TelASIC 通信公司开发的一款芯片组能够实现中频的直接数字转换,这预示着用于蜂窝电话基础设施的新一代架构正浮出水面。该公司的技术可以把中频级从GHz频段无线电通信中去除,这种转变暗示了纯软件定义基站时代的到来。
TelASIC的芯片组包括:采样速率为240MSps的14位模/数转换器TC1410、多通道数字调谐器TC4000和采样速率为480MSps的14位数/模转换器TC2400。混合信号芯片采用IBM的5HP硅锗工艺实现；调谐器则采用0.13微米CMOS工艺制造。这三个器件组合在一起构成一个完整的4载波收发器模块,并可支持2个接收分集天线。因此,这些芯片能够支持8个接收通道和4个发射通道。
TelASIC的首席技术官Don Devondorf表示,该芯片组的性能受益于混合信号器件制造技术的突破。这又部分归功于该公司对IBM硅锗工艺的熟悉,以及其设计团队在超高速转换器设计领域积累的20年经验。
该转换器采用了新颖的架构。“在那样快的速度下,设计者必须解决许多二阶和三阶问题,而这需要架构上的创新。各种原因使得没有多少人涉足此类动态领域的研究。”Devondorf解释道。
TelASIC宣称,TC1410 A/D器件的输入带宽达1GHz,并针对第二奈奎斯特区的操作进行了优化。它的指标包括:在奈奎斯特带宽范围内信噪比(SNR)为71dB；采样抖动小于30fs。采样抖动指标是从噪声测量中推算出来的,因为它无法直接测量。与此ADC配套的TC2400工作在480MSps,能提供240MHz的输出。TelASIC表示,在230MHz输出时的无杂散影响动态范围(SFDR)为80dBc；在122MHz输出时的信噪比为73dB。
我们可以拿它们与下面的器件做一个比较。在2003年国际固态电路会议上展出的最快速、高动态范围奈奎斯特A/D转换器是三星电子使用0.18微米CMOS工艺制造的一款采样速率为150MSps的10位器件。该器件的SFDR小于70dB。最快速的DAC是来自模拟器件公司(ADI)的一款400MSps 16位器件,它采用0.25微米CMOS工艺制造,在180MHz时的SFDR为75dBc。
TelASIC芯片组的多通道功能是其产品定位的关键,该公司工程总监Juan Garcia表示。系统设计师可以对调谐器芯片进行编程,使其能从A/D转换器提供的大量频段中挑选4个任意中心频率和带宽的通道,从而令该芯片组基本上能覆盖商业无线通信标准的整个频谱。
这种灵活性正是TelASIC公司行销战略的核心。Garcia强调了它给系统运营商带来的3大直接好处。首先,该芯片组至少能去除一个中频级,从而可以在单块卡上提供4个通道而不是1个通道,这将对基站的尺寸和成本产生重大影响。其次,因为该芯片组能实现满足几乎任何标准规范的通道,所以相同的硬件可被用于支持GSM、US-TDMA、WCDMA、IS-95及许多其它服务,从而极大地降低了服务提供商和基站开发商的成本。
“最后,从长远来看,该芯片组为实现全软件定义无线电(SDR)铺平了道路。”Garcia表示。由于A/D和 D/A转换器使调谐器能处理整个无线频段,而且调谐器能通过在线编程以重新设置通道,所以一个软件定义的基带架构能够命令芯片组只提供在特定时间、特定通道上实现特定无线标准所需要的通道。
在TelASIC公司瞄准SDR长期机遇的同时,另一家公司正准备以一种完全不同的技术叩开这个市场的大门。在美国国防部的资助下,Hypres公司正在使用性能极佳的超导技术开发一款A/D转换器和数字调谐器芯片组。Hypres是目前唯一一家低温约瑟夫森结超导电路的商业代工厂。
Hypres的目标不是单转换架构,而是直接将射频数字化,该公司总裁兼首席执行官Jack Rosa表示。“我们正在开发一个中心频率为5 GHz、带宽为400MHz的转换器,”Rosa透露道,“该器件将具有约100dB的SFDR和10至12位的分辨率。”目前,Hypres是采用3微米工艺技术进行这项开发工作,但Rosa预计他们将迅速升级到更高的工艺水平,因为每缩小一半的工艺尺寸,器件的工作频率能够提高近一倍。
这个项目的成果将被用于联合作战无线系统(JTRS)的基站中,美国军方的意图是把目前战场上使用的数百种频率、频带和协议统一于单一的SDR框架下。Rosa认为,如果Hypres能解决JTRS系统的问题,那么软件定义的蜂窝基站的商用化问题也将变得容易解决。
Rosa宣称:“现在,我们能够使基站的覆盖范围扩大一倍、容量提高2到3倍。”这项声明不仅是基于其A/D转换器的性能,而且还因为约瑟夫森结逻辑的速度,它的时钟在目前工艺下已经能达到50 GHz。这样的性能使Hypres可以采用数字相关器取代滤波器,以便从复合信号中提取已知波形,从而显著提高了接收器的性能。
当然,该技术的一大缺憾是它还没有成为现实。Rosa表示用于JTRS的A/D转换器和相关器已经就绪,并预计大约一年后可以将该技术投入商用。然而,进展也许不会那么快,因为Rosa相信3G市场在2005年之前不会大规模启动。
另一个限制是温度。Hypres的电路不是高温超导体,而是工作在5 K(-268℃)左右。Rosa表示:“我们将能够推出一款约500立方英寸、只需消耗100至150瓦功率的制冷器。”这对商用基站来说是可以接受的。
随着单转换多通道CMOS器件的出现,基带架构也将发生改变,因为每通道一个接收器的传统方法一直制约着基站的容量。Hypres技术的悄然进步给我们带来希望,任何事情都可能再次改变。
作者:张国勇
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