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ADC技术在SDR实现中的挑战

来源:    作者:    发布时间:2015-09-19 15:48:06    浏览量:

本文主要讨论模拟数字转换在SDR实现中的挑战,以及ADC的哪些突破可以促进软件无线电的实际应用。

存在的问题

SDR对于电信公司来说,可以以最少的基础设施部署成本,满足覆盖范围宽广的无线电频率与标准,并应付它们的未来演进。针对此需求,要求设计具有足够的弹性,以支持比平常更宽的频带,并提供超过窄频应用所需的动态范围。即最终必须能够在多载波环境中,处理调制方式与带宽皆不同的载波,以及信号阻隔(blocking)等需求。

DSP技术的进步已大电感厂家幅提高无线射频系统数字后端的功能,有助于SDR的实现。目前还缺少的,就是将敏感度极高的模拟信号转换为处理方便的数字信号。在插件电感这些无线电系统中AD转换对于实现最终的目标非常重要。无线射频系统的接收器(Rx)和发射器(Tx)都会用到ADC,它是SDR应用中不可或缺的器件。

ADC重要规格

灵敏度与可用带宽是无线射频系统接收器设计的主要规格。灵敏度是指无线射频系统对天线输入端微弱信号的处理能力,通常以dBm表示。对ADC而言,灵敏度通常转换成信噪比(SNR)指标,并以dBc或dBFS表示(dBc是以载波信号为基准所表示的信噪比,dBFS则是以ADC的满刻度输入为基准)。无线射频系统的小信号接收能力以及大干扰信号抑制能力皆与ADC的无杂散动态范围(SFDR)密切相关,SFDR是目标信号(载波)与ADC输出中次高的杂散信号(无论是否为谐波)的比值,通常以dBc表示。

最后,转换器的可用带宽其实是定义不明确的名词,主要指ADC在适当SNR和SFDR性能下所能处理的实际信号带宽。在业界标准做法里,ADC规格是以模拟输入频率响应的-3dB为参考点。然而,现今许多转换器虽标示有高达数百MHz的带宽,实际性能却在模拟输入频率增加到200-300MHz后就大幅下降。

带宽考虑

SDR的重要优点之一,是它不需要新硬件就能处理更大频率范围,就当前的全球频谱使用情形来看,此点格外吸引人。每一种无线技术标准都会定义多种工作频率,例如,GSM就能在400MHz、850模压电感MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz甚至2500-2690MHz的GSM延伸频带上工作;3GPP频率包括1800MHz、1900MHz和2100M求购电感Hz;WiMAX频率则包括2500MHz、3500MHz和往上一直到5GHz,而且未来还会应用在更多的频率上。

由于频率种类复杂繁多,通过ADC尽可能把最大信号带宽数字化就成为一项重要优势,这也使得ADC的采样频率成为这类设计的重要关键。根据奈奎斯特条件,ADC在不产生迭频(aliasing,目标信号数字化后混迭自身而造成失真的过程)下所能数字化的带宽,为其采样频率一半 (Fs/2)。例如,采样频率为200MSPS的ADC最大能将100MHz带宽的信号数字化。然而在实际应用里,负责将模拟输入端带宽限制为Fs/2的滤波器不可能是完美的,因此会降低实际可用的带宽。

除了接收器外,大带宽对无线发射来说也很重要。由于功率放大器成本与其输出功率成正比,提高效率就成为减少零件用料和工作成本的重要方法。现代的数字预失真算法虽能将发射器功率放大器线性化,却需要将带宽放大到发射信号带宽的好几倍,再将此数字化带宽回授给数字处理器,因此采样速率极高的ADC在系统中即为一不可或缺的角色。

信噪比

为了维持最高灵敏度,SDR必须拥有很高的信噪比,以分辨微弱信号和进行解调。无线技术标准演进到6?QAM等高阶调制机制后,对于ADC的信噪比性能要求更为严格。当天线接收输入功率很低时,ADC的信噪比(再加上本地振荡器的相位噪声)就成为限制因素,决定整个接收器的灵敏度。

SDR设计人员直到最近都还必须牺牲信噪比来提高采样频率(带宽),因为采样率高达数百MSPS的最先进ADC只有10位,信噪比则在50dBFS左右。随着ADS5463(12位/500MSPS)的出现, ADC的采样频率已大幅提高一倍(过去最高仅250MSPS),使信噪比跃增至65dBFS左右,可以实现过去无法做到的许多设计。

除了能够有效重建最大模拟信号带宽外,处理增益是ADC采样频率的另一项附带优点。一般而言,ADC的信噪比都是以正弦波功率与转换器在整个奈奎斯特频带(从0Hz到Fs/2,不包含直流)噪声总和的比值来计算,总噪声通常会均匀分布在奈奎斯特区域。当接收器处理该区域的某个频带信号时,数字滤波器就能大幅衰减该频带以外的噪声。假设目标信号带宽为BWSIG,ADC的采样频率为Fs,则实际的处理增益可计算如下:

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