直接​RF​采样​架构​的​优势

概览

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。

内容

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)。

图​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。

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。

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。

该​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。

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。

NI​扮演​什么​角色?

NI​提供​了​多种​具有​不同​RF​架构​类型​的​RF​仪器;​然而,FlexRIO IF​收​发器是​第一​款​利用​直接​RF​采样​技术​的​NI​仪器。 随着​高速​转换​器​的​性能​不断​提高,​NI​将​继续​与​供应​商​密切​合作,​快速​将​这些​新​技术​提供​给​客户。 如需​了解​有关​NI RF​仪器​产品​组合​的​更多​信息,​包括​收​发​器、​接收​器​和​发生​器,​请​访问ni.com/​flexrio