High-Speed-Datenwandler werden seit vielen Jahren für die Kommunikation eingesetzt und sind in vielen Ausrüstungen zu finden, welche die Basis für unsere miteinander verbundene Welt bilden, von Mobiltelefoniestationen und Kabel-Headend-Geräten bis zu Radar- und spezialisierten Kommunikationssystemen.
Die kürzlichen technologischen Fortschritte haben dazu geführt, dass Clock-Rates von High-Speed-Datenwandlern immer höhere Frequenzen bewältigen. Im Zusammenwirken mit der seriellen High-Speed-Schnittstelle JESD204B, die ein praktisches Management und eine Übertragung der Ausgabedaten ermöglicht, bilden diese Datenwandler mit höherer Taktfrequenz eine neue Wandlerklasse namens RF (für Radio Frequency) -Datenwandler. Sie besitzen die Fähigkeit, RF-Signale ohne herkömmliche Auf-/Ab-Wandlung mit einer analogen Funkkette direkt aufzunehmen oder zu synthetisieren.
Ähnliches Produkt:
Dieser Artikel konzentriert sich auf eine neue Produktfamilie der RF-Digital-Analog-Wandler (RF DAC), den AD9162 und den AD9164, und deren Fähigkeit, die Definition des Software-Defined Radio (SDR) zu erweitern. Der AD9164 bringt eine neue Leistungsstufe in die RF-DAC-Klasse und erlaubt ein effizienteres Design des konventionellen Funks als mit früheren Generationen der DACs der RF- oder IF-Klasse. Die Kombination aus weltbester Leistung und einem großen Funktionsumfang macht den AD9164 zu einer selbstverständlichen Wahl beim Übergang von einem Funksystem zu einem anderen, und es erlaubt einen großen Schritt hinzu einem wahrhaft software-definierten Funk.
Ähnliches Produkt:
Einführung
In der herkömmlichen Funkausrüstung wurden High-Speed-Datenwandler im Zusammenhang mit Quadraturmodulatoren eingesetzt, als Hauptbausteine einer kabelgebundenen oder kabellosen Kommunikationsverbindung. Die klassischen Het-, Superhet- und Direktwandlerarchitekturen erfordern alle Datenwandler im Sender und im Empfänger, um jeweils die Grenze zwischen der digitalen Signalverarbeitung zu den analogen Signalen der realen Welt und zurück zu überschreiten. Gemeinsam mit der Filtertechnik und Leistungsverstärkertechnik ebnen die Weiterentwicklungen der Wandlertechnik den Weg zu moderner Funktechnik.
Ein klassischer Funksender mit einem Satz von High-Speed-DACs für das Basisband ist in Abbildung 1 zu sehen. Die digitalen Basisband-Daten werden durch zwei synchronisierte High-Speed-Datenwandler geführt, wobei die In-Phase-Daten durch den I-DAC und die Quadratur-Daten durch den Q-DAC geführt werden. Die Ausgänge des DAC werden an einen Quadraturmodulator geschickt. Aufgrund der Art des Modulators kann dessen Ausgabe bei niedriger Zwischenfrequenz wie 200–400 MHz liegen, bei höherer ZF wie 500 MHz bis 1 GHz oder sogar im RF-Bereich von 1–5 GHz. Die Abbildung stellt eine nachgeschaltete Aufwärtswandlung auf eine beispielhafte Endfrequenz dar. Das resultierende Signal wird durch einen Bandpassfilter geführt und dann zu einem Leistungsverstärker und einem weiteren Bandpassfilter, der z. B. zu einem Duplexer gehören kann. 
Abbildung 1. Darstellung eines klassischen Superhet-Senders mit High-Speed-Datenwandlern
Die aktuelle Bandbreite, die typischer Weise mit einer solchen Architektur übertragen werden kann beträgt einige Dutzend bis mehrere Hundert MHz, beschränkt hauptsächlich durch die Bandbreiten des Wandlers, des Leistungsverstärkers und der Filter. Für einige Systeme ist dies nicht ausreichend, z. B. neue E-Band-Mikrowellen-Backhaul-Funkgeräte, die Sendekanäle mit 500 MHz, 1 GHz oder sogar 2 GHz erfordern. Bei einem Multiband-Funkgerät wie es z. B. für eine kabellose Infrastruktur-Basisstation erforderlich wäre, kann ein gleichmäßiger Frequenzabstand von 500 MHz oder 700 MHz oder sogar 1 GHz nötig sein, um einige Bandkombinationen zu bedienen. Ein herkömmliches Funkgerät würde dies erreichen durch Implementierung zweier Geräte, eines für jedes Band. Es wäre wünschenswert, die Funkgeräte in eine Kette zu integrieren, ob aus Kostengründen, wegen der Größe oder anderer Faktoren. Für diesen Fall ist eine neue Herangehensweise gefordert.
