能夠直接合成無線電頻率範圍內訊號的轉換器（RF轉換器）已然成熟，傳統無線電設計並將因此而產生變革。基於能夠數位化並合成高達2 GHz到3 GHz的瞬時訊號頻寬，RF 轉換器現在可以實現真正寬頻無線電，無線電設計人員得以大幅簡化硬體設計，並且提供良好支援軟體可重複配置的能力，這對於以往無線電設計來說是不可能實現的。本篇文章即將探討RF 轉換器技術的進步如何使得新型資料擷取系統和寬頻無線電成為可能，並討論軟體配置的可行性。
Introduction
每位無線電設計人員都需面對一個設計取捨的問題，亦即需要權衡訊號頻寬內的性能與功耗。無線電設計人員如何滿足這一項約束，決定了無線電的尺寸和重量，並從根本上影響了無線電的位置，包括建築物、塔台、電線桿、地下車輛、包裹、口袋、耳朵或眼鏡等。每個無線電位置都有一個與其位置相稱的可用功率量。例如，建築物或塔台上的可用功率很可能高於口袋中的智慧型手機或耳內的藍牙耳機所提供的功率。所有情況下都存在一個基本事實：無線電需要的功率越小，並且單位功率所能支援的吞吐量越大，則無線電尺寸越小，重量越輕。這個事實影響甚大，多年來並且成為著通訊電子產業中許多創新背後的推動力。
半導體公司將更多的功能和更高的性能整合到相同或更小尺寸的元件中，使用此類元件的設備得以實現更小、更多功能或更輕（某些情況下這三者都能獲得實現）的承諾。設備越小、越輕、功能越多則越好，這樣就可以將設備放置在以前由於其他約束而不能放的位置。例如，原先需要建築物，現在由於佔地面積減小，設備可以放在塔台上；原先放在塔台上的無線電單元，如果重量足夠輕，就可以縮小成放在電線柱上的單元；原先因為較重而需要車輛攜帶的單元，現在則可以放在一個背包中。
今日的環境充斥著各種需要放在建築物、塔台、柱子和車輛上的傳統裝置。出於世界各地人們彼此互聯的需求，工程師們利用當時可用的元件設計設備以因應各種挑戰，這才造就了我們今天通訊無處不在的環境。我們可以隨時隨地通過多種不同網路（包括行動網路、無線區域網、特設短距離無線網路等）進行通話、發簡訊、即時通訊、傳照片、下載、上傳和瀏覽。所有這些都連接到寬頻有線網路上，而數據由RF電纜傳輸，最終透過光纖傳輸。
圖1. RF轉換器支援寬頻無線電提供視訊流和遊戲等需大量數據的服務
更強化的視訊體驗
多項研究顯示，1, 2對數據的需求預計會在未來十年持續成長。其驅動力是人們對數據更豐富的內容似乎無止境需求，因而需要更寬的頻寬。例如，有線電視和光纖到戶運營商通過提供更高速度的連接和更多高畫質電視頻道，不斷在家庭寬頻服務方面展開競爭。超高畫質（UHD或4k解析度）電視需要的容量是高畫質的兩倍以上，通道頻寬需求超過目前使用的頻寬。
此外，包括虛擬實境(VR) 在內的沉浸式影片，以及具有多維自由度的遊戲和3D效果（180°或全景視覺等），全部使用4k超高畫質電視，每用戶需要高達1 Gb的頻寬，這遠遠超出了簡單的4k UHD電視廣播和串流媒體已然很嚴苛的要求。線上遊戲需要網路提供對稱的數據頻寬，因為延遲時間至關重要，這推動了更寬頻寬上行傳輸能力的發展。這種對更寬上行能力的需求，反過來又促使設備製造商升級其設計，以實現對稱的寬頻寬傳輸。
目前RF轉換器強大的功能對於推動傳輸如此豐富視訊內容的進步至關重要。必須能夠提供大動態訊號的輸出，同時要求具有優秀的雜散性能，從而支援使用256-QAM、1024-QAM和4k-QAM等更高階的調變方案。已安裝的同軸電纜設備和分配放大器具有1.2 GHz至1.7 GHz的有限頻寬，為了提高每個通道的頻譜效率，必須使用上述更高階的調變方法。前端傳輸設備的更高性能可延長已安裝設備群的使用壽命，緩解資本預算限制，以及支援向多家服務營運供應商(MSO) 提供更長時間窗口，來升級其設備和傳輸系統。
多頻、多模測試
隨著整合的功能越來越多，如今的智慧型手機與傳統手機已相去甚遠。許多功能都有與之相關聯的無線電，因此，當前的行動裝置中可能有五到七個甚至更多的頻段。生產智慧型手機時，每種無線電都必須進行測試，這為多模式通訊測試儀製造商帶來了新的挑戰。儘管測試量隨著無線電數量的增加而增加，但仍需要快速測試以降低測試成本。考慮到測試儀的尺寸和成本，為行動裝置中的每個無線電構建不同的無線電硬體變得不切實際。隨著更多的頻段開放或被提議用於行動服務，測試行動裝置中越來越多的無線電所帶來之挑戰，難度更在提高中。
RF轉換器可以良好地因應此一挑戰。無論是發射器還是接收器，RF轉換器均能提供傳統無線電無法實現的彈性。寬頻RF轉換器可以同時捕捉並直接合成每個頻段中的訊號，從而支援同時測試行動裝置中的多個無線電。利用RF DAC和RF ADC內建的通道選擇器，多個無線電訊號可以在轉換器中得到高效處理。例如，圖2中顯示每個RF DAC有3個子通道處理單元，可以將三個頻段不同的訊號合路，然後利用數位控制振盪器(NCO)進行數位上變頻，再由RF DAC轉換為RF訊號。
