Высокоскоростные преобразователи данных позволяют оцифровывать или генерировать сигналы непосредственно на радиочастотах. Эти устройства можно использовать вместо традиционных РЧ-компонентов, к которым относятся смесители и гетеродины с цифровой обработкой данных. Кроме того, благодаря использованию преобразователей с РЧ-выборкой, работающих на скоростях в несколько Гвыб/с в нескольких полосах в приложениях сотовой связи, сокращаются размеры и энергопотребление оборудования. В результате уменьшается количество выносных радиоблоков (RRH) на каждой базовой станции.
АЦП с РЧ-выборкой для многополосных приемников
В традиционных радиоархитектурах используется либо схема с сигналом промежуточной частоты (ПЧ) (см. рис. 1а), либо с нулевой ПЧ (см. рис. 1б). В первой из них сигнал с антенны усиливается и преобразуется с понижением частоты с помощью смесителя до ПЧ, которая, как правило, составляет около 10% от исходной РЧ. Усилитель с регулируемым усилением усиливает сигнал ПЧ, который проходит через полосовой фильтр до оцифровки в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Схемы ПЧ обычно состоят из дискретных компонентов, поскольку в них трудно интегрировать фильтр ПЧ.

а) сигналом промежуточной частоты;
б) нулевой ПЧ;
в) РЧ-выборкой
В схеме с нулевой ПЧ аналоговый квадратурный демодулятор усиливает РЧ-сигнал и понижает его частоту до основной полосы. После фильтрации сдвоенный АЦП преобразует комплексный аналоговый сигнал в цифровой. Приемник со схемой с нулевой ПЧ допускает интегрирование сигнала, учитывая АЦП и НЧ-фильтры, работающие в основной полосе частот.
На рисунке 1в показана схема с РЧ-выборкой. У этой схемы – тот же функционал, но каскады смесителя и основной полосы частот являются цифровыми. Они осуществляют прямое цифровое преобразование РЧ-сигнала с антенны после усиления и фильтрации.
Добавление второй полосы в схему с ПЧ или нулевой ПЧ, как правило, требует второй сигнальной цепи с дополнительными компонентами, что обусловлено ограничениями на ширину полосы частот. Для сравнения: производительность одного АЦП с РЧ-выборкой, работающего на скорости в несколько Гвыб/с, позволяет оцифровывать сигналы в нескольких радиочастотных полосах. В таких случаях добавление двух и более полос требует только дополнительных преобразователей с понижением частоты для преобразования добавленных полос в сигналы основной полосы.
Разумеется, схемы с РЧ-выборкой не стали бы привлекательными, если бы их производительность и рассеиваемая мощность были хуже, чем у архитектур с ПЧ или нулевой ПЧ. Поскольку применение КМОП-технологии позволило повысить скорость обработки данных и уменьшить мощность цифровых цепей, у АЦП с РЧ-выборкой – схожая производительность при меньшей мощности, чем у традиционных архитектур.
В таблице 1 сравниваются три рассматриваемые архитектуры для системы из четырех приемников с шириной полос по 100 МГц. В традиционной архитектуре применяются компоненты TRF37B32, LMH6521, ADC16DX370 и LMX2581 от компании Texas Instruments. Значения параметров оценочного модуля TSW16DX370EVM взяты из руководства пользователя.
Параметр | С ПЧ | С нулевой ПЧ | РЧ-выборка |
Однополосная система | |||
Кол-во активных компонентов | 7 | 2 | 1 |
Размер | 2×60×40 мм | 2×12×12 мм | 17×17 мм |
Рассеиваемая мощность | 8,5 Вт | 5,4 Вт | 7,5 Вт |
Двухполосная система | |||
Кол-во активных компонентов | 14 | 4 | 1 |
Размер | 4×60×40 мм | 4×12×12 мм | 17×17 мм |
Рассеиваемая мощность (четыре канала приемника) | 17 Вт | 10,8 Вт | 7,5 Вт |
Данные из спецификаций (макс. усиление) | |||
Коэффициент шума | 11 дБ | 13 дБ | 19 дБ |
IIP3 | 7 дБм | 22 дБм | 23 дБм |
IIP2 | неприменимо1 | 45 дБм | неприменимо1 |
Внутриполосный SFDR | 83 дБн | 73 дБн | 80 дБн |
Искажения в боковой полосе (скорректированные) | отсутствует | 75 дБн | отсутствует |
Проникновение паразитного сигнала гетеродина | отсутствует2 | –85 дБ полной шкалы | нет гетеродина |
Фазовый шум ФАПЧ (смещение – 1 МГц) | –135 дБн/Гц | –123 дБн/Гц | –126,7 дБн/Гц |
Двухполосное управление усилением | да | да | единый доступ к динамическому спектру для обеих полос |
1 В полосе отсутствует искажение 2-го порядка.