Erforderliche Technik
Der Fokus der technologischen Entwicklung bei High-Speed-Datenwandlern lag lange Zeit darauf, die Datenwandlungsrate bei konsistenter Leistungszahl zu erhöhen. Die Leistungszahl enthält Einträge wie Noise Spectral Density (spektrale Rauschdichte; NSD) und Spurious-Free Dynamic Range (fehlerfreier Dynamikumfang; SFDR). Auch die Intermodulationsverzerrung (IMD) ist wichtig, sowohl bei Einzeltonsignalen als auch bei modulierten Signalen, wie z. B. in kabellosen Kommunikationssystemen wie GSM und 3G (WCDMA) sowie 4G (OFDM), und bei kabelgebundenen Anwendungen, bei denen 256-QAM verwendet wird.
Höhere Datenwandlungsraten eröffnen dem Konstrukteur von Funkeinrichtungen viele Vorteile. Zunächst wird die Spiegelfrequenz des Signals in eine höhere Frequenz übertragen, damit die Planung des Filters für die Analogrekonstruktion einfacher wird und leichter umzusetzen ist. Höhere Aktualisierungsraten erzeugen auch breitere erste Nyquist-Zonen, die es wiederum dem Wandler erlauben, direkt höhere Ausgangsfrequenzen zu synthetisieren. Wenn das direkt synthetisierte Signal hoch genug ist, kann eine ganze Stufe analoger Frequenzumrichtung aus der Funkeinheit weggelassen werden, wodurch die Frequenzplanung erleichtert wird und Leistungsbedarf und Größe der Einheit verringert werden. Höhere Aktualisierungsraten erhöhen auch die verfügbare Bandbreite zur Spreizung des Quantisierungsrauschens des Datenwandlers und verleihen der spektralen Rauschdichte des Senders mehr „Processing Gain“.
Während die CMOS-Prozesstechnologie sich weiterentwickelt hat, ist das Hinzufügen von Signalverarbeitung in Datenwandlern üblich geworden. Der erweiterte Funktionsumfang von NCOs und Interpolatoren in DACs befreit den FPGA oder ASIC von Last und Stromverbrauch für die Bereitstellung dieser Dienste und ermöglicht dem DAC den Betrieb bei niedrigeren Datentransferraten, als sie sonst erforderlich wären. Die niedrigeren Datenübertragungsraten verringern den Gesamtstromverbrauch des Systems; so kann der digitale Chip, auf dem die Verarbeitungsgeschwindigkeit bis zu 300–400 MHz beträgt, häufig mit dem Wandler Schritt halten. Durch On-Chip-NCOs erfolgt die erste Frequenzumsetzung in einem Funkgerät auf der digitalen Ebene, daher findet man in modernen Funkeinheiten häufig Zwischenfrequenzen von einigen Hundert MHz, möglich durch NCOs und Interpolatoren in den Datenwandlern.
Signalverarbeitung in RF-DACs
Was sich mit den RF-D/A-Datenwandlern geändert hat ist die ultimative Aktualisierungsrate, mit der der RF-Wandler operieren kann, und die zusätzliche Signalverarbeitung, die diese Geschwindigkeiten ebenfalls bewältigt. Diese leistungsfähige Kombination von Funktionsumfang und Geschwindigkeit kann dramatische Änderungen bei der Gestaltung von Funkarchitekturen bewirken und eröffnet neue Möglichkeiten für umkonfigurierbare und software-definierte Funkeinheiten. 
