解決方案是對組成RF采樣ADC的硅芯片進行更優(yōu)化設計。得益于硅芯片工藝的進步（感謝摩爾定律），定制型數(shù)字處理模塊中的RF采樣ADC在功耗和尺寸方面的效率相比現(xiàn)有FPGA要更高。使用這些數(shù)字信號處理模塊還能獲得更低的數(shù)據(jù)速率，從而可以使用成本更低的FPGA。這對于運營商來說是雙贏的局面，因為他們可以使用這些GSPS ADC以高頻率進行采樣、使用內部數(shù)字下變頻器(DDC)以所需速度處理數(shù)據(jù)，并以能實現(xiàn)的（低）數(shù)據(jù)速率將其發(fā)送至更為廉價的FPGA（或者現(xiàn)有的ASIC產品）進行進一步的基帶處理。

 

使用帶有DDC的RF采樣ADC的另一個優(yōu)勢是，這樣可以通過更靈活、更緊湊、性價比更高的方式實現(xiàn)雙頻段無線電系統(tǒng)。雙頻段無線電系統(tǒng)的應用已有多年歷史?；鞠到y(tǒng)設計人員以前通過使用兩個獨立的無線電路徑（每頻段一個）來實現(xiàn)雙頻段無線電系統(tǒng)。本文討論一種利用多頻段無線電接收機——使用RF采樣ADC，比 如AD9680——對兩個獨立而使用廣泛的頻段進行數(shù)字化和處理。本文第一部分解釋了功能框圖級別的實現(xiàn)，并討論了雙頻段無線電系統(tǒng)中使用GSPS ADC的優(yōu)勢。本文第二部分將討論TDD LTE頻段34和39（亦分別稱為頻段A和頻段F）的實現(xiàn)和數(shù)據(jù)分析，并通過數(shù)據(jù)分析來揭示顯示器性能。

 

傳統(tǒng)雙頻段無線電接收機

 

為了迎合客戶對于雙頻段無線電的需求，同時滿足總系統(tǒng)級性能要求，基站設計人員拿出了他們的看家本領：復制兩次無線電設計，然后每頻段調諧一個設計。這意味著針對客戶的選擇，設計人員必須將兩個獨立的無線電硬件設計調諧至兩個頻段。

 

例如，如果需要構建能支持TDD LTE頻段34（頻段A：2010 MHz至2025 MHz）以及頻段39（頻段F：1880 MHz至1920 MHz）1的無線電接收機，則設計人員就會打包兩個無線電接收機設計。TDD LTE頻段的頻率規(guī)劃如圖1所示。

 

圖1. TDD LTE頻段34和39的頻率規(guī)劃。

 

設計雙頻段無線電接收機以支持這些頻段的傳統(tǒng)方法是部署兩個獨立的接收機鏈路，每頻段一個。下文圖2顯示了雙頻段無線電接收機的框圖。²

 

圖2. 雙頻段無線電接收機設計的傳統(tǒng)方法。

 

圖2顯示了雙頻段無線電的傳統(tǒng)實現(xiàn)。該方案的實現(xiàn)成本較高，因為它實際上是一個系統(tǒng)中的兩個無線電接收機。每一個處理元件都是重復的，以便支持對應頻段。FPGA資源也是如此。每一個處理元件都是重復的，以便支持對應頻段，這導致FPGA資源重復，增加系統(tǒng)成本和復雜性，導致功耗上升。就FPGA接口來說，F(xiàn)PGA資源也將是兩倍，以支持兩個ADC數(shù)據(jù)流。圖3顯示了FPGA I/O資源要求或雙頻段無線電接收機系統(tǒng)設計的框圖。該圖同時顯示了LVDS和JESD204B ADC接口。LVDS數(shù)據(jù)速率較低，但FPGA需要更高的I/O數(shù)。JESD204B接口需要較少的FPGA I/O資源，但通道速率可能更高，因此FPGA也許更為昂貴。

 

圖3. 傳統(tǒng)雙頻段無線電接收機的FPGA接口要求。

 

使用RF采樣(GSPS) ADC的雙頻段無線電接收機

 

RF采樣或GSPS ADC能夠提供系統(tǒng)設計靈活性。利用深亞微米工藝技術，GSPS ADC可以集成數(shù)字處理模塊，且相比FPGA以低得多的功耗進行特定速度下的數(shù)據(jù)操作。RF采樣ADC的核心是一個高帶寬模擬采樣內核，以GHz速度進行采樣。模擬內核之后是各種各樣的數(shù)字信號處理元件。這些數(shù)字下變頻器可以用來提取相應頻段。針對雙頻段接收機設置的RF采樣ADC內部框圖如圖4所示。DDC除了處理信號，還可降低JESD204B通道數(shù)據(jù)的通道速率。

 

圖4. 顯示內部DDC的RF采樣ADC框圖。

 