2 Паразитный сигнал гетеродина в полосу не проникает.
Для архитектуры с нулевой ПЧ данные были взяты из спецификации стандартного двухканального интегрального приемопередатчика в режиме приема, а в случае схемы с РЧ-выборкой – данные для приемной стороны четырехканального трансивера с 9‑Гвыб/с ЦАП и 3‑Гвыб/с АЦП. Несколько ключевых рабочих параметров из таблицы 1 использовались в качестве отправных на частоте 2,6 ГГц.
Из таблицы 1 видно, что в однополосных приложениях размеры трансивера с аналоговым входным блоком с РЧ-выборкой и двух двухканальных трансиверов с нулевой ПЧ приблизительно одинаковы, а у трансивера с дискретной архитектурой ПЧ – в 10 раз больше. Потребляемая мощность у трансивера с нулевой ПЧ на 28% ниже, но его показатели хуже в присутствии помех.
В двухполосной системе можно использовать тот же аналоговый входной блок с РЧ-выборкой, что лишь минимально увеличит рассеиваемую мощность. У архитектур с ПЧ и нулевой ПЧ, применяемых в одно- и двухполосной системах, количество компонентов, размеры решений и рассеиваемая мощность в два раза больше. Преимущества однополосной схемы становятся еще более ощутимыми при добавлении третьей или четвертой полосы.
У архитектуры с РЧ-выборкой несколько более высокой коэффициент шума, чем в случае схем с ПЧ или нулевой ПЧ. Следовательно, у малошумящего усилителя (МШУ), установленного перед аналоговым входным блоком с РЧ-выборкой, коэффициент усиления должен быть больше, чтобы уменьшился коэффициент шума всей системы. Поскольку аналоговый входной блок с РЧ-выборкой принимает полезные сигналы малого уровня в присутствии большой помехи, его динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR) внутри полосы лучше, чем у схемы с нулевой ПЧ, и ниже уровень искажений в боковой полосе.
Однако у дискретной схемы с ПЧ имеется несколько преимуществ, к числу которых относятся SFDR и фазовый шум. Еще одним преимуществом является возможность использования узкополосного фильтра ПЧ, например ПАВ‑фильтра, который существенно подавляет внеполосные помехи.
В приложениях с многополосной РЧ-выборкой встроенный цифровой шаговый аттенюатор на входе одновременно управляет уровнем входного сигнала во всех полосах, хотя имеется возможность использовать отдельные внешние усилители с регулируемым КУ для каждой полосы. Наличие большой помехи в одной полосе, которую следует подавить в большей степени, влияет на шум в другой полосе, что уменьшает уровень чувствительности системы. Применение двух раздельных однополосных приемников позволяет независимо регулировать КУ в каждой полосе так, чтобы источник помех в одной полосе не влиял на чувствительность в другой полосе.
ЦАП с РЧ-выборкой в многополосных передатчиках
Далее мы рассмотрим использование в передатчике (нисходящем канале) ЦАП с РЧ-выборкой.
На рисунке 2а показана сигнальная цепь на базе архитектуры с нулевой ПЧ. Сдвоенные ЦАП генерируют комплексный аналоговый сигнал, который преобразуется с повышением частоты с помощью аналогового квадратурного модулятора и гетеродина в РЧ-сигнал. На рисунке 2б показана схема с РЧ-выборкой: при той же функциональности квадратурная модуляция осуществляется в цифровом виде путем смешения комплексного сигнала с сигналом генератора с цифровым управлением (NCO).

а) нулевой ПЧ;
б) РЧ-выборкой
Чтобы добавить вторую полосу в схему с нулевой ПЧ, можно использовать либо цифровую комбинацию двух полос, для чего потребуется исходный сигнал с очень широкой полосой пропускания (что нецелесообразно для полос с разделением более 300 МГц из-за несоответствия между компонентами квадратурной модуляции I/Q), либо задействовать вторую сигнальную цепь.
Приложениям с РЧ-выборкой требуется только второй цифровой преобразователь сигналов с повышением частоты (относительно небольшая цепь, реализованная по КМОП-процессу) для генерации сигнала перед блоком ЦАП. Для реализации дополнительных полос количество цифровых преобразователь сигналов с повышением частоты легко наращивается.