Abbildung 2. Blockdiagramm der Familie AD9162 und AD9164 von RF-DACs
Ein gutes Beispiel hierfür sind die RF-DAC-Baureihen AD9162 und AD9164. Ein Blockdiagramm von AD9162 und AD9164 finden Sie in Abbildung 2. Der AD9162 ist ein RF-DAC mit 16-Bit und 6 GSPS mit verschiedenen Optionen der Interpolation, von 1-fach Bypass-Modus bis zu 24-facher Interpolation. Die Interpolatoren arbeiten mit der klassischen Bandbreite von 80 % oder breiteren 90 % für höhere Momentanbandbreite bei geringfügig höherer Leistung. Der Datenpfad hat außerdem einen Halbband-Interpolator FIR85, gezeigt als Block „HB 2x“ vor dem NCO in Abbildung 2, der die DAC-Aktualisierungsrate auf bis zu 12 GSPS verdoppelt, Speigelfrequenzen weiter nach oben verschiebt und die Anforderungen an die Filterung verringert. Nach dem optionalen FIR85 folgt ein Numerically Controlled Oscillator (numerisch gesteuerter Oszillator; NCO) mit 48 Bit, der entweder mit der Aktualisierungsrate von 6 GSPS oder mit 12 GSPS arbeitet, wenn der FIR85 aktiviert ist. Nach dem NCO folgt ein x/sinx-Kompensationsfilter, der den sinx/x-Abfall des DACs korrigiert, indem er den Eingang zum DAC-Core mit einer Pre-Emphasis versieht.
Der DAC-Core wurde mit der patentierten Quad-Switch-Architektur[i] von Analog Devices konstruiert und liefert überlegene Werte für Spurious-Free Dynamic Range (SFDR) und Noise Spectral Density (NSD), der den branchenbesten Dynamikumfang erreicht, während er gleichzeitig die bekannten DAC-Decoder-Optionen des Quad Switch ermöglicht: Non-Return-to-Zero-Modus (NRZ), Return-to-Zero-Modus (RZ) und Mix-Modus™. Der FIR85 enthält ein neues Feature für den DAC-Decoder namens 2xNRZ-Modus, der später genauer beschrieben wird.
Der AD9164 hat die Grundfunktionen des AD9162, und besitzt zusätzlich eine Direct Digital Synthesis (DDS) Funktion in Form einer Fast Frequency Hopping (FFH) NCO-Engine. Die FFH NCO hat mehrere einzigartige Eigenschaften, die sie attraktiv machen für Märkte wie Hochgeschwindigkeitstest-Instrumentierung, lokalen Oszillatortausch, sichere Funkkommunikation und Radar Exciter. Die FFH-NCO-Engine ist mit 32-Bit-NCOs implementiert, jeder mit eigenem Phase Accumulator und einem Auswahlblock, der schnelle Frequenzwechsel ermöglicht.
Der AD9162 bietet zwei abgeleitete Produkte, die sich an spezielle Märkte richten. Der AD9161 ist ein RF DAC mit 11 Bit und 6 GSPS und mindestens 2-facher Interpolation. Der SFDR und NSD des AD9161 eignen sich für Kabel-Headends und entfernte PHY-Anwendungen und erfüllen die DOCSIS-3.0-Spezifikation. Die verringerten Werte für Signalbandbreite und Dynamikumfang beseitigen die Notwendigkeit einer Exportlizenz für den AD9161. Der AD9163 ist ein RF-DAC mit 16 Bit und 6 GSPS mit mindestens 6-facher Interpolation und bietet den vollen Dynamikumfang des Hauptprodukts AD9162. Der volle Dynamikumfang des Geräts und die große Momentanbandbreite von 1 GHz sowie ein Vollbereichs-NCO machen das Gerät geeignet für kabellose Basisstationen für Single-Band- oder Dual-Band-Infrastrukturen und ebenso für Point-to-Point-Mikrowellensysteme in den traditionellen Bändern, wobei auch hier keine Exportlizenz erforderlich ist. Tabelle 1 fasst die Produktfamilie und die wichtigsten Eigenschaften zusammen.
Ähnliches Produkt:
Tabelle 1. Übersicht der Eigenschaften und Zielmärkte für die 6-GSPS-RF-DAC-Familie AD9162 und AD9164.
Highlights des digitalen Datenpfads
Die Daten werden über eine 8-spurige JESD204B-Schnittstelle mit 12,5 GBPS an den AD9162 und den AD9164 übergeben. Diese serielle High-Speed-Schnittstelle verringert die Komplexität des Platinen-Layouts durch Verringerung der Anzahl von Leitern für die Verbindung zwischen dem digitalen Basisband-Gerät und dem DAC. Eine detaillierte Anleitung zum Betrieb der Schnittstelle befindet sich auf dem Datenblatt, und eine leicht verständliche Anleitung über die JESD204B-Schnittstelle finden Sie auf der Website von Analog Devices.