加入數(shù)字信號處理模塊后，GSPS ADC便可以獨立方便地提供兩個處理頻段。這對于運營商來說是雙贏的局面，因為他們可以使用這些RF采樣ADC以高頻率進行采樣、使用內部數(shù)字下變頻器(DDC)以所需速度處理數(shù)據(jù)，并以能實現(xiàn)的（低）數(shù)據(jù)速率將其發(fā)送至更為廉價的FPGA（或者現(xiàn)有的ASIC產品）進行進一步的基帶處理。這些ADC提供高帶寬前端，讓系統(tǒng)設計人員能夠捕捉寬頻率范圍（比如兩個無線電頻段）并對其數(shù)字化，以便進行信號處理。下文圖5顯示了一個雙頻段接收機系統(tǒng)，使用RF采樣ADC和內部DDC來提取頻段。顯然，與圖2中的方案進行對照后發(fā)現(xiàn)，使用RF采樣ADC的雙頻段接收機在實現(xiàn)上要簡單得多。在本方案中，RF向下混頻至高中頻，其寬度為幾百MHz，而不是傳統(tǒng)雙頻段應用的幾十MHz寬度。BPF和VGA級為可選，取決于所需的系統(tǒng)性能等級。

 

圖5. 使用RF采樣ADC和內部DDC來提取頻段的雙頻段無線電接收機。

 

在雙頻段無線電系統(tǒng)中使用RF采樣ADC的部分優(yōu)勢如下所述：

 

更簡單的前端設計

 

使用RF采樣ADC的雙頻段無線電系統(tǒng)設計大幅簡化了前端網絡。對于剛接觸的用戶來說，只需進行一次前端設計，而不是兩次（每頻段一次）。這樣可以大幅降低系統(tǒng)板的物料清單。接下來是AAF（抗混疊濾波器）要求，它是用于兩個中頻轉換器的帶通濾波器(BPF)——相比用于GSPS ADC的低通濾波器(LPF)而言。這是因為GSPS ADC對輸入信號進行過采樣。^{3, 4}數(shù)據(jù)過采樣后，數(shù)字下變頻器就能進行抽取和濾波。如果頻率規(guī)劃使二次和三次諧波落在頻段外，那么就可放寬AAF要求。

 

更低的系統(tǒng)功耗，更小的尺寸

 

RF采樣只需一個前端（如圖5所示），而不是兩個LNA、兩個混頻器和兩個IF ADC（如圖2所示）。從系統(tǒng)級功耗角度來看，這樣可以大幅降低功耗。較低的系統(tǒng)功耗以及更簡單的前端設計縮小了系統(tǒng)的尺寸。

更高的FPGA利用率

 

使用RF采樣ADC來實現(xiàn)雙頻段無線電系統(tǒng)時，通過DDC來提取各頻段。由于DDC抽取數(shù)據(jù)，因而降低了輸出采樣速率。這使JESD204B接口的配置非常靈活。例如，某個雙通道ADC以1GSPS速率采樣，并且工作在全帶寬模式，則四個通道的線路速率計算值為每通道10Gbps。ADI公司的JESD204B轉換器線路速率可以計算如下：

 

 

其中

 

M = 轉換器數(shù)（本例中為2）

 

N'''' = 每個樣本的轉換器位數(shù)（本例中為16）

 

10/8 = 8B10B 開銷

 

F_OUT = 輸出采樣速率; 本例中, Decimation_Ratio = 1 針對全帶寬)

 

L = 通道數(shù)（本例中為4）

 

舉例而言，如果同樣的雙通道ADC使用總共4個DDC的8抽取配置，則ADC可支持很多配置，具體取決于通道數(shù)。輸出采樣速率變?yōu)?25 MSPS (1 GSPS ÷ 8)。各種配置如表1所示：

 

表1

 

這些靈活的配置為系統(tǒng)設計人員提供了以下選擇自由：使用具有較高通道速率但更佳I/O通道密度使用率的昂貴FPGA，或者使用存在線路速率限制的現(xiàn)有FPGA/ASIC。

 

結論

 

GSPS ADC深亞微米硅工藝的出現(xiàn)迎來了無線電架構討論與設計的新紀元。GSPS ADC具有高帶寬采樣內核以及數(shù)字下變頻器選項，提供重新思考和重新定義無線電架構的靈活思路，從而滿足消費者不斷增長的需要。這些GSPS ADC具有更低的功耗和更小的尺寸，可降低這些無線電產品的擁有成本。集成JESD204B接口的當代ADC具有靈活的輸出選項，它們并不妨礙系統(tǒng)設計人員使用昂貴的高線路速率FPGA或數(shù)字邏輯。

 

本文第二部分將討論TDD LTE頻段34和39相關的使用場景，并分析它在采用AD9680的多頻段無線電接收機中的應用。⁵

 

 

參考電路

 

¹ E-UTRA頻段.

 

² Walt Kester. 數(shù)據(jù)轉換手冊 。ADI公司，2005年。

 

³ Umesh Jayamohan. "祖父時代的ADC已成往事：RF采樣ADC給系統(tǒng)設計帶來諸多好處。"ADI公司，2015年。

 

⁴ 過采樣。.

 

⁵ AD9680. ADI 公司。

 

 

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