Разумеется, схема с РЧ-выборкой не используется в тех случаях, если ее производительность и величина рассеиваемой мощности ниже, чем у схемы с нулевой ПЧ. Благодаря тому, что КМОП-технология увеличила скорость и уменьшила рассеиваемую мощность цифровых цепей, эффективность ЦАП с РЧ-выборкой и меньшей мощностью сравнялась с показателями традиционных архитектур.
В таблице 2 сравниваются параметры системы с двумя передатчиками, построенной на схеме с нулевой ПЧ и на схеме с РЧ-выборкой. В состав традиционной схемы входят компоненты DAC38J84, TRF3722 и TRF3705 от компании TI (данные взяты из руководства пользователя исходного проекта TSW38J84), а в системе с РЧ-выборкой применяются двухканальные ЦАП со скоростью 9 Гвыб/с. В качестве эталонного значения для динамического диапазона в этой архитектуре используются коэффициенты утечки в соседний (ACLR) и альтернативный (alt-ACLR) каналы для сигнала WCDMA (широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов). Чем эти коэффициенты выше, тем лучше.
Параметр | Схема с нулевой ПЧ | РЧ-выборка |
Однополосная система | ||
Кол-во активных компонентов | 3 | 1 |
Размер | 45×70 мм | 10×10 мм |
Рассеиваемая мощность | 3,37 Вт | 3,01 Вт |
Двухполосная система | ||
Кол-во активных компонентов | 6 | 1 |
Размер | 45×140 мм | 10×10 мм |
Рассеиваемая мощность | 6,74 Вт | 3,4 Вт |
Рабочие параметры | ||
Выходная мощность | –8 дБм | –6 дБм |
WCDMA ACLR | 73 дБн | 75 дБн |
WCDMA alt-ACLR | 81 дБн | 78 дБн |
Подавление в боковой полосе (нескорректированное) | 40 дБн | нет боковой полосы |
Сравнение схем с нулевой ПЧ и РЧ-выборкой на частоте 1,8 ГГц
Даже по сравнению с оптимизированным размером системы на основе архитектуры с нулевой ПЧ у схемы с РЧ-выборкой – большие преимущества по габаритам, рассеиваемой мощности и другим параметрам (см. табл. 2). При использовании трех–четырех полос преимущества становятся еще заметнее.
На рисунке 3 показан выходной спектр ЦАП DAC38RF83, передающего LTE-сигналы в полосе шириной 20 МГц в 3GPP-диапазонах 1, 3 и 7. Интервалы между сигналами составляют 830 МГц.

У ЦАП с РЧ-выборкой, которые генерируют многополосные сигналы в диапазоне в несколько ГГц, имеются некоторые ограничения. Главное из них заключается в ширине полосы и КПД усилителей мощности (УМ), которые обычно используются в системах с выносными радиомодулями. Недавние успехи, достигнутые в области совершенствования нитридо-галлиевой технологии, позволяют усилителям мощности работать в полосах частот, разделенных на 300–400 МГц. Ожидается, что в дальнейшем разделение между полосами станет исчисляться гигагерцами.
Далее мы сравним передатчик с прямой РЧ-выборкой и схему с аналоговым РЧ-сигналом. Кроме того, мы рассмотрим преимущества передатчика на основе ЦАП с прямой выборкой.
Передатчики аналогового комплексного сигнала ПЧ
В традиционных архитектурах передатчиков используется местный гетеродин и смеситель для генерации сигнала с ПЧ. На рисунке 4 представлена базовая структурная схема передатчика аналогового комплексного сигнала ПЧ.

Для работы с комплексным цифровым входным сигналом обычно используется LVDS-интерфейс для двух каналов данных – синфазного (I) и квадратурного (Q). В некоторых приложениях применяется интерполяция комплексных I‑ и Q‑сигналов с помощью коэффициента R. Интерполяция смягчает требования к аналоговому фильтру и позволяет уменьшить внутриполосный шум. Цифровой модулятор комплексного сигнала и генератор с цифровым управлением осуществляют микширование сигналов. Сдвоенные ЦАП преобразуют цифровые ПЧ-несущие I и Q в аналоговые сигналы.
В аналоговой области два параллельных сигнала проходят через НЧ-фильтры и поступают в соответствующие I‑ и Q‑смесители. В эти смесители поступают сигналы с I‑ и Q‑каналов гетеродина. В результате объединения двух сигналов в суммирующем модуле образуется комплексный модулированный сигнал на требуемой частоте.