Der erste Interpolator im Datenpfad der AD9162 und der AD9164 ist entweder ein 2-fach-Halbband- oder ein 3-fach-Drittelbandfilter. Jeder dieser Filter hat eine wählbare Signalbandbreite von 80 % oder 90 %. Beide Filter haben eine Sperrdämpfung von 85 dB oder höher. Die 90-%-Filter arbeiten bei höherer Leistung aufgrund des steileren Cutoff-Verlaufs und der dadurch höheren Anzahl von Taps. Die verbleibenden 2-fach-Halbbandfilter arbeiten alle mit 90 % Bandbreite, um beide ersten Interpolatoren bearbeiten zu können. Der FIR85 arbeitet auch mit 90 % Bandbreite. Da alle nachfolgenden Filter sich im Verlauf der Interpolation weiter abwärts im Signalpfad befinden, können sie mit fast unmerklich höherem Leistungsbedarf bei 90 % Bandbreite arbeiten.
Der FIR85, der bei Aktivierung im 2xNRZ-Modus arbeitet, ist anders implementiert als die anderen Interpolierungsfilter. Er nutzt die Vorteile der Quad-Switch-Architektur des DAC und verwendet die ansteigende und die absteigende Flanke der DAC-Clock zum Sampeln von Daten. Bei dieser Sampling-Methode werden an jeder Flanke der Clock neue Daten gesampelt, wodurch sich effektiv die Samplingrate des DAC auf bis zu 12 GSPS verdoppelt. Dadurch wird die Spiegelfrequenz auf 2xfDAC – fOUT von fDAC – fOUT verschoben, so dass sich diese mit besser realisierbaren analogen Filtern ausfiltern lässt. Diese Methode des Sampling und der Interpolation macht den DAC-Ausgang empfindlicher für die Clock-Symmetrie, am DAC-Clock-Eingang sind jedoch Einstellmöglichkeiten vorhanden, mit denen sich die Clock auf bessere Leistung abstimmen lässt. Diese Einstellungen erfolgen durch Programmieren von Registern über die serielle Peripherieschnittstelle (SPI). Einzelheiten erfahren Sie im Datenblatt.
Der 48-Bit-NCO mit voller Quadratur ermöglicht eine spiegelfrequenzfreie Frequenzverschiebung der Signale der Eingangsdaten oder eine direkte digitale Synthese eines einzelnen Tons. Der NCO besitzt zwei auswählbare Betriebsarten: Frequenzumschaltung mit oder ohne Phasenerhalt. Bei Phasenerhalt wird das Frequency Tuning Word (Wort für Frequenzabstimmung; FTW) aktualisiert, aber der Phasenakkumulator wird nicht zurückgesetzt, so dass bei jedem Frequenzwechsel die Phasenlage erhalten bleibt. Im Modus ohne Phasenerhalt (Phase Discontinuous Mode) wird der Phasenakkumulator immer dann zurückgesetzt, wenn der FTW aktualisiert wird. Die serielle Peripherieschnittstelle (SPI) gewährleistet eine Taktfrequenz von 100 MHz, um eine schnelle Aktualisierung des FTW zu ermöglichen.
Der AD9164 fügt dem NCO eine wichtige Eigenschaft hinzu – den Fast Frequency Hopping NCO (FFH NCO). Der FFH NCO ist mit einunddreißig zusätzlichen 32-Bit-NCOs implementiert, jeder mit eigenem Phasenakkumulator. Jeder NCO hat sein eigenes FTW, so dass insgesamt zweiunddreißig NCO-FTWs in das Gerät einprogrammiert werden können. Es ist ein FTW-Auswahlregister vorgesehen, so dass ein einzelner Schreibvorgang eines SPI-Register-Bytes einen Frequenzwechsel mit einer Genauigkeit von 32 Bit bewirkt. Bei einem 100-MHz-SPI bedeutet dies, dass innerhalb von 240 ns und durch einen einzelnen Schreibvorgang eines Bytes ein anderer FTW ausgewählt werden kann.
