为无线通信实现直接RF发射器

本应用笔记总结了零中频、复中频、高（实）中频和直接射频的RF发送器架构，然后详细介绍了直接RF发射器在无线应用中的优势，这些优势随着智能手机和平板电脑使用量的增加而增加。如应用笔记所示，采用高性能DAC的直接RF架构具有优势，可在合成超宽带信号时减少元件数量并降低功耗。

介绍

多年来，无线电发射器已经从真正的IF（中频）发射器发展到复杂的IF发射器，再到零IF发射器。但是，这些常用体系结构仍然存在相关限制。一种较新的方法，即直接射频无线电发射器，可以克服传统发射器的局限性。本文比较了用于无线通信的各种无线电发射器架构。由高性能数模转换器（DAC）支持的直接RF无线电发射器将显示出与传统技术相比具有明显的优势。直接到RF无线电发射器也有其自身的挑战，但它为真正的软件定义无线电发射器铺平了道路。

RF DAC，如14位2.3Gsps MAX5879，是直接至RF架构的基本元件。该DAC在宽至1GHz的带宽下实现了出色的杂散和噪声性能。它具有在第二和第三奈奎斯特区进行发射的新方法，因此可以在高达3GHz的输出频率下执行RF合成。测量结果验证了DAC的性能。

传统射频发射器架构

在过去的几十年里，传统的发射器架构是基于超外差原理实现的，其中使用本振（LO）和混频器产生中频（IF）。混频器通常在LO周围创建两个镜像，称为边带。然后通过滤除其中一个边带来获得所需的信号。现代无线电发射器，特别是无线基站（BTS）中使用的无线电发射器，通常在基带上使用复杂的同相（I）和正交相位（Q）符号来获取数字调制信号。

图1.无线电发射机架构。

复杂中频发射器

因此，复基带数字信号在基带有两条路径，I和Q。以这种方式使用两条信号路径有一个优点：当使用模拟正交调制器（MOD）组合两个复数中频信号时，其中一个中频边带被消除。然而，由于I和Q路径的不对称性，调制器镜像的理想消除永远无法实现。这种复杂的IF架构如图1（B）所示。在这里，复数基带I和Q信号值（通过因子R），并使用数字复数调制器和充当LO的数控振荡器（NCO）调制为复数IF载波。然后，双通道DAC将数字I和Q IF载波转换为模拟载波，并将其馈送到调制器。为了进一步增加不需要边带的衰减，使用了带通滤波器（BPF）。

零中频发射器

在图1（A）所示的零中频（ZIF）发射器中，基带上的数字复数信号只需插值以降低滤波要求，然后馈送到DAC。DAC的复数模拟输出仍位于基带（DC）处，被馈送到模拟正交调制器。使用复杂信号的“魔力”在ZIF架构中显而易见，因为整个调制信号以精确的LO频率转换为RF载波。然而，LO馈通以及I和Q路径中的不对称等缺陷会导致LO杂散和落在发射信号内的反向信号镜像。这反过来又会降低信号的误码率。在多载波发射器中，图像可能与载波相邻，然后产生带内杂散发射。在无线电发射器中经常实施复杂的数字预失真方案，以抵消这些各种缺陷。

直接射频发射器

在图1（D）所示的直接RF发射器中，正交解调器在数字域中实现，LO由NCO取代。这导致I和Q路径具有近乎完美的对称性，几乎没有LO馈通。因此，数字调制器的输出是一个数字RF载波，馈送到一个非常高速的DAC。由于DAC的输出是离散时间，因此也会创建与DAC时钟频率（CLK）等距的混叠镜像。DAC输出由BPF滤波以选择RF载波，然后馈送到可变增益放大器（VGA）。

高中频发射器

这种直接RF发射器方案也可用于生成高“真实”（而不是复杂）数字IF载波，如图1（C）所示。这里的DAC将数字IF转换为模拟IF载波。DAC之后的带通滤波器用于隔离所需的IF镜像。然后将该真实IF馈送到混频器，混频器产生该IF信号的两个边带与LO混合。然后，所需的RF边带由另一个带通滤波器隔离。

很明显，直接RF架构需要最少的有源元件。由于模拟正交调制器和LO可以在带有数字正交调制器和NCO的FPGA或ASIC中实现，因此直接RF架构消除了I和Q不平衡误差以及LO馈通。此外，由于DAC通常以高得多的采样速率工作，因此更容易合成非常宽带的信号，同时保持滤波要求可控。

高性能DAC是直接RF架构成为传统无线电发射器的可行替代方案的重要组成部分。该DAC需要产生高达2GHz及以上的RF载波，其动态性能通常在基带或使用其他架构的IF上实现。MAX5879就是这样一种高性能DAC。

使用MAX5879 DAC作为直接RF发送器

MAX5879是一款14位2.3Gsps射频DAC，具有超过2GHz的输出带宽、极低噪声和低杂散性能，专为直接RF发送器而设计。其频率响应（图2）可以通过改变其脉冲响应来修改。不归零 （NRZ） 模式用于第一奈奎斯特区的输出。射频 （RF） 模式将输出功率集中在第二和第三奈奎斯特区。归零 （RZ） 模式在多个奈奎斯特区提供更平坦的响应，但输出功率更低。

MAX5879的独特之处在于RFZ模式。RFZ模式是RF模式的“零填充”，因此进入DAC的输入采样速率是其他模式的一半。这种模式对于合成带宽较低的信号很有用，同时保留了在上奈奎斯特区以更高频率输出信号的优势。因此，MAX5879 DAC可用于合成远超出其采样速率的调制载波，仅受2+GHz模拟输出带宽的限制。

图2.MAX5879 DAC的频率响应可选。

MAX5879在940MHz时对4载波GSM信号的互调失真超过74dB（图3）;2.1GHz 的 4 载波 WCDMA 信号的邻道泄漏比 （ACLR） 为 67dB（图 4）;和 65dB ACLR，带有 2.6GHz 的 2 载波 LTE（图 5）。凭借这种性能，该DAC可用于多个奈奎斯特区中各种数字调制信号的直接数字合成。因此，它可作为多标准和多频段无线基站发射器的通用硬件平台。

图3.MAX5879在940MHz和2.3Gsps（第一奈奎斯特区）时具有4载波GSM性能。

图4.MAX5879 4载波WCDMA性能，工作频率为2140MHz和2.3Gsps （第二奈奎斯特区）。

图5.MAX5879为2载波LTE性能，工作频率为2650MHz和2.3Gsps （第三奈奎斯特区）。

直接射频发射器的应用

MAX5879 DAC还可以在奈奎斯特区内同时发送多个载波。此功能现在通常用于下游有线电视发射器，其中多个QAM调制信号在50MHz至1000MHz频段传输。对于该应用，与其他发射器架构相比，直接射频发射器可以实现载波密度的20至30倍。此外，由于单个宽带直接RF发射器可以取代多个无线电发射器，因此设计将大幅降低功耗和有线电视前端的面积。

使用MAX5879的直接RF发送器在需要宽信号带宽和高输出频率的其它应用中也具有优势。例如，随着越来越多的智能手机和平板电脑被使用，无线基站将需要更大的带宽。因此，许多服务于这些器件的现有发送器将被MAX5879等高性能RF DAC支持的直接RF发送器所取代也就不足为奇了。

总结

支持RF DAC的发射器以比传统架构高得多的带宽进行传输。它不会影响动态性能。它还允许FPGA或ASIC省去模拟正交调制器和LO频率合成器，从而提高无线电发射器的可靠性。这种方法还可以减少元件数量，并且在许多情况下还可以降低功耗。

审核编辑：郭婷