【導(dǎo)讀】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)。
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)。混頻器通常在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)。
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。
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)。
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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