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    射頻直接轉換發射機的優勢是什麼?

    經過幾年的發展,無線電發射機已逐漸從簡單的中頻傳輸架構過渡到正交中頻發射機和零中頻發射機。 但是,這些體系結構仍然有局限性。 最新的RF直接轉換發射機可以克服傳統發射機的局限性。 本文比較了無線通信中不同傳輸體系結構的特徵。 RF直接轉換發射機使用高性能的數模轉換器(DAC),與傳統技術相比,它具有明顯的優勢。 射頻直接轉換發射機也有其自身的挑戰,但它為實現真正的軟件無線電傳輸架構鋪平了道路。
    RF DAC,例如14位2.3Gsps MAX5879,是RF直接轉換架構的關鍵電路。 該DAC可在1GHz帶寬內提供出色的寄生和噪聲性能。 該器件在第二和第三奈奎斯特頻帶中採用創新設計,支持信號傳輸,並且可以合成輸出頻率高達3GHz的射頻信號。 測量結果驗證了DAC的性能。

    傳統射頻發射機架構

    在過去的幾十年中,傳統的發射機架構已用於實現超外差設計,它使用本地振盪器(LO)和混頻器生成中頻(IF)。 混頻器通常在LO附近生成兩個鏡像頻率(稱為邊帶),並通過濾除其中一個邊帶來獲得有用的信號。 現代無線傳輸系統,尤其是基站(BTS)發射機,大多對基帶數字調製信號執行I和Q正交調製。

    0傳統的射頻發射機架構

    在過去的幾十年中,傳統的發射機架構已用於實現超外差設計,它使用本地振盪器(LO)和混頻器生成中頻(IF)。 混頻器通常在LO附近生成兩個鏡像頻率(稱為邊帶),並通過濾除其中一個邊帶來獲得有用的信號。 現代無線傳輸系統,尤其是基站(BTS)發射機,大多對基帶數字調製信號執行I和Q正交調製。

    圖1.無線發射機架構。


    正交中頻發射機

    復基帶數字信號在基帶中具有兩條路徑:I和Q。使用兩條信號路徑的優勢在於,當使用模擬正交調製器(MOD)合成兩個複數IF信號時,消除了IF邊帶之一。 但是,由於I和Q通道的不對稱性,調製器的鏡像頻率將不會完美偏移。 這種正交中頻架構如圖1(B)所示。 在圖中,數字正交調製器和LO數控振盪器(NCO)用於對I和Q基帶信號(係數R)進行插值並將其調製為正移交IF載波。 然後,雙DAC將數字I和Q IF載波轉換為模擬信號,並將其發送到調製器。 為了進一步增加對無用邊帶的抑制,系統還使用了帶通濾波器(BPF)。


    零中頻發射機

    在圖1(A)所示的零中頻(ZIF)發射機中,對基帶數字正交信號進行內插以滿足濾波要求。 然後將其發送到DAC。 DAC的正交模擬輸出也被發送到基帶的模擬正交調製器。 由於整個調製信號都以LO頻率轉換為RF載波,因此ZIF架構確實突出了正交混頻的“魅力”。 但是,考慮到I和Q路徑不是理想的路徑,例如LO洩漏和不對稱,將會生成反相信號圖像(位於發射信號的範圍內),從而導致信號錯誤。 在多載波發射機中,圖像信號可能靠近載波,從而導致帶內雜散輻射。 無線發射機通常使用複雜的數字預失真來補償此類缺陷。

    在圖1(D)所示的RF直接轉換發射機中,在數字域中使用了正交解調器,並用NCO代替了LO,從而在I和Q通道中獲得了幾乎完美的對稱性,並且基本上沒有LO洩漏。 因此,數字調製器的輸出是數字RF載波,該載波被發送到超高速DAC。 由於DAC輸出是離散時間信號,因此會產生與DAC時鐘頻率(CLK)相等的混疊鏡像頻率。 BPF對DAC輸出進行濾波,選擇RF載波,然後將其發送到可變增益放大器(VGA)。


