為無線通信實(shí)現(xiàn)直接RF發(fā)射器

本應(yīng)用筆記總結(jié)了零中頻、復(fù)中頻、高（實(shí)）中頻和直接射頻的RF發(fā)送器架構(gòu)，然后詳細(xì)介紹了直接RF發(fā)射器在無線應(yīng)用中的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢隨著智能手機(jī)和平板電腦使用量的增加而增加。如應(yīng)用筆記所示，采用高性能DAC的直接RF架構(gòu)具有優(yōu)勢，可在合成超寬帶信號時減少元件數(shù)量并降低功耗。

介紹

多年來，無線電發(fā)射器已經(jīng)從真正的IF（中頻）發(fā)射器發(fā)展到復(fù)雜的IF發(fā)射器，再到零IF發(fā)射器。但是，這些常用體系結(jié)構(gòu)仍然存在相關(guān)限制。一種較新的方法，即直接射頻無線電發(fā)射器，可以克服傳統(tǒng)發(fā)射器的局限性。本文比較了用于無線通信的各種無線電發(fā)射器架構(gòu)。由高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）支持的直接RF無線電發(fā)射器將顯示出與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢。直接到RF無線電發(fā)射器也有其自身的挑戰(zhàn)，但它為真正的軟件定義無線電發(fā)射器鋪平了道路。

RF DAC，如14位2.3Gsps MAX5879，是直接至RF架構(gòu)的基本元件。該DAC在寬至1GHz的帶寬下實(shí)現(xiàn)了出色的雜散和噪聲性能。它具有在第二和第三奈奎斯特區(qū)進(jìn)行發(fā)射的新方法，因此可以在高達(dá)3GHz的輸出頻率下執(zhí)行RF合成。測量結(jié)果驗(yàn)證了DAC的性能。

傳統(tǒng)射頻發(fā)射器架構(gòu)

在過去的幾十年里，傳統(tǒng)的發(fā)射器架構(gòu)是基于超外差原理實(shí)現(xiàn)的，其中使用本振（LO）和混頻器產(chǎn)生中頻（IF）。混頻器通常在LO周圍創(chuàng)建兩個鏡像，稱為邊帶。然后通過濾除其中一個邊帶來獲得所需的信號?，F(xiàn)代無線電發(fā)射器，特別是無線基站（BTS）中使用的無線電發(fā)射器，通常在基帶上使用復(fù)雜的同相（I）和正交相位（Q）符號來獲取數(shù)字調(diào)制信號。

圖1.無線電發(fā)射機(jī)架構(gòu)。

復(fù)雜中頻發(fā)射器

因此，復(fù)基帶數(shù)字信號在基帶有兩條路徑，I和Q。以這種方式使用兩條信號路徑有一個優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)使用模擬正交調(diào)制器（MOD）組合兩個復(fù)數(shù)中頻信號時，其中一個中頻邊帶被消除。然而，由于I和Q路徑的不對稱性，調(diào)制器鏡像的理想消除永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)。這種復(fù)雜的IF架構(gòu)如圖1（B）所示。在這里，復(fù)數(shù)基帶I和Q信號值（通過因子R），并使用數(shù)字復(fù)數(shù)調(diào)制器和充當(dāng)LO的數(shù)控振蕩器（NCO）調(diào)制為復(fù)數(shù)IF載波。然后，雙通道DAC將數(shù)字I和Q IF載波轉(zhuǎn)換為模擬載波，并將其饋送到調(diào)制器。為了進(jìn)一步增加不需要邊帶的衰減，使用了帶通濾波器（BPF）。

零中頻發(fā)射器

在圖1（A）所示的零中頻（ZIF）發(fā)射器中，基帶上的數(shù)字復(fù)數(shù)信號只需插值以降低濾波要求，然后饋送到DAC。DAC的復(fù)數(shù)模擬輸出仍位于基帶（DC）處，被饋送到模擬正交調(diào)制器。使用復(fù)雜信號的“魔力”在ZIF架構(gòu)中顯而易見，因?yàn)檎麄€調(diào)制信號以精確的LO頻率轉(zhuǎn)換為RF載波。然而，LO饋通以及I和Q路徑中的不對稱等缺陷會導(dǎo)致LO雜散和落在發(fā)射信號內(nèi)的反向信號鏡像。這反過來又會降低信號的誤碼率。在多載波發(fā)射器中，圖像可能與載波相鄰，然后產(chǎn)生帶內(nèi)雜散發(fā)射。在無線電發(fā)射器中經(jīng)常實(shí)施復(fù)雜的數(shù)字預(yù)失真方案，以抵消這些各種缺陷。

直接射頻發(fā)射器

在圖1（D）所示的直接RF發(fā)射器中，正交解調(diào)器在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)，LO由NCO取代。這導(dǎo)致I和Q路徑具有近乎完美的對稱性，幾乎沒有LO饋通。因此，數(shù)字調(diào)制器的輸出是一個數(shù)字RF載波，饋送到一個非常高速的DAC。由于DAC的輸出是離散時間，因此也會創(chuàng)建與DAC時鐘頻率（CLK）等距的混疊鏡像。DAC輸出由BPF濾波以選擇RF載波，然后饋送到可變增益放大器（VGA）。

