无线通信RF直接变频发送器
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。
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。
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。
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)。
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。
