7. 射频数据转换器：模拟到数字
7.6 RF-ADC工作原理
7.6.1 实信号架构
正如前面7.2节所讨论的，在RF-ADC之前，需要适当的放大和模拟滤波。如果接收到的射频信号通过滤波器、放大器等直接从天线到达，那么它可以被认为是一个实输入信号。此外，如果接收到的RF信号使用实模拟振荡器混合到中频，那么它在到达RF- ADC时仍然是实数。图7.26说明了射频直采架构，然后是射频到中频架构。
在第一种情况下，RF信号由RF- ADC直接数字化，这意味着在数字化之前，它不经过基带或中频频率的解调。因此，所有的解调都可以以数字方式进行。也就是说，射频带通信号必须在RF-ADC射频输入范围内。
如果接收到的射频信号高于第二奈奎斯特区，则可能需要首先将其解调到合适的中频频率。这可以通过射频到中频混频器实现，可以使用多级架构，使最终的中频频率在RF-ADC的工作范围内。请注意，在RF-IF混合阶段之后需要进行模拟带通滤波，因为混合过程也会在更高的频率上产生不需要的频谱分量。7.6.2复信号架构
如果使用模拟I/Q(复)混频器对接收到的射频信号进行解调，则它成为一个复模拟信号，即我们获得两个信号分量，一个用余弦(I)解调，另一个用正弦(Q)解调，它们一起形成一个复信号，因此需要一对RF-ADC。复数格式允许接收更高带宽的信号。最终的体系结构如图7.27所示。
在这个架构中，射频信号通过一个复混频器被解调到基带，这产生两个信号，表示为I和Q(同相和正交)。然后，I相和Q相分别通过放大器和低通滤波器。然而，在考虑I/Q混频阶段时，有一些问题需要注意：本地振荡器可能不会产生由90度分离的输出解调的数学原理依赖于I相位和Q相位之间的正交性，这意味着I相的一小部分可能会进入Q相，反之亦然；I相和Q相的增益可能略有不同，这种影响可以通过采用耦合放大器或双放大器来缓解，而不是使用两个完全独立的放大器；由于元件公差，以及环境和老化影响，应用于I和Q相位的低通滤波器的响应可能略有不同；I和Q路径上的信号可能会经历不同的电压偏移。
每个RF-ADC都包含一个QMC块，可用于校正上述影响，否则会损害信号完整性。设计人员必须结合自己的逻辑来检测错误并生成校正信号。复信号架构可以表示两倍实信号带宽的信号。
7.6.3 操作模式
为了支持这些不同的无线电架构，RF-ADC模块可以在两种不同的模式下工作:Real - to – Complex（R2C）和Complex-to-Complex（C2C）。
在R2C 模式中，实信号通过射频通道输入RFDC，然后与复NCO的输出混合，形成复I/Q输出。对于Dual RF- ADC片，上半部分和下半部分都可以以这种方式处理一个输入RF信号。类似地，每个Quad 片中的RF-ADC都可以支持一个输入信号，总共提供四个通道。
在C2C 模式中，复信号通过射频通道输入射频数据转换器，然后使用复振荡器混合形成复输出。在这种配置中，一个射频信号需要两个射频通道，一个用于模拟I输入，另一个用于模拟Q输入。因此，Dual RF- ADC片只能支持一个射频信号，而Quad RF- ADC片可以支持两个。
7.6.4 多波段接收
某些情况下，可能需要将多个标准的接收通道组合在一起，以便它们可以共享来自单个RF-ADC的输入。RF-ADC通过多波段接收支持此用例。
RF-ADC可以在“多频带模式”下工作，其中输入模拟信号由混合到不同载波频率的信号组成。在多频段配置中， Single RF-ADC片可以支持2个或4个频段。RF-ADC可以在“多频带模式”下工作，其中输入模拟信号由混合到不同载波频率的信号组成。在多频段配置中，单个RF-ADC片可以支持2个或4个频段。
举个例子，Quad RF- ADC片可用于接收同一奈奎斯特区域内的四个不同频段。单输入信号包含混合到第一个奈奎斯特区域内的四个载波频率的信号:450 MHz、750 MHz、1.5 GHz和1.7 GHz。这个输入信号的频谱如图7.28所示。一个 RF-ADC片在多频段模式下的工作如图7.29所示。
7.6.5 多片同步
RFDC包含灵活的时钟和数据接口，支持各种应用程序。从本质上讲，每个RF-ADC片都是独立计时的，并且片内的延迟是一致的。然而，对于某些应用程序，需要多个块甚至多个RFSoC设备，因此非常希望跨块匹配延迟。这可以通过片块同步选项来实现，在所需的片面上分配一个SYSREF时钟。ADC Tile0被视为所有其他片同步的“管理片”，因此它必须启用多片同步。
7.6.6 真实世界场景中的奈奎斯特区域
如前所述，理想的SDR应设计得具有最大的灵活性，因此它应在尽可能宽的带宽上提供软件可编程操作。这意味着在整个奈奎斯特带中应用模拟滤波器，所有的频带选择都是数字完成的。理想的模拟滤波器具有“砖墙”响应，通带和阻带之间的直接转换恰好位于奈奎斯特带的边界。然而，在实践中，这是不可能实现的。
在实践中，滤波器具有一个或多个过渡带，即在通带和阻带之间具有滑动增益的频率范围。因此，目标是将最大信号带宽限制在略小于一个奈奎斯特带。因此，衰减和混叠的影响在每个奈奎斯特区的边缘特别明显，如图7.30所示，RF-ADC采样率为 4 GSps。出于这个原因，应该通过频率规划来避免非常靠近奈奎斯特带边界的信号。举一个简单的例子，假设接收到的信号落在奈奎斯特区的边缘区域内，这是不希望的，但可以很容易地通过调整RF-ADC采样频率来解决。在图7.30所示的示例中，1.9 - 2.0 GHz频段位于第1奈奎斯特带的边缘区域内，但如果RF-ADC采样频率从4 GSps降低到3 GSps，则信号将位于第2奈奎斯特带的中心部分。
RF-ADC之前的模拟低通或带通滤波器是外部组件，因此是与应用或用例以及信号频带相关联的独立设计选择。开发板可能包括一些预封装的模拟滤波器支持，以补充RFSoC板上的RF-ADC。
文章来源：威视锐科技