高中頻發(fā)射器

這種直接RF發(fā)射器方案也可用于生成高“真實(shí)”（而不是復(fù)雜）數(shù)字IF載波，如圖1（C）所示。這里的DAC將數(shù)字IF轉(zhuǎn)換為模擬IF載波。DAC之后的帶通濾波器用于隔離所需的IF鏡像。然后將該真實(shí)IF饋送到混頻器，混頻器產(chǎn)生該IF信號的兩個邊帶與LO混合。然后，所需的RF邊帶由另一個帶通濾波器隔離。

很明顯，直接RF架構(gòu)需要最少的有源元件。由于模擬正交調(diào)制器和LO可以在帶有數(shù)字正交調(diào)制器和NCO的FPGA或ASIC中實(shí)現(xiàn)，因此直接RF架構(gòu)消除了I和Q不平衡誤差以及LO饋通。此外，由于DAC通常以高得多的采樣速率工作，因此更容易合成非常寬帶的信號，同時保持濾波要求可控。

高性能DAC是直接RF架構(gòu)成為傳統(tǒng)無線電發(fā)射器的可行替代方案的重要組成部分。該DAC需要產(chǎn)生高達(dá)2GHz及以上的RF載波，其動態(tài)性能通常在基帶或使用其他架構(gòu)的IF上實(shí)現(xiàn)。MAX5879就是這樣一種高性能DAC。

使用MAX5879 DAC作為直接RF發(fā)送器

MAX5879是一款14位2.3Gsps射頻DAC，具有超過2GHz的輸出帶寬、極低噪聲和低雜散性能，專為直接RF發(fā)送器而設(shè)計。其頻率響應(yīng)（圖2）可以通過改變其脈沖響應(yīng)來修改。不歸零 （NRZ） 模式用于第一奈奎斯特區(qū)的輸出。射頻 （RF） 模式將輸出功率集中在第二和第三奈奎斯特區(qū)。歸零 （RZ） 模式在多個奈奎斯特區(qū)提供更平坦的響應(yīng)，但輸出功率更低。

MAX5879的獨(dú)特之處在于RFZ模式。RFZ模式是RF模式的“零填充”，因此進(jìn)入DAC的輸入采樣速率是其他模式的一半。這種模式對于合成帶寬較低的信號很有用，同時保留了在上奈奎斯特區(qū)以更高頻率輸出信號的優(yōu)勢。因此，MAX5879 DAC可用于合成遠(yuǎn)超出其采樣速率的調(diào)制載波，僅受2+GHz模擬輸出帶寬的限制。

圖2.MAX5879 DAC的頻率響應(yīng)可選。

MAX5879在940MHz時對4載波GSM信號的互調(diào)失真超過74dB（圖3）;2.1GHz 的 4 載波 WCDMA 信號的鄰道泄漏比 （ACLR） 為 67dB（圖 4）;和 65dB ACLR，帶有 2.6GHz 的 2 載波 LTE（圖 5）。憑借這種性能，該DAC可用于多個奈奎斯特區(qū)中各種數(shù)字調(diào)制信號的直接數(shù)字合成。因此，它可作為多標(biāo)準(zhǔn)和多頻段無線基站發(fā)射器的通用硬件平臺。

圖3.MAX5879在940MHz和2.3Gsps（第一奈奎斯特區(qū)）時具有4載波GSM性能。

圖4.MAX5879 4載波WCDMA性能，工作頻率為2140MHz和2.3Gsps （第二奈奎斯特區(qū)）。

圖5.MAX5879為2載波LTE性能，工作頻率為2650MHz和2.3Gsps （第三奈奎斯特區(qū)）。

直接射頻發(fā)射器的應(yīng)用

MAX5879 DAC還可以在奈奎斯特區(qū)內(nèi)同時發(fā)送多個載波。此功能現(xiàn)在通常用于下游有線電視發(fā)射器，其中多個QAM調(diào)制信號在50MHz至1000MHz頻段傳輸。對于該應(yīng)用，與其他發(fā)射器架構(gòu)相比，直接射頻發(fā)射器可以實(shí)現(xiàn)載波密度的20至30倍。此外，由于單個寬帶直接RF發(fā)射器可以取代多個無線電發(fā)射器，因此設(shè)計將大幅降低功耗和有線電視前端的面積。

使用MAX5879的直接RF發(fā)送器在需要寬信號帶寬和高輸出頻率的其它應(yīng)用中也具有優(yōu)勢。例如，隨著越來越多的智能手機(jī)和平板電腦被使用，無線基站將需要更大的帶寬。因此，許多服務(wù)于這些器件的現(xiàn)有發(fā)送器將被MAX5879等高性能RF DAC支持的直接RF發(fā)送器所取代也就不足為奇了。

總結(jié)

支持RF DAC的發(fā)射器以比傳統(tǒng)架構(gòu)高得多的帶寬進(jìn)行傳輸。它不會影響動態(tài)性能。它還允許FPGA或ASIC省去模擬正交調(diào)制器和LO頻率合成器，從而提高無線電發(fā)射器的可靠性。這種方法還可以減少元件數(shù)量，并且在許多情況下還可以降低功耗。

審核編輯：郭婷