摘 要：鉴于传统硬件无线电架构的特点和局限性，分析了软件无线电设计中模数转换器的应用要求，介绍了12位千兆级采样转换器的新产品系列以及与之匹配使用的差分放大器和时钟解决方案。
关键词：硬件无线电；软件无线电；ADC；差分放大器；时钟源

顾名思义，软件无线电（SDR）是指无线电设备的关键特征是由软件而非硬件决定的。这样的架构有很多优势：复杂度低，尺寸更小，功耗更低，升级方便，降低了硬件开发和重复设计的成本。但是软件无线电架构需要性能非常高的模数转换器、放大器和精确的时钟。本文将介绍12位千兆级采样转换器的新产品系列，该系列转换器集成了软件无线电的诸多优点，在军用雷达、通信、有线机顶盒等领域得到了广泛应用。本文还将介绍与之匹配使用的差分放大器和时钟解决方案。
传统硬件无线电架构的特点和局限
外差、零差、低中频这类众所周知的接收器架构，每种都有其独特的优势以及缺点。它们的共同特点在于，不管是双转换或单转换架构都是通过混频或者下变频将射频信号向下转换为频率更低、更易于管理的中频信号。由于现有模数转换技术的局限性，通常都需要将模拟射频信号转换为低中频或基带信号。基本上现有的模数转换器在采样频率、模拟输入带宽和输入采样宽带噪声的跟踪和保持方面还不足以满足许多软件无线电应用的要求。超外差架构如图1所示。不管是否存在频率变换，双级（外差）或单级（零差）架构都需要进行大量具有挑战性的模拟信号调节。硬件无线电(HDR)架构需要高性能的混频器，这种混频器要求滤波器具有优异的幅度/相位匹配能力、低本振泄漏电平、高Q值及低插入损耗（预选、镜像抑制、抗混）。此类器件存在很多困扰影响：泄漏、直流偏置错误、闪烁噪声、I/Q不匹配以及偶次谐波失真。射频和模拟系统设计富有挑战性—— 由阻抗引起的驻波、谐波失真和反射，I/Q失配以及设备泄漏都很难检测，造成的影响也难以量化。另外由于教育机构偏重于培养“数字”工程师，导致行业中的射频和模拟专家正日益减少。

硬件无线电架构除了技术上实现起来较有难度外，还有一些明显的缺点：密集模拟设计复杂度高，需要大量的电能和电路板面积；为了降低电磁干扰（EMI），通常都需要增加射频屏蔽，而这又进一步增大了整个系统的体积；高能耗必然带来散热问题和冷却要求；造价高昂，且成本随着通道数增加而成倍递增；固定频点会造成僵化；硬件上的系统参数（频道数及频道带宽等等）固定，因此系统的修改和重新设计都需要大量的研发工作和更高的成本。
与软件无线电的比较
软件无线电的概念并不新鲜。尽管“软件无线电”这个词汇是由Joseph Mitola在1991年提出并于1992年发表了专题论文，但实际上国防部门从20世纪70年代以来就一直在沿用这一概念。军方的目的是要开发出灵活且可编程的无线电架构，这种架构可以轻松地适应不断变化的地面条件。基本上，无线电的特点应该是由软件而不是硬件定义的。无线基础设施开发者很快认识到软件无线电在降低硬件开发成本和增加收益方面的潜力。一个软件可编程基站很容易通过调整来支持新兴行业标准（如WiMax、UMTS、MC_GSM），既不需要升级硬件，也不需要派遣维护工程师到达现场。这就要求无线电的特征在数字域而不是在模拟域定义。为了实现这一方法，数字化模块必须靠近天线。在模数转换之前只需极少的模拟信号调节。图2所示只是简图，但一般而言，只需要配置一个预选滤波器（用于消除带外信号能量）、一个低噪声放大器（LNA）和一个差分可变增益放大器(VGA)即可。模数转换器往往需要一个精确的时钟源——由于模数转换器对射频信号直接采样，因而对时钟源的要求比以前更加严格。应用该方法，整个信号带即可数字化，再也不需要复杂的非线性的混频器、本地振荡器和滤波器（中频以及基带）。而同时，这里模数转换器也对前端器件提出了严格的要求。

