应用笔记 5317

无线通信RF直接变频发送器

By: Ajay Kuckreja

摘要 : 本文介绍了基于MAX5879等RF DAC的RF直接变频发送器设计,文章列举了零中频、正交IF调制、高中频调制以及RF直接变频架构,详细介绍了RF直接变频带给智能手机、平板电脑等无线设备的优势。正如本文所述,利用高性能DAC实现的RF直接变频能够大幅减少通信系统的元件数量、降低功耗并合成宽频带信号。

相关文章曾发表在2012年3月29日的Wireless Design & Development

引言

无线电发射器在经历了若干年的发展后,逐步从简单中频发射架构过渡到正交中频发送器、零中频发送器。而这些架构仍然存在局限性,最新推出的RF直接变频发送器能够克服传统发送器的局限性。本文比较了无线通信中不同发射架构的特点,RF直接变频发送器采用高性能数/模转换器(DAC),比传统技术具有明显优势。RF直接变频发送器也具有自身挑战,但为实现真正的软件无线电发射架构铺平了道路。
RF DAC,例如14位2.3Gsps MAX5879,是RF直接变频架构的关键电路。这种DAC能够在1GHz带宽内提供优异的杂散和噪声性能。器件在第二和第三奈奎斯特频带采用创新设计,支持信号发射,能够以高达3GHz的输出频率合成射频信号,测量结果验证了DAC的性能。

传统的射频发送器架构

过去数十年间,一直采用传统的发送器架构实现超外差设计,利用本振(LO)和混频器产生中频(IF)。混频器通常在LO附近产生两个镜频(称为边带),通过滤除其中一个边带获得有用信号。现代无线发射系统,尤其是基站(BTS)发送器大多对基带数字调制信号进行I、Q正交调制。
图1. 无线发送器架构
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图1. 无线发送器架构。

正交中频发送器

复数基带数字信号在基带有两个通路:I和Q。采用两个信号通路的好处是:使用模拟正交调制器(MOD)合成两个复数IF信号时,其中一个IF边带被消除。而由于I、Q通路的不对称性,不会非常理想地抵消调制器的镜频。这种正交IF架构如图1(B)所示,图中,利用数字正交调制器和LO数控振荡器(NCO)对I、Q基带信号进行内插(系数R),并调制到正交IF载波。然后,双DAC将数字I、Q IF载波转换成模拟信号,送入调制器。为了进一步增大对无用边带的抑制,系统还采用了带通滤波器(BPF)。

零中频发送器

图1(A)所示的零中频(ZIF)发送器中,对基带数字正交信号进行内插,以满足滤波要求;然后将其送入DAC。同样在基带将DAC的正交模拟输出送至模拟正交调制器。由于将整个已调制信号转换到LO频率的RF载波,所以,ZIF架构真正凸显了正交混频的“魅力”。然而,考虑到I、Q通路并非理想通路,例如LO泄漏和不对称性,将会产生反转的信号镜像(位于发射信号范围之内),从而造成信号误码。多载波发送器中,镜频信号可能靠近载波,造成带内杂散辐射。无线发送器往往采用复杂的数字预失真,用来补偿此类瑕疵。

RF直接变频发送器

图1(D)所示RF直接变频发送器中,在数字域采用正交解调器,LO由NCO取代,从而在I、Q通路获得几乎完美的对称性,基本没有LO泄漏。所以数字调制器的输出为数字RF载波,送入超高速DAC。由于DAC输出为离散时间信号,产生与DAC时钟频率(CLK)等距的混叠镜频。由BPF对DAC输出进行滤波,选择射频载波,然后将其送至可变增益放大器(VGA)。

