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。

　　LVDS技術擁有330mV的低壓差分信號和快速過渡時間。這可以讓產品達到自100Mbps至超過1Gbps的高數據速率。此外，這種低壓擺幅可以降低功耗消散，同時具備差分傳輸的優點。 LVDS技術用于簡單的線路驅動器和接收器物理層器件以及比較復雜的接口通信芯片組。通道鏈路芯片組多路復用和解多路復用慢速TTL信號線路以提供窄式高速低功耗LVDS接口。這些芯片組可以大幅節省系統的電纜和連接器成本，并且可以減少連接器所占面積所需的物理空間。LVDS解決方案為設計人員解決高速I/O接口問題提供了新選擇。

　　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。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。

　　對制造商來說，隨著技術的進步，無線通信產品的生命周期越來越短，因此針對單一產品線的投資風險很大。基于SDR產品的生產將比傳統產品原材料成本低，且產品壽命長，這就意味著投資風險低。同時，由于它簡單化及標準化硬件使得產品容易生產。因此，制造商生產基于SDR技術的產品，可得到遠大于生產傳統產品的效益。

　　軟件無線電的基本思想是以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現無線電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設計方法中解放出來。功能的軟件化實現勢力要求減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環節，把數字化處理（A/D和D/A變換）盡量靠近天線。軟件無線電強調體系結構的開放性和全面可編程性，通過軟件更新改變硬件配置結構，實現新的功能。軟件無線電采用標準的、高性能的開放式總線結構，以利于硬件模塊的不斷升級和擴展。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。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。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，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。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、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。

　　軟件無線電在一個開放的公共硬件平臺上利用不同可編程的軟件方法實現所需要的無線電系統。簡稱SWR。理想的軟件無線電應當是一種全部可軟件編程的無線電，并以無線電平臺具有最大的靈活性為特征。全部可編程包括可編程射頻（RF）波段、信道接入方式和信道調制。

　　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。無線電結構具有以下幾個特點：（1）更好的靈活性。工作站的容量和開發環境均優于專用DSP芯片，容易實現新協議和信號處理新算法以及性能的改進提高。（2）升級快捷。用戶可以很方便地通過更新軟件來增強現有設備功能。（3）易與其他應用結合。虛擬無線電的研究將無線和其他應用的界限模糊化了，提高了功能性和端到端的有效性。

　　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。