Der FFH-NCO hat zusätzlich einen phasenkohärenten Frequenzwechselmodus, der ihn attraktiv macht für die Instrumentierung und für militärische Anwendungen. Phasenkohärente Frequenzwechsel sind wichtig für Testanwendungen und auch für Radaranwendungen, welche die Phase eines Exciter-Signals für die spätere Anwendung verfolgen müssen. Durch phasenkohärenten Frequenzwechsel kann von einer Frequenz auf eine andere und zurück auf die ursprüngliche Frequenz gewechselt werden, ohne die Phasenakkumulation der ursprünglichen Frequenz zu verlieren. Anders gesagt ermöglicht es Wechsel zu einer anderen Frequenz und wieder zurück, während es den Anschein hat, als ob die Frequenz gar nicht gewechselt wurde.
Anwendungen und gemessene Leistung
Die Leistungsmerkmale Signalverarbeitung und hohe Samplingrate des AD9162 und des AD9164 erlauben eine Vereinfachung der Funkarchitektur in Abbildung 1. Die aktualisierte Zeichnung ist Abbildung 3. Da der RF-Datenwandler direkt Signale mit der gewünschten Ausgangsfrequenz synthetisieren kann, ist kein Quadraturmodulator oder Mischer für die Aufwärtswandlung mehr erforderlich. Das Signal wird im digitalen Prozessor erzeugt und einfach am RF-Datenwandler ausgegeben. Die zur Implementierung des Senders erforderliche Hardware ist daher deutlich verringert. Außerdem kann die Funkeinheit einfacher implementiert werden, ohne dass die Eingänge LO und DAC eines Quadraturmodulators kalibriert werden müssen, um LO-Lecks und unerwünschte Spiegelfrequenzen zu unterdrücken, da der Modulator digital im RF-Datenwandler implementiert ist.
Abbildung 3. Funksenderarchitektur, implementiert mit einem RF-Datenwandler
Diese Art der Architektur, die nur einen analogen Tiefpassfilter besitzt, um die Spiegelfrequenzen des Datenwandlers ausfiltert, eröffnet Möglichkeiten für umkonfigurierbare oder software-definierte Funkeinheiten. Dasselbe digitale Bauteil, der RF-Datenwandler und der Tiefpassfilter für die Rekonstruktion könnte mit verschiedenen Leistungsverstärkern und Bandpassfiltern zur Implementierung einer Reihe verschiedener Funkeinheiten verwendet werden. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel einer kabellosen Basisstation mit Doppelband-Sender mit 5-MHz-WCDMA-Trägern bei 1800 MHz und drei 5-MHz-WCDMA-Trägern bei 2100 MHz. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel eines konformen kabelgebundenen Headend-Senders für 194 6 MHz breite 256-QAM-Träger im Spektrum zwischen 50 MHz und 1,2 GHz von DOCSIS 3.1. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für eine FFH-Haltezeit von 260 ns, bei 240 ns Registerprogrammierung (ein Byte schreiben) und 20 ns Zeit für den Frequenzwechsel. Abbildung 7 zeigt die hervorragende Leistung des AD9164 hinsichtlich des Phasenrauschens, mit einem Abstand von –125 dBc/Hz bei 10 kHz Versatz und Betrieb an einem gebackenen Kristalloszillator mit 4 GHz und Synthetisierung einer Sinuswelle von 3,9 GHz.
Abbildung 4. Doppelband-WCDMA-Signal in den Bändern 1,8 GHz und 2,1 GHz
Abbildung 5. 194 6-MHz-256-QAM-Signale im DOCSIS-3.1-Frequenzband (50 MHz – 1,2 GHz).
Abbildung 6. Leistung des AD9164 beim Fast Frequency Hopping – 260 ns Haltezeit pro Wechsel.
Abbildung 7. Aggregat-Phasenrauschen des AD9164. Signalquelle der DAC-Clock: Gebackener 4-GHz-Kristalloszillator bis 600 kHz Versatz, dann Signalerzeugung oberhalb 600 kHz Versatz.
Fazit
RF-Datenwandler können die Architektur bei der Planung von Funkeinheiten vereinfachen und deren Baugröße verringern, indem viele Komponenten aus der Funksignalkette entbehrlich werden. Der AD9162 und der AD9164 bieten einen aufregenden Funktionsumfang und überlegene RF-Leistungen in Form eines RF-Datenwandlers, der in der Lage ist, eine Reihe von Funksendeanwendungen zu bedienen. Er demonstriert, dass die Umsetzung eines wahrhaft software-definierten Funkverkehrs näher ist als je zuvor.
[i] US-Patentnummern 6.842.132 und 7.796.971