《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無線通信RF直接變頻發(fā)送器
摘要: 本文介紹了基于MAX5879等RF DAC的RF直接變頻發(fā)送器設(shè)計(jì),文章列舉了零中頻、正交IF調(diào)制、高中頻調(diào)制以及RF直接變頻架構(gòu),詳細(xì)介紹了RF直接變頻帶給智能手機(jī)、平板電腦等無線設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。正如本文所述,利用高性能DAC實(shí)現(xiàn)的RF直接變頻能夠大幅減少通信系統(tǒng)的元件數(shù)量、降低功耗并合成寬頻帶信號(hào)。
Abstract:
Key words :

引言

無線電發(fā)射器在經(jīng)歷了若干年的發(fā)展后,逐步從簡(jiǎn)單中頻發(fā)射架構(gòu)過渡到正交中頻發(fā)送器、零中頻發(fā)送器。而這些架構(gòu)仍然存在局限性,最新推出的RF直接變頻發(fā)送器能夠克服傳統(tǒng)發(fā)送器的局限性。本文比較了無線通信中不同發(fā)射架構(gòu)的特點(diǎn),RF直接變頻發(fā)送器采用高性能數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC),比傳統(tǒng)技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。RF直接變頻發(fā)送器也具有自身挑戰(zhàn),但為實(shí)現(xiàn)真正的軟件無線電發(fā)射架構(gòu)鋪平了道路。
RF DAC,例如14位2.3Gsps MAX5879,是RF直接變頻架構(gòu)的關(guān)鍵電路。這種DAC能夠在1GHz帶寬內(nèi)提供優(yōu)異的雜散和噪聲性能。器件在第二和第三奈奎斯特頻帶采用創(chuàng)新設(shè)計(jì),支持信號(hào)發(fā)射,能夠以高達(dá)3GHz的輸出頻率合成射頻信號(hào),測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了DAC的性能。

傳統(tǒng)的射頻發(fā)送器架構(gòu)

過去數(shù)十年間,一直采用傳統(tǒng)的發(fā)送器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)超外差設(shè)計(jì),利用本振(LO)和混頻器產(chǎn)生中頻(IF)?;祛l器通常在LO附近產(chǎn)生兩個(gè)鏡頻(稱為邊帶),通過濾除其中一個(gè)邊帶獲得有用信號(hào)。現(xiàn)代無線發(fā)射系統(tǒng),尤其是基站(BTS)發(fā)送器大多對(duì)基帶數(shù)字調(diào)制信號(hào)進(jìn)行I、Q正交調(diào)制。
圖1. 無線發(fā)送器架構(gòu)
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圖1. 無線發(fā)送器架構(gòu)。

正交中頻發(fā)送器

復(fù)數(shù)基帶數(shù)字信號(hào)在基帶有兩個(gè)通路:I和Q。采用兩個(gè)信號(hào)通路的好處是:使用模擬正交調(diào)制器(MOD)合成兩個(gè)復(fù)數(shù)IF信號(hào)時(shí),其中一個(gè)IF邊帶被消除。而由于I、Q通路的不對(duì)稱性,不會(huì)非常理想地抵消調(diào)制器的鏡頻。這種正交IF架構(gòu)如圖1(B)所示,圖中,利用數(shù)字正交調(diào)制器和LO數(shù)控振蕩器(NCO)對(duì)I、Q基帶信號(hào)進(jìn)行內(nèi)插(系數(shù)R),并調(diào)制到正交IF載波。然后,雙DAC將數(shù)字I、Q IF載波轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),送入調(diào)制器。為了進(jìn)一步增大對(duì)無用邊帶的抑制,系統(tǒng)還采用了帶通濾波器(BPF)。

零中頻發(fā)送器

圖1(A)所示的零中頻(ZIF)發(fā)送器中,對(duì)基帶數(shù)字正交信號(hào)進(jìn)行內(nèi)插,以滿足濾波要求;然后將其送入DAC。同樣在基帶將DAC的正交模擬輸出送至模擬正交調(diào)制器。由于將整個(gè)已調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換到LO頻率的RF載波,所以,ZIF架構(gòu)真正凸顯了正交混頻的“魅力”。然而,考慮到I、Q通路并非理想通路,例如LO泄漏和不對(duì)稱性,將會(huì)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)的信號(hào)鏡像(位于發(fā)射信號(hào)范圍之內(nèi)),從而造成信號(hào)誤碼。多載波發(fā)送器中,鏡頻信號(hào)可能靠近載波,造成帶內(nèi)雜散輻射。無線發(fā)送器往往采用復(fù)雜的數(shù)字預(yù)失真,用來補(bǔ)償此類瑕疵。

RF直接變頻發(fā)送器

圖1(D)所示RF直接變頻發(fā)送器中,在數(shù)字域采用正交解調(diào)器,LO由NCO取代,從而在I、Q通路獲得幾乎完美的對(duì)稱性,基本沒有LO泄漏。所以數(shù)字調(diào)制器的輸出為數(shù)字RF載波,送入超高速DAC。由于DAC輸出為離散時(shí)間信號(hào),產(chǎn)生與DAC時(shí)鐘頻率(CLK)等距的混疊鏡頻。由BPF對(duì)DAC輸出進(jìn)行濾波,選擇射頻載波,然后將其送至可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)。

