可能的关键技术进步之一是朝向更精细的线CMOS工艺的连续行进。由于基本CMOS晶体管的栅极长度和特征尺寸变小，数字门变得更快、更小和更低的功率。6，这允许在具有合理功率和面积的RF转换器上将重要的数字信号处理包括在芯片上。包括软件可编程的数字信道化器、调制器和滤波器对于构建高效灵活的无线电至关重要。这种更高效的DSP也开启了使用数字处理来帮助纠正转换器中的模拟缺陷的门。在模拟侧，每个新节点提供更快的晶体管，每单位面积具有更好的匹配。这些改进对于更快的高精度转换器是至关重要的。
单独的工艺技术进步是不够的，也有一些关键的建筑进步，使这些转换器成为可能。RF DAC选择的体系结构是当前的转向DAC体系结构。这种类型的DAC的性能取决于包括DAC的电流源的匹配。未校准的电流源匹配与电流源面积的平方根成正比。7每单位面积的匹配将随着每个技术节点而提高。然而，即使在最先进的节点中，对于高分辨率转换器而言，具有足够低的随机失配的电流源将非常大。具有这样大的电流源会使转换器大，更关键的是，这种大电流源的寄生电容会降低DAC的高频性能。一个更具吸引力的解决方案是校准较小的电流源，以达到所需的匹配水平。这可以显著减少来自电流源的附加寄生虫，因此，在不损害高频性能的情况下，允许所需的线性性能。如果做得正确，这种校准可以使温度非常稳定，这允许校准一次完成。稳定的一次校准装置不需要在后台周期性地运行，节省了工作功率，减轻了由于背景中的校准而产生的杂散产品的担忧。
另一种辅助选择以非常高的速度满足期望的转换器性能指标的架构选择是用于控制DAC电流的开关结构的选择。传统的双开关结构(图4)在非常高的速度下运行时有几个缺点。9, 10，由于驱动到双开关中的数据可以从一个到多个时钟周期保持相同，所以尾部节点将有一个数据依赖的时间量来解决。如果时钟速率足够慢，这个节点可以在一个时钟周期内解决，这不是问题。然而，在非常高的速率下，该节点在一个时钟周期内不会完全沉降，因此依赖于数据的稳定时间将在DAC输出中引起失真。如果使用四开关(图5)，则数据信号全部返回到零。这导致尾部节点电压与数据输入无关，从而减轻了上述问题。四开关还允许DAC数据在时钟的两个边缘上更新。此特征可用于有效地将DAC采样率提高一倍而不增加时钟频率。
图4。双开关DAC单元的例子。
图5。一个四开关DAC单元的例子。
使用精心设计的电流源校准算法和四开关电流转向单元，结合今天的精细线CMOS工艺，允许设计DAC，其能够以非常高的速率以优良的动态范围采样。这允许在很宽的频率范围内合成高质量信号。当这个宽带DAC与支持DSP相结合时，它成为一个非常灵活的高性能无线电发射机，它可以被配置成为前面提到的所有不同的应用提供信号。
未来电台
虽然当今的RF转换器已经在无线电架构设计中实现了根本性的改变，但它们已经准备好在未来实现更大的变化。随着工艺技术的不断进步和RF转换器设计的进一步优化，RF转换器对功率消耗和无线电尺寸的影响将继续缩小。这些适当的技术进步恰好及时实现下一代无线电，例如新兴的5G无线基站应用，如大规模MIMO，以及大规模相控阵雷达和波束形成应用。深亚微米光刻将使更大数量的数字电路放置在RF转换器芯片上，集成诸如数字预失真(DPD)13和波峰因子减少(CFR)算法等关键计算重功能，有助于提高功率放大器效率和减少。
整个系统的功率急剧增加。这样的集成将减轻对耗电的FPGA逻辑的压力，并将这些功能转移到吝啬的专用逻辑上。其他的可能性包括将RF转换器及其数字引擎与RF、微波或毫米波模拟组件集成，进一步减小尺寸并进一步简化无线电设计，并将比特传送到天线、系统级的无线电设计方法。随着RF转换器，存在各种各样的机会。射频转换器是领先于可能的技术的技术。