9. 射频数据转换器：数字到模拟
9.5 RF-DAC处理阶段：数字复混频
功能上，RF-DAC内的复混频器与RF-ADC内的混频器相同;不同之处在于它在RF-DAC中的作用是调制数据，而不是解调数据。混频器的作用是通过将输入信号与更高频率的载波混合，将信号移到目标频段。
RF-DAC混频器包括一个48位数字NCO精细混频器，支持任意频率载波的调制，以及一个用于与一小组预设载波之一混合的粗混频器。混频器支持I/Q到real，和I/Q到I/Q模式。复混频器的框图如图9.21所示。
9.5.1 粗混频和旁路
9.5.2 精混频器
精混频器由一个NCO和一组调制器组成，能够以任意频率移动信息信号，包括对相位的控制。NCO提供了对产生频率的精细控制，除了18位相位调节，两者都是由用户可编程的。如果使用多tile同步，NCO的阶段也可以跨tile同步。从图9.19中可以看出，精混频器的输出包含一个3dB的衰减块，可以避免混频过程中的电位溢出，可以根据需要开启或关闭衰减块。
混频后，偶数奈奎斯特区域内的信号反转(频率从左向右翻转)，而奇数奈奎斯特区域内的信号则不反转。任何反转都可以通过在NCO中使用负频率来反转。
由于设备中的IMR滤波器引入了额外的2x插值，因此混频器的采样率等于DAC输出采样率的一半(当启用IMR时)。
9.6 RF-DAC处理阶段：图像抑制滤波器
IMR滤波器仅在第三代和DFE设备中可用，它可以在混合发生后去除不需要的光谱图像。IMR滤波器可以提供一个低通滤波器，在第1奈奎斯特区保留信号，在第2奈奎斯特区衰减信号图像;或高通滤波器，在第一奈奎斯特区衰减信号，在第二奈奎斯特区保留信号图像。
除了滤波，IMR还引入了2x插值到信号。因此，RF-DAC的最大插补率从40倍增加到80倍。如果启用了IMR，并且只需要2x插值，则绕过预混频器插值链，只使用IMR插值器。由IMR滤波器引入的2x插值对系统设计有影响，因为复混频器输出端的采样率将是RF-DAC输出的一半。
在RF-DAC数据流程中，IMR滤波器位于DUC和QMC之后，但在逆sinc滤波器之前。
虽然用户可以在运行时启用和禁用IMR，但它只能在DUC启用时使用，这意味着当DUC处于旁路模式时不能使用IMR。图9.22显示了RFDAC数据路径和IMR过滤器的各种路由选项。
IMR滤波器的高通和低通滤波器是对称的，都提供相对于载波60dB的阻带衰减。值得注意的是，奈奎斯特滤波器的截止频率与插值前的采样率有关，这意味着截止频率与DUC输出的采样率有关，而不是与IMR输出的采样率有关。
以DUC和IMR后的采样率分别为1Gsps和2Gsps为例。在这种情况下，IMR滤波器截止频率将是500 MHz，而不是1 GHz。图9.23显示了两个IMR滤波器的频率响应。
9.7 RF-DAC工作原理
9.7.1 实信号结构
对于实输出，发射器架构有两种主要选择:直接转换为RF，或使用中频级。在直接射频中，RF-DAC输出的信号通过模拟前端传递到天线。如果使用中频级，RF- DAC的输出另外经历模拟混合级，将信号调制到基带以上的频率，但低于最终的RF载波频率。在给定RF- DAC的采样率的情况下，当射频频率高于数字域所能产生的频率时，通常选择使用中频级。
在这两种情况下，信号可以是纯实数的，也可以是I/Q调制的，图9.24描述了这两种体系结构。
9.7.2 复信号结构
在复信号体系结构中，I和Q组件具有独立的内部信号路径，并使RF-DAC作为两个独立的模拟信号，相位偏移90度。在这种情况下，I和Q通道的组合，以及任何必要的相位或增益偏移校正发生在模拟域。
图9.25显示了这种复信号结构的一个示例。由于该发射机直接从基带调制到RF，因此包括低通滤波器以仅保留基带信号分量并衰减来自第2奈奎斯特区及以上的光谱图像。
9.7.3 操作模式
RF-DAC可以在两种不同的模式下工作:复到实(C2R)，或复到复(C2C)。