高中頻發(fā)送器

RF直接變頻發(fā)送器也可利用這種方法產(chǎn)生較高中頻的數(shù)字載波,如圖1(C)所示。這里,DAC將數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換為模擬中頻載波。DAC之后利用帶通濾波器的選頻特性濾除中頻鏡頻。然后將該需要的中頻信號(hào)送入混頻器,產(chǎn)生IF信號(hào)與LO混頻的兩個(gè)邊帶,經(jīng)過另外一個(gè)帶通濾波器濾波,獲得需要的RF邊帶。
顯然,RF直接變頻架構(gòu)需要最少的有源元件。由于采用帶數(shù)字正交調(diào)制器和NCO的FPGA或ASIC取代模擬正交調(diào)制器和LO,RF直接變頻架構(gòu)避免了I、Q通道的不平衡誤差及LO泄漏。此外,由于DAC的采樣率非常高,更容易合成寬帶信號(hào),同時(shí)可保證滿足濾波要求。
高性能DAC是RF直接變頻架構(gòu)取代傳統(tǒng)無線發(fā)送器的關(guān)鍵元件,該DAC需要產(chǎn)生高達(dá)2GHz甚至更高的射頻載波,動(dòng)態(tài)性能要達(dá)到其它架構(gòu)提供的基帶或中頻性能。MAX5879就是一款這樣的高性能DAC。

利用MAX5879 DAC實(shí)現(xiàn)RF直接變頻發(fā)送器

MAX5879是一款14位、2.3Gsps RF DAC,輸出帶寬大于2GHz,具有超低噪聲和低雜散性能,設(shè)計(jì)用于RF直接變頻發(fā)送器。其頻率響應(yīng)(圖2)可通過更改其沖激響應(yīng)進(jìn)行設(shè)置,不歸零(NRZ)模式用于第一奈奎斯特頻帶輸出。RF模式集中第二、第三奈奎斯特頻帶的輸出功率。歸零(RZ)模式在多個(gè)奈奎斯特頻帶提供平坦響應(yīng),但輸出功率較低。
MAX5879的獨(dú)特之處在于RFZ模式。RFZ模式為“零填充”射頻模式,所以,DAC輸入采樣率為其它模式的一半。該模式對(duì)于采用較低帶寬合成信號(hào)非常有用,并可輸出高階奈奎斯特頻帶的高頻信號(hào)。所以MAX5879 DAC可用于合成超出其采樣率的調(diào)制載波,僅受限于2+GHz模擬輸出帶寬。
圖2. MAX5879 DAC的可選頻響特性
圖2. MAX5879 DAC的可選頻響特性。
MAX5879性能測(cè)試表明:940MHz下,4載波GSM信號(hào)的交調(diào)失真大于74dB (圖3);2.1GHz下,4載波WCDMA信號(hào)的鄰道泄漏功率比(ACLR)為67dB (圖4);2.6GHz下,2載波LTE的ACLR為65dB (圖5)。這種性能的DAC能夠支持多奈奎斯特頻帶中各種數(shù)字調(diào)制信號(hào)的直接數(shù)字合成,可作為多標(biāo)準(zhǔn)、多頻帶無線基站發(fā)送器的公共硬件平臺(tái)。
圖3. MAX5879 4載波GSM性能測(cè)試,940MHz和2.3Gsps (第一奈奎斯特頻帶)
圖3. MAX5879 4載波GSM性能測(cè)試,940MHz和2.3Gsps (第一奈奎斯特頻帶)。
圖4. MAX5879 4載波WCDMA性能測(cè)試,2140MHz和2.3Gsps (第二奈奎斯特頻帶)
圖4. MAX5879 4載波WCDMA性能測(cè)試,2140MHz和2.3Gsps (第二奈奎斯特頻帶)。
圖5. MAX5879 2載波LTE性能測(cè)試,2650MHz和2.3Gsps (第三奈奎斯特頻帶)
圖5. MAX5879 2載波LTE性能測(cè)試,2650MHz和2.3Gsps (第三奈奎斯特頻帶)。

RF直接變頻發(fā)送器應(yīng)用

MAX5879 DAC也可以同時(shí)發(fā)送奈奎斯特頻帶的多個(gè)載波。該功能目前用于有線電視下行發(fā)射鏈路,發(fā)送50MHz至1000MHz頻帶的多個(gè)QAM調(diào)制信號(hào)。對(duì)于該應(yīng)用,RF直接變頻發(fā)射器可以支持的載波密度是其它發(fā)射架構(gòu)的20-30倍。此外,由于單個(gè)寬帶RF直接變頻發(fā)送器取代了多個(gè)無線發(fā)送器,從而大大減小了有線電視前端的功耗和面積。
基于MAX5879的RF直接變頻發(fā)送器可利向用于寬帶、高頻輸出的應(yīng)用,例如,隨著智能手機(jī)和平板電腦的日益普及,無線基站將需要更寬頻帶。毫無疑問,當(dāng)前支持此類裝置的發(fā)射器將逐步由基于高性能RF DAC (例如MAX5879)的RF直接變頻發(fā)送器所取代。

總結(jié)

基于RF DAC的發(fā)送器具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)射帶寬,而且不會(huì)損失動(dòng)態(tài)性能,可利用FPGA或ASIC實(shí)現(xiàn),省去了模擬正交調(diào)制器和LO合成器,從而提高無線發(fā)送器的可靠性。這種方案也大大減少了元件數(shù)量,多數(shù)情況下也會(huì)降低系統(tǒng)功耗。
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