概述

轉換器技術每年都在發展。主要半導體公司的模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)的采樣速率比十年前的產品快了好幾個數量級。例如，2005年，世界上速度最快的12位分辨率ADC采樣速率為250 MS/s；而到了2018年，12位ADC的采樣率已經達到6.4 GS/s。由于這些性能的提高，轉換器可以直接數字化RF頻率的信號，并為現代通信和雷達系統提供足夠的動態范圍。

雖然在使用高采樣率（主要是動態范圍）轉換器時需要進行權衡，但該技術支持將廣泛使用的外差RF架構替換成直接RF架構，以支持特定應用。例如，對于需要更小組成結構或降低成本的寬帶RF應用，經過前端簡化的直接RF采樣儀器就是非常理想的選擇。尤其是，這項技術在雷達和電子戰等一些國防和航空航天應用中得到了進一步發展。

什么是直接RF采樣？

要了解直接RF架構，就要知道該架構與其他RF架構的區別。

在外差架構中，接收器接收RF頻率的信號之后，將信號下變頻到較低的中頻(IF)，并進行數字化、濾波和解調。圖1顯示的是外差接收器的結構框圖。可以看到，該儀器的RF前端包含了帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器和本地振蕩器(LO)。

圖1:此外差接收器結構框圖顯示了一個帶有RF前端的儀器，它包含了帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器和本地振蕩器。

而直接RF采樣接收器架構僅由低噪聲放大器、適當的濾波器和ADC組成。圖2中的接收器不需要使用混頻器和LO；ADC直接數字化RF信號并將其發送到處理器。在這個架構中，您可以通過數字信號處理(DSP)實現接收器的許多模擬組件。例如，您可以使用直接數字轉換(DDC)來隔離終端信號，而不需要使用混頻器。此外，在大多數情況下，除了抗混疊或重建濾波器之外，您還可以使用數字濾波替換大部分模擬濾波。

由于不需要模擬頻率轉換，直接RF采樣接收器的整體硬件設計要簡單得多，從而能夠實現更小的組成結構和更低的設計成本。

圖2:直接RF采樣接收器架構可以僅包含一個低噪聲放大器、適當的濾波器和ADC。

如何實現直接采樣？

在近年來轉換器技術得到快速發展之前，由于轉換器采樣率和分辨率的限制，直接采樣架構并不實用。半導體公司利用新技術在更高的采樣頻率下提高分辨率，以降低轉換器內的噪聲。隨著具有更高分辨率的超高速轉換器的出現，RF輸入信號可以直接轉換為數千兆赫茲的信號。

該轉換速率使得工程師能夠在L波段和S波段以非常高的瞬時帶寬進行數字化。隨著轉換器的不斷發展，在其他頻段（如C波段和X波段）進行直接RF采樣也并非空想。

什么情況下應考慮使用直接RF采樣架構？

直接RF采樣的主要優點是簡化了RF信號鏈，降低了每個通道的成本以及通道密度。采用直接RF采樣架構的儀器由于使用的模擬組件較少，組成結構通常更小，功率效率更高。如果要構建高通道數系統，直接RF采樣可以減少系統的占用空間和成本。在構建完全有源的相控陣雷達等系統時，這一點尤其重要，因為這些雷達通過移相多達數百甚至數千個天線發射的信號來形成波束。由于同一系統包含多個RF信號發生器和分析儀，每個通道的尺寸和成本便成為了一個重要的考量因素。

除了尺寸、重量和功率(SWaP)減小之外，簡化的架構還可消除RF儀器本身內部可能的噪聲、映像和其他誤差來源，例如LO泄漏和正交減損。

最后，直接RF采樣架構還可以簡化同步。例如，要實現RF系統的相位一致性，必須同步RF儀器的內部時鐘和LO。在不需要LO的直接采樣中，只需關注設備的時鐘同步即可。同樣，對于需要多個相位相干RF接收器的相控陣列雷達應用，直接采樣架構也是簡化設計的有效選擇。