解读直接RF采样架构及优势。

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多年来,数字收发机被应用在多种类型的应用中,包括地面蜂窝网络、卫星通信和基于雷达的监视、地球观测和监控。过去,收发机的系统工程师在这些应用中使用中频架构。现在,高速数据转换器的最新发展,使新型基于射频直接采样的架构成为可能。

转换器技术每年都在发展。 主要半导体公司的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的采样速率比十年前的产品快了几个数量级。 例如,2005年,世界上速度最快的12位分辨率ADC采样速率为250 MS/s;而到了2018年,12位ADC的采样率已经达到6.4 GS/s。 由于这些性能的提高,转换器可以直接数字化RF频率的信号,并为现代通信和雷达系统提供足够的动态范围。

虽然在使用高采样率(主要是动态范围)转换器时需要进行权衡,但该技术允许您将广泛使用的外差RF架构替换成直接RF架构,以支持特定应用。 例如,对于需要更小外形尺寸或降低成本的宽带RF应用,经过前端简化的直接RF采样仪器就是非常理想的选择。 尤其是,这项技术在雷达和电子战等一些国防和航空航天应用中得到了进一步发展。

1. 什么是直接射频采样?

如果要了解直接RF架构,则需要了解该架构与其他RF架构的区别。在外差结构中,接收器接收RF频率的信号之后,将信号下变频到较低的中频(IF),并进行数字化、滤波和解调。 图1显示的是外差接收器的程序框图。 可以看到,该仪器的RF前端包含了带通滤波器、低噪声放大器、混频器和本地振荡器(LO)。

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1.此外差接收器框图显示了一个带有RF前端的仪器,该前端由带通滤波器、低噪声放大器、混频器和本地振荡器组成。

而直接RF采样接收器架构仅由低噪声放大器、适当的滤波器和ADC组成。 图2中的接收器不需要使用混频器和LO;ADC直接数字化RF信号并将其发送到处理器。 在这个架构中,您可以在数字信号处理(DSP)芯片上实现接收器的许多模拟组件。 例如,您可以使用直接数字转换(DDC)来隔离目标信号,而不需要使用混频器。 此外,在大多数情况下,除了抗混叠或重建滤波器之外,您可以使用数字滤波替换大部分模拟滤波。

由于不需要模拟频率转换,直接RF采样接收器的整体硬件设计要简单得多,从而允许更小的外形尺寸和更低的设计成本。

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图2.直接RF采样接收器架构可以仅包含一个低噪声放大器、适当的滤波器和ADC。

2. 如何实现直接采样?

在近年来转换器技术得到快速发展之前,由于转换器采样率和分辨率的限制,直接采样架构并不实用。 半导体公司利用新技术在更高的采样频率下提高分辨率,以降低转换器内的噪声。 随着具有更高分辨率的超高速转换器的出现,RF输入信号可以直接转换为数千兆Hz的信号。目前Teledyne e2v(英国)、TI、ADI等半导体公司的最新一代ADC都可以达到该标准。

这些转换速率使得工程师能够在L波段和S波段以非常高的瞬时带宽进行数字化。 随着转换器的不断发展,在其他频段(如C波段和X波段)进行直接射频采样也并非空想。

3. 什么情况下应考虑使用直接RF采样架构?

直接RF采样的主要优点是简化了RF信号链,降低了每个通道的成本以及通道密度。 基于直接RF采样架构的仪器由于使用的模拟组件较少,因此外形尺寸通常更小,功率效率更高。 如果构建的是高通道数系统,直接RF采样可以减少系统的占地面积和成本。 在构建完全有源的相控阵雷达等系统时,这一点尤其重要,因为这些雷达通过对来自多达数百甚至数千个天线发射的信号进行移相来形成波束。 由于同一系统包含有多个RF信号发生器和分析仪,因此每个通道尺寸和成本便成为一个重要的考量因素。

除了尺寸、重量和功率(SWaP)减小之外,简化的架构还可消除RF仪器本身内部可能的噪声、映像和其他误差来源,例如LO泄漏和正交减损。

最后,直接RF采样架构还可以简化同步。 例如,要实现RF系统的相位一致性,必须同步RF仪器的内部时钟和LO。 在不需要LO的直接采样中,只需关注器件的时钟同步即可。 同样,对于需要多个相位相干RF接收器的相控阵雷达应用中,直接采样架构是简化设计的有效选择。

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