在其他市場領域中，例如針對航太和防務市場的測試設備，對用於脈衝雷達和軍用通訊的寬頻測試解決方案的需求日益增加。由於需要測試的雷達、電子情報、電子戰設備和通訊設備的數量與類型眾多，測試設備製造商必須製造出一種具有豐富特性組合的靈活儀器。例如，任意波形發生器必須能夠創建各種訊號，包括線性頻率調變脈衝訊號、相位相干訊號以及各種輸出頻率和頻寬的調變訊號。測量設備必須同樣強大，以便在測試激勵器或發射器時能接收這些訊號。RF轉換器支援直接RF合成和RF頻率下的測量，可以良好地服務於此類應用。在某些情況下，這可以消除上變頻或下變頻的需求，而在其他情況下，減少變頻次數。硬體得以簡化，尺寸、重量和功耗要求得以降低。增加通道選擇器、內插器、NCO和合成器等數位特性，可在專用低功耗CMOS技術上實現高效訊號處理。
圖2. 具備通道選擇器的RF DAC示例
軟體定義無線電
RF轉換器是軟體定義無線電的關鍵因素之一。RF轉換器能夠直接合成和捕獲幾個GHz頻寬內的無線電頻率，以數位方式實現上變頻或下變頻功能，這樣整個上變頻或下變頻級都將不再有需要，使得無線電架構得以簡化。去掉類比變頻級和相關混頻器、LO合成器、濾波器，可減小無線電的尺寸、重量和功耗(SWaP)，使無線電能夠適應更多的應用場景，並可使用更小的電源供電。這種技術使得無線電可以更小巧輕便，足以手持、車載或安裝在飛機、直升機、無人機(UAV)等各種機載資產中。
除了實現更好的跨平台通信之外，利用RF轉換器構建的無線電硬體還有支援多功能、多模和多頻的潛力。RF轉換器現在能夠達到較低的雷達頻段，在不久的將來會達到較高的頻段，因此單台設備既可用作雷達也可用作戰術通訊鏈路的概念有望變成現實。如此的設備在現場維修、升級、採購程序和成本方面具有明顯的優勢。
直接合成和捕捉雷達頻率的能力使得RF轉換器非常適合相位陣列雷達系統。直接RF轉換器合成和捕捉可減少非常多的傳統無線電硬體，使單個訊號鏈更小更輕。如此便能將很多這種無線電整合在一個更小的空間中。適合船載的陣列或地面相位控列，以及用於訊號情報操作的較小陣列和單元，可以實現更小的SWaP。
圖3. RF轉換器驅動的軟體定義無線電支援跨平台互連通訊
RF轉換器背後的技術
RF轉換器得以成功，其關鍵技術進步之一是持續微縮的細線CMOS工藝。隨著基本CMOS晶體管的閘極長度和特徵尺寸變小，數位閘極電路變得更快、更小且功耗更低。這使得具有合理功耗和面積的RF轉換器可以將大量數位訊號處理功能整合到晶片上。容納數位通道選擇器、調變器和軟體可編程濾波器，對於構建高效靈活的無線電來講非常重要。這種更高效的DSP也為利用數位處理來幫助糾正轉換器中的類比缺陷打開了大門。在類比方面，每個新節點都提供速度更快的電晶體，其單位面積的匹配性能也更好。這些改良，對於實現速度更快的高精度轉換器至關重要。
單靠製程技術的進步仍然是不夠的，還有一些重要的架構改良使得RF轉換器成為可能。RF DAC的首選架構是電流導引DAC架構。此類DAC的性能取決於構成DAC的電流源的匹配。未經校準的電流源匹配，其與電流源面積的平方根成正比7 。單位面積的匹配隨著技術節點的升級而改善。但是，對於高解析度轉換器而言，即便是最先進的節點且隨機失配足夠低，其電流源也會非常大。這種大電流源會使轉換器變大，更糟糕的是，大電流源的寄生電容會降低DAC的高頻性能。更有吸引力的解決方案是校準較小電流源以達到所需的匹配水平。如此將能顯著降低來自電流源的附加寄生效應，實現所需的線性度性能而不損害高頻性能。如果正確執行，這種校準可以在整個溫度範圍內保持高度穩定，並且校準可以一次完成。穩定的一次性校準意味著不需要在後台定期運行校準，從而節省運行功耗，並減輕因後台運行校準而產生雜散產物的問題。
還有一個幫助超高速轉換器達到性能指標的架構選擇，那就是用於導引DAC電流的切換開關架構選擇。傳統的雙切換開關結構（圖4）在以非常高的速度運行時存在幾個缺點9,10。驅動到雙路切換開關的數據可以在一個到多個時脈週期內保持不變，因此尾節點的建立時間依賴於數據。如果時脈速率足夠慢，使得此節點可以在一個時脈週期內建立，那麼這不成問題。但在非常高的速率下，此節點在一個時脈週期內無法完全建立，依賴於數據的建立時間將會導致DAC輸出失真。
圖4. 雙開關DAC單元示例。
圖5. 四切換開關DAC單元示例
如果使用四路開關（圖5），數據訊號就會全部歸零。這導致尾節點電壓與數據輸入無關，從而緩解上述問題。四路開關還允許DAC數據在時脈的兩個邊緣上更新。利用此特性可有效地使DAC採樣速率加倍，而時脈頻率無需倍增。
未來的無線電
