ADC技术在SDR实现中的挑战

　　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、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz甚至2500-2690MHz的GSM延伸频带上工作;3GPP频率包括1800MHz、1900MHz和2100MHz;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：

　　

 

　　图1是采样速率为500MSPS ADS5463这类超高速ADC所能提供的处理增益。SDR的数字后端可以充分利用ADC的宽带性能优点。

　　

 

　　图1：ADC在500MSPS采样频率下的处理增益与目标信号带宽关系图。

　　无线接收器不断进步，最后将能直接采样射频信号。这类作业所需的ADC技术虽未出现，但相关技术突破是可预期的。值得注意的是，信号抖动最后也会对信噪比造成限制，也要列入考虑。在采样系统里，下列公式2表示信噪比与抖动之间的关系：

　　

　　(2)

 

　　其中fin代表模拟输入频率，tjitter则是系统抖动的均方根值。ADC采样电路的内部抖动会以平方根和的方式，加到外部提供的转换器采样时钟。值得注意的是，信噪比的限制与实际采样频率无关，但会直接受到模拟输入频率的影响。这项基本限制将影响决定接收器中频位置时，亦即当中频提高时，简化接收器架构和滤波电路(也就是降低成本)的好处，会被ADC频率和抖动造成的限制所抵消。