模数转换器要求：
· 千兆赫兹的采样率和奈奎斯特带宽；
· 低基底噪声；
· 高噪声功率比（NPR）和互调失真；
· 低功耗；
· 推荐具备的模拟特性：单电源轨、自动校准、可调输入增益和偏置；
推荐具备的数字特性：多芯片同步功能、可编程数据接口（数据速率、数据采集时钟、数据/数据时钟的相位关系）和测试模式。
时钟要求：
· 超低基底噪声-亚皮秒级RMS抖动；
· 优秀的寄生噪声性能；
· 推荐具备的特性：高集成度，可编程输出频率和功率。
模数转换器驱动电路要求：
· 宽带宽等于模数转换器的输入带宽；
· 带外增益平坦；
· 低噪声和失真；
· 推荐具备的特性：增益和共模电压控制。
软件无线电的优点反映了硬件无线电的缺点。更少的模拟元件意味着更低的模拟复杂度，而射频信号处理过程的简化意味着更少的射频屏蔽。这使设计体积更小，结构更为紧凑，而且功率更低。可立即节省硬件和开发成本，但主要优势来自于软件无线电固有的灵活性。相比硬件无线电这确实是一个显著的优势。软件可编程性允许从远程位置更改或者完全改变无线电规格，而这样的更改不会对硬件造成任何修改。通过提供对新3 G或4 G标准的兼容性，网络运营商可以升级通信基站。有线或卫星电视服务供应商在不增加额外调谐器的情况下即可直接升级客户端机顶盒（STB）。雷达系统制造商也能受益于数字可编程频率选择技术。服务得到改善而运营商的成本降低，从而使客户受益。
值得一提的是软件无线电的崛起并非意味着模拟系统的消亡。正相反，超高性能的放大器、频率合成器以及时钟调节器等模拟系统都已广泛应用于软件无线电的设计中。
软件无线电组件解决方案
如图3所示，ADC12D1800由两个通道组成，在独立通道运行时采样率高达3.6 GS/s，而在双通道交叉运行时采样率高达1.8 GS/s。该设备在3.6 GS/s条件下运行时比现有的任何12位设备都要快3.6倍。该模数转换器的模拟输入带宽为2.8 GHz，基底噪声动态性能为-147 dBm/Hz，噪声功率比（NPR）为52 dB，互调失真（IMD）为-61 dBFS，这样的规格可以满足很多软件无线电应用要求。

ADC12D1800以1.9 V的单电源供电，由0.18 μm纯CMOS工艺制造，每通道的功率仅为2.05 W。该设备每通道具有多芯片同步、可编程增益和偏置电路。即便在输入频率超过2 GHz时，内部的跟踪/保持放大器和扩展的自校准机制也能使系统对于所有的动态参数都获得平坦的响应，同时误码率可降低到令人难以置信的10-18。除了在基底噪声、噪声功率比（NPR）及互调失真(IMD)方面有良好的性能，ADC12D1800在125 MHz时也拥有57.8 dB的信噪比(SNR)、67 dBc的无杂散动态范围（SFDR）以及9.2位有效位数。低压差分信号（LVDS）输出可配置为1:1或1:2解复用模式。测试模式可用于系统调试。
LMX2541是一个超低噪声频率合成器，它整合了一个高性能△-Σ小数N分频锁相环(PLL)、一个完全集成储能电路的压控振荡器（VCO）以及一个可选分频器。该锁相环(PLL)可以产生31.6 MHz～4 GHz的频率，同时归一化基底噪声达到前所未有的-225 dBc/Hz。当配合高质量的参考振荡器时，LMX2541可产生非常稳定的低噪声信号。因此LMX2541成为ADC12D1800的理想时钟源。
LMX6554具有2.8 GHz的单位增益小信号带宽，且无需牺牲响应平坦度、带宽、谐波失真或输出噪声性能即可工作在增益大于1的环境下。它在830 MHz处有0.1 dB的增益平坦度，在150 MHz处有8 dB的噪声指数和-99 dB的互调失真。对于直流耦合应用，LMH6554有一个用于正确设置ADC121X00系列共模电压的共模输出电压引脚。
很多系统都可受益于软件无线电架构，如测试仪器（频谱分析器、数字示波器）、雷达、通信（卫星、微波回程、光链路）、多通道机顶盒（STB）、信号情报以及激光检波与测距（LIDAR）。这些系统过去都采用硬件无线电架构。对于上述系统，软件无线电都可减少元件数量和材料清单成本，降低解决方案规模及功耗，同时提供无限的灵活性和可编程性。通过重用通用模拟前端模块升级设备也可有助于减少研发费用。
关于软件无线电及上述产品的更多详情，请参见：http://www.national.com/analog/adc/ultra_high_speed_adc。