當今的RF轉換器已經促使無線電架構設計發生了根本性的改變，而在未來，它將引發更大的改變。隨著製程技術的不斷進步和RF轉換器設計的進一步優化，RF轉換器對無線電功耗和尺寸的影響將繼續縮小。這些技術進步來的正是時候，其強而有力地推動了新一代無線電，例如新興5G無線基地台應用（如大規模MIMO），以及大規模相位陣列雷達和波束成形應用。深亞微米光刻技術將使得更多數位電路能夠放置在 RF轉換器晶片上，從而整合需要大量運算的關鍵功能，如數位預失真(DPD)13和削峰(CFR)算法等，這有助於提高功率放大器效率並顯著減少系統整體功耗。這種整合，將減輕對高能耗FPGA邏輯的壓力，進而也將相關功能轉移到功耗較低的專用邏輯中。其他可能性包括將RF轉換器及其數位引擎與RF、微波或毫米波類比元件整合在一起，進一步縮小尺寸並簡化無線電設計，為無線電設計提供位元至天線的系統級方法。由於有了RF轉換器，各種各樣的機遇並將隨之迸發出來。RF 轉換器是助力超越一切可能的技術。
參考資訊
1 "5G Radio Access." Ericsson, April 2016.
2 "Consumer Survey Report on Typical Future Mobile Applications." Huawei Wireless X Labs.
3 "Notice of Inquiry FCC 17-104." Federal Communications Commission, August 2017.
4 John Hansen. "Radar, Electronic Warfare, and Electronic Intelligence Testing." Agilent Technologies, August 2012.
5 Henry S. Kenyon, "New Radios, Waveforms Move Military Communications into the Sky." Signal, October 2013.
6 William Holt. "Moore's Law: A Path Going Forward." 2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference, IEEE, 2016.
7 A.C.J. Duimaijer, Anton Welbers, and Marcel Pelgrom "Matching Properties of MOS Transistors." IEEE Journal of Solid-State Circuits, IEEE, Vol. 24, No. 5, October 1989.
8 Haiyan Zhu, Wenhua Yang, Gil Engel, and Yong-Bin Kim. "A Two-Parameter Calibration Technique Tracking Temperature variations for Current Source Mismatch." IEEE Transactions on Circuits and Systems—II: Express Briefs, IEEE, Vol. 64, No. 4, April 2017.
9 "Constant Switching for Signal Processing." U.S. Patent US6842132 B2, January 2005.
10 Sungkyung Park, Gyudong Kim, Sin-Chong Park, and Wonchan Kim. "A Digital-to-Analog Converter Based on Differential-Quad Switching." IEEE Journal of Solid-State Circuits, IEEE, Vol. 37, No. 10, October 2002.
11 Gil Engel, Shawn Kuo, and Steve Rose. "A 14-Bit 3 GHz/6 GHz Current-Steering RF DAC in 0.18 μm CMOS with 66 dB ACLR at 2.9 GHz." 2012 IEEE International Solid-State Circuits Conference, IEEE, 2012.
12 Daniel Fague. "New RF DAC Broadens Software-Defined Radio Horizon." Analog Dialogue, Vol. 50, No. 7, July 2016.
13 Patrick Pratt and Frank Kearney. "Ultrawideband Digital Predistortion (DPD): The Rewards (Power and Performance) and Challenges of Implementation in Cable Distribution Systems." Analog Dialogue, Vol. 51, No. 07, July 2017.