    高中頻發射機

    RF直接轉換發射機也可以使用此方法來生成更高的中頻數字載波,如圖1(C)所示。 此處,DAC將數字中頻轉換為模擬中頻載波。 在DAC之後,使用帶通濾波器的頻率選擇特性來濾除中頻鏡像頻率。 然後,將所需的中頻信號發送到混頻器,以生成兩個邊帶,其中IF信號與LO混合,並由另一個帶通濾波器進行濾波以獲得所需的RF邊帶。

    顯然,RF直接轉換架構需要最少的有源組件。 由於使用具有數字正交調製器和NCO的FPGA或ASIC來代替模擬正交調製器和LO,因此RF直接頻率轉換架構避免了I和Q通道的不平衡誤差以及LO洩漏。 此外,由於DAC的採樣率非常高,因此在確保滿足濾波要求的同時,更易於合成寬帶信號。

    高性能DAC是RF直接轉換架構替代傳統無線發射機的關鍵組件。 DAC需要生成高達2GHz或更高的射頻載波,並且動態性能必須達到其他架構提供的基帶或中頻性能。 MAX5879是一款高性能的DAC。

    利用MAX5879 DAC實現RF直接轉換發送器

    MAX5879是一款14位,2.3Gsps RF DAC,輸出帶寬大於2GHz,具有超低噪聲和低雜散性能,設計用於RF直接轉換發射機。 可以通過更改其脈衝響應來設置其頻率響應(圖2),並且不歸零(NRZ)模式用於第一個奈奎斯特頻帶輸出。 RF模式著重於第二和第三奈奎斯特頻帶的輸出功率。 歸零(RZ)模式在多個奈奎斯特頻帶中提供平坦的響應,但輸出功率較低。 MAX5879的獨特功能是RFZ模式。 RFZ模式是“零填充”射頻模式,因此DAC輸入採樣率是其他模式的一半。 此模式對於合成帶寬較低的信號非常有用,並且可以在高階奈奎斯特頻帶中輸出高頻信號。 因此,MAX5879 DAC可用於合成超出其採樣率的調製載波,僅受2 + GHz模擬輸出帶寬的限制。

    圖2. MAX5879 DAC的可選頻率響應特性。 MAX5879性能測試表明,在4MHz下,四載波GSM信號的互調失真大於74dB(圖940); 在3GHz,2.1載波WCDMA信號的相鄰信道洩漏功率比(ACLR)為4dB(圖67); 在4GHz頻率下,兩載波LTE的ACLR為2.6dB(圖2)。 具有此性能的DAC可以支持多奈奎斯特頻帶中各種數字調製信號的直接數字合成,並且可以用作多標準,多頻帶無線基站發送器的通用硬件。

    圖3. MAX5879 4載波GSM性能測試,940MHz和2.3Gsps(第一奈奎斯特頻帶)。

    圖4. 5879MHz和4Gsps(第二奈奎斯特頻帶)MAX2140 2.3載波WCDMA性能測試。

    圖5. MAX5879 2載波LTE性能測試,2650MHz和2.3Gsps(第三奈奎斯特頻帶)。


    射頻直接轉換發射機應用

    MAX5879 DAC還可以同時在奈奎斯特頻帶中發送多個載波。 當前在有線電視的下行鏈路傳輸鏈路中使用此功能,以在50MHz至1000MHz頻帶中發送多個QAM調製信號。 對於此應用,RF直接轉換發射機支持的載波密度是其他傳輸架構的20-30倍。 此外,由於單個寬帶RF直接轉換發射機取代了多個無線發射機,因此大大降低了有線電視前端的功耗和麵積。
    基於MAX5879的RF直接轉換發射機可用於寬帶和高頻輸出應用。 例如,隨著智能電話和平板計算機的日益普及,無線基站將需要更寬的頻帶。 毫無疑問,支持此類設備的當前發送器將逐漸被基於高性能RF DAC(例如MAX5879)的RF直接轉換發送器取代。


    總結一下

    基於RF DAC的發射機具有遠遠超過傳統架構的傳輸帶寬,而不會損失動態性能。 它可以使用FPGA或ASIC實施,從而無需模擬正交調製器和LO合成器,從而提高了無線發射機Sex的可靠性。 該方案還大大減少了組件數量,並且在大多數情況下還減少了系統功耗。

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