高中频发送器

RF直接变频发送器也可利用这种方法产生较高中频的数字载波,如图1(C)所示。这里,DAC将数字中频转换为模拟中频载波。DAC之后利用带通滤波器的选频特性滤除中频镜频。然后将该需要的中频信号送入混频器,产生IF信号与LO混频的两个边带,经过另外一个带通滤波器滤波,获得需要的RF边带。
显然,RF直接变频架构需要最少的有源元件。由于采用带数字正交调制器和NCO的FPGA或ASIC取代模拟正交调制器和LO,RF直接变频架构避免了I、Q通道的不平衡误差及LO泄漏。此外,由于DAC的采样率非常高,更容易合成宽带信号,同时可保证满足滤波要求。
高性能DAC是RF直接变频架构取代传统无线发送器的关键元件,该DAC需要产生高达2GHz甚至更高的射频载波,动态性能要达到其它架构提供的基带或中频性能。MAX5879就是一款这样的高性能DAC。

利用MAX5879 DAC实现RF直接变频发送器

MAX5879是一款14位、2.3Gsps RF DAC,输出带宽大于2GHz,具有超低噪声和低杂散性能,设计用于RF直接变频发送器。其频率响应(图2)可通过更改其冲激响应进行设置,不归零(NRZ)模式用于第一奈奎斯特频带输出。RF模式集中第二、第三奈奎斯特频带的输出功率。归零(RZ)模式在多个奈奎斯特频带提供平坦响应,但输出功率较低。
MAX5879的独特之处在于RFZ模式。RFZ模式为“零填充”射频模式,所以,DAC输入采样率为其它模式的一半。该模式对于采用较低带宽合成信号非常有用,并可输出高阶奈奎斯特频带的高频信号。所以MAX5879 DAC可用于合成超出其采样率的调制载波,仅受限于2+GHz模拟输出带宽。
图2. MAX5879 DAC的可选频响特性
图2. MAX5879 DAC的可选频响特性。
MAX5879性能测试表明:940MHz下,4载波GSM信号的交调失真大于74dB (图3);2.1GHz下,4载波WCDMA信号的邻道泄漏功率比(ACLR)为67dB (图4);2.6GHz下,2载波LTE的ACLR为65dB (图5)。这种性能的DAC能够支持多奈奎斯特频带中各种数字调制信号的直接数字合成,可作为多标准、多频带无线基站发送器的公共硬件平台。
图3. MAX5879 4载波GSM性能测试,940MHz和2.3Gsps (第一奈奎斯特频带)
图3. MAX5879 4载波GSM性能测试,940MHz和2.3Gsps (第一奈奎斯特频带)。
图4. MAX5879 4载波WCDMA性能测试,2140MHz和2.3Gsps (第二奈奎斯特频带)
图4. MAX5879 4载波WCDMA性能测试,2140MHz和2.3Gsps (第二奈奎斯特频带)。
图5. MAX5879 2载波LTE性能测试,2650MHz和2.3Gsps (第三奈奎斯特频带)
图5. MAX5879 2载波LTE性能测试,2650MHz和2.3Gsps (第三奈奎斯特频带)。

RF直接变频发送器应用

MAX5879 DAC也可以同时发送奈奎斯特频带的多个载波。该功能目前用于有线电视下行发射链路,发送50MHz至1000MHz频带的多个QAM调制信号。对于该应用,RF直接变频发射器可以支持的载波密度是其它发射架构的20-30倍。此外,由于单个宽带RF直接变频发送器取代了多个无线发送器,从而大大减小了有线电视前端的功耗和面积。
基于MAX5879的RF直接变频发送器可利向用于宽带、高频输出的应用,例如,随着智能手机和平板电脑的日益普及,无线基站将需要更宽频带。毫无疑问,当前支持此类装置的发射器将逐步由基于高性能RF DAC (例如MAX5879)的RF直接变频发送器所取代。

总结

基于RF DAC的发送器具有远远超出传统架构的发射带宽,而且不会损失动态性能,可利用FPGA或ASIC实现,省去了模拟正交调制器和LO合成器,从而提高无线发送器的可靠性。这种方案也大大减少了元件数量,多数情况下也会降低系统功耗。
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