При использовании этой стандартной архитектуры передатчика появляются искажения в гетеродине. Перед каскадом, усиливающим напряжение, установлен полосовой или ПАВ‑фильтр, который уменьшает амплитуду нежелательного искажения. Спад амплитудно-частотной характеристики фильтра после частоты среза должен быть достаточно крутым, а частота гетеродина – стабильной, чтобы уменьшить нежелательные искажения в боковой полосе частот (на частоте fГЕТ – fПЧ), не ухудшив полезный сигнал (см. рис. 5а).

Как видно из рисунка 5а, любое фазовое несоответствие или отклонение коэффициента усиления от идеального значения между I‑ и Q‑трактами аналогового сигнала становится причиной появления искажений в боковой полосе. Кроме того, сигнал гетеродина может просочиться сквозь каскад смесителя и появиться в выходном РЧ-сигнале в виде утечки. Эти неидеальные искажения ухудшают эффективность аналоговой системы, поскольку для их подавления требуются дополнительные фильтры и схемы калибровки, что, в свою очередь, повышает сложность и стоимость решения.
У такой архитектуры – ограниченная полоса пропускания выходного сигнала, поскольку частота выборки на входе сдвоенного ЦАП с интерполяцией в основной полосе частот ограничена объемом данных, передаваемых по относительно медленным интерфейсам LVDS или КМОП. Часто из-за этого ограничения возникает потребность в использовании аналоговых квадратурных модуляторов или блоков оборудования, работающих с разными частотами гетеродина, чтобы обеспечить поддержку разных РЧ-полос.
Решения на базе РЧ ЦАП
Сгенерированный на входе исходный сигнал оцифровывается с повышением частоты с помощью I/Q‑интерполяторов, цифрового квадратурного модулятора и генератора с цифровым управлением. Тракты I/Q‑данных в модуляторе идеально согласованы (благодаря цифровой реализации), что предотвращает появление искажений в боковой полосе (см. рис. 5б). Их отсутствие и несущая частота гетеродина исключают необходимость в использовании дорогостоящих и сложных ПАВ‑фильтров. Далее сигнал поступает в РЧ ЦАП для создания радиочастотного сигнала.
На входе интерфейса JESD204B передатчика РЧ ЦАП, показанного на рисунке 6, интерполяторы повышают частоту выборки относительно частоты оцифровки данных.

Передатчик с РЧ ЦАП заменяет собой аналоговый гетеродин с NCO-генератором, устраняя возможность просачивания сигнала гетеродина на аналоговый РЧ-выход. Ширина полосы выходного сигнала РЧ ЦАП и ширина зоны Найквиста (fЦАП/2) определяют максимальную радиочастоту.
На вход передатчика с РЧ ЦАП с последовательным интерфейсом JESD204B поступают высокоскоростные 5G-сигналы, благодаря чему обеспечивается более широкая полоса пропускания сигналов, чем у аналогового РЧ-передатчика аналогового комплексного сигнала ПЧ. По сравнению с этим передатчиком схема передатчика РЧ ЦАП позволяет упростить и уменьшить стоимость решения; при этом увеличивается ширина полосы пропускания и сокращается размер печатной платы.
Сравнение архитектур
Использование РЧ ЦАП позволяет сократить суммарную стоимость системы за счет меньших размеров печатной платы, количества компонентов и более простой схемы (см. табл. 3).
РЧ ЦАП | РЧ-передатчик аналогового комплексного сигнала ПЧ |
меньше занимаемая площадь на печатной плате | оптимальная обработка каждого компонента сигнала |
меньше компонентов | хорошо освоенная технология |
выход годных изделий больше | требуется индивидуальная плата для работы с каждой полосой |
более простая РЧ-схема | необходима калибровочная схема, позволяющая уменьшить искажения сигналов I/Q и просачивание сигнала гетеродина |
отсутствует проникновение сигнала гетеродина | |
отсутствует рассогласование между каналами I и Q | |
ширина полосы достигает нескольких ГГц | |
стандартное оборудование для многополосной связи |
Таким образом, на следующем этапе развития связи востребованы передатчики с прямым преобразованием данных в РЧ-сигналы. Используемые в них интерполирующие и модулирующие 16‑бит ЦАП характеризуются малым паразитным шумом и более простой реализацией. Благодаря высокой скорости передачи данных в диапазоне нескольких Гвыб/с обеспечивается большая ширина полосы при меньшей стоимости решений, применяемых в технологии связи 5‑го поколения.