在C2R模式中，DUC的I/Q输出加在一起，在RF-DAC模拟输出之前创建单个通道。在这种模式下，四路RF-DAC模块可以在单个模块上输出四个独立通道，而双路RF-DAC模块可以输出两个通道。
在C2C 模式中，DUC的I/Q输出在整个数据路径中保持独立，Q信号到奇数RF-DAC，而I信号继续沿着偶数RF-DAC。然后将两个信号传递到两个独立的RF-DAC模拟输出。在这种模式下，四路RF-DAC片可以输出两个独立的C2C通道，而双路RF-DAC片只能输出一个C2C通道。
C2R和C2C模式都需要DUC。RF-DAC模块的输入必须是一个单独的带有I和Q通道连接在一起的AXI4Stream信号。齿轮箱FIFO负责将复杂信号分离成I和Q分量。
还有一种选择，即从RF-DAC输入端向RF-DAC模拟输出端传递纯实数信号。此模式有两种可能的配置。第一种是，纯实数信号通过RF-DAC输入直接传递到RF-DAC模拟输出，完全绕过DUC，消除了混合或插值的选项。第二个配置，如果需要混合和插值，是使用粗混频器，然而粗混频器的使用大大限制了可能的频率。如果需要精细混合器，则可以使用C2R模式，并使连接的输入信号的虚部完全为零。
9.7.4 多波段传输
单个RF-DAC能够同时传输已调制到不同载波上的多个信号。这是通过使用多频段模式实现的，其中几个信号被组合成一个复合RF-DAC模拟输出。多频段模式涉及将多个DUC的输出组合在一个tile内，其中每个DUC处理单个信号。由于需要使用DUC，所以不能在旁路模式下使用。当使用多频段模式时，各个DUC之间的延迟会自动同步。
每个tile可以配置为实双频、I/Q双频、实四频或I/Q四频。在双频模式下，使用2个DUC，而在四频模式下，使用4个DUC。所有DUC的配置方法必须相同。虽然Dual tile只有两个RF-DAC模拟输出，但在tile中存在四个DUC。这允许双频段和四频段以及Dual RF-DAC tile中的实输出和I/Q输出。由于Single RF-DAC tile也包含4个DAC，因此也支持多频段操作。然而，由于它们只包含一个RF-DAC模拟输出，因此不可能传输单独的I/Q通道。
由于多个信号在多频带模式下叠加，有可能发生溢出。为了避免这种可能性，信号在每个DUC的输出处被自动衰减，然后再将它们加在一起。对于双频，每通道衰减为6dB，而对于四频，每通道衰减为12dB。如果需要，衰减阶段可以通过软件API绕过。
举个例子，Quad RF-DAC tile可以配置为在同一奈奎斯特区域内传输四个独立的信号。从PL到RF-DAC片需要四个单独的输入。每个信号通过其各自的DUC并混合到单独的载波频率。混合后，DUC的输出被加在一起，沿着DAC0数据路径创建一个单一的复合信号。如果使用，复合信号可以通过IMR和反sinc滤波器，然后在RF-DAC输出转换为模拟信号。图9.26显示了本例的RF-DAC数据路径。
9.7.5 真实世界场景中的奈奎斯特区
在本章的前面，我们讨论了数模转换的理论和滤波在从信号中去除不想要的图像中的作用。通常，在DAC的输出端，将使用一个模拟重建滤波器来去除这些图像——一个低通滤波器用于第一个奈奎斯特区，或者一个带通滤波器用于第二个奈奎斯特区，每个带通滤波器的带宽等于单个奈奎斯特区的大小。
理想情况下，该过滤器将具有砖墙响应，完全删除过滤器通带之外的任何图像。然而，在实际中，在截止频率和期望的阻带之间会有一个过渡带，在这个过渡带中，频率响应的幅度会逐渐下降。这对传输信号有影响，因为任何靠近奈奎斯特带边缘的信号都会有一个可能无法被重构滤波器充分抑制的图像。因此，建议避免在奈奎斯特区的边缘区域内传输中频或RF调制信号，通常为采样率的±5%。
为了解决这些问题，第3代RFSoC器件引入了RF-DAC数据路径模式的概念。设计人员在使用RF-DAC组件和配置的各种适用组合时，可以参考四种不同的模式。这包括使用正常模式或混合模式，IMR滤波器和DUC。图9.27总结了这些配置选项，以及每种模式的频谱可用带宽。图9.28直观地说明了在使用各种数据路径模式时应避免的波段。
文章来源：威视锐科技
