高性能射頻調(diào)制器促成多載波通信發(fā)送器設(shè)計(jì)

圖1. 超外差變換和直接變換結(jié)構(gòu)框圖

多載波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
多載波結(jié)構(gòu)降低了發(fā)射通道數(shù)，直接變換結(jié)構(gòu)由基帶信號(hào)直接變換成射頻信號(hào)，從而減少了每個(gè)通道的元器件數(shù)量。這兩種結(jié)構(gòu)都要求寬動(dòng)態(tài)范圍和高線性度的元器件來(lái)滿足整個(gè)系統(tǒng)的要求。圖2給出了一個(gè)直接變換發(fā)送器結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)大大降低了轉(zhuǎn)換處理的級(jí)數(shù)。多級(jí)混頻器、放大器、中頻和射頻濾波都由一個(gè)單片集成方案所替代。

圖2. 直接變換結(jié)構(gòu)

直到近期，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和直接變換調(diào)制器的性能還不足以支持3G多載波蜂窩基站的要求。新一代通信基站的發(fā)送器設(shè)計(jì)即要求低成本又要求更加靈活的解決方案，在搭建基礎(chǔ)發(fā)射架構(gòu)的過(guò)程中，射頻調(diào)制器的選擇起著舉足輕重的作用。

用單發(fā)射器結(jié)構(gòu)解決上述問(wèn)題
Maxim近期推出了一款直接正交射頻調(diào)制器MAX2022，能夠滿足這些需求。這款器件提供極寬的動(dòng)態(tài)范圍，為發(fā)送器設(shè)計(jì)者在整個(gè)系統(tǒng)性能優(yōu)化方面提供了極大支持。

它具有非常高的OIP2和OIP3，配合接近-174dBm/Hz的輸出噪聲基底,可確保真正的多載波性能。單一發(fā)送器架構(gòu)可以支持多種類型的調(diào)制方式，從CDMA2000、WCDMA到OFDM，并支持多達(dá)9個(gè)載波。在發(fā)送器設(shè)計(jì)中充分利用這些調(diào)制性能，可以有效降低系統(tǒng)的硬件需求，從而降低成本，并可提高鏈路的靈活性。

MAX2022采用硅鍺工藝，覆蓋了1500MHz至2500MHz頻率范圍。圖3所示為本電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3. MAX2022射頻調(diào)制器性能

MAX2022具有內(nèi)部50匹配的單端本振輸入，允許本振的輸入驅(qū)動(dòng)范圍是-3dBm到+3dBm。本振經(jīng)過(guò)內(nèi)部緩沖，由一個(gè)正交分路器分成兩部分，分別送到兩個(gè)無(wú)源混頻器。I、Q正交輸入為差分輸入，具有44輸入阻抗。大于1GHz的輸入帶寬使這款芯片既可以作為一個(gè)基帶直接到射頻的調(diào)制器，也可以作為一個(gè)具有正交中頻輸入的鏡頻抑制混頻器。正交輸入可直接與電流輸出DAC接口，省去了中間緩沖放大器，傳統(tǒng)方案中的中間級(jí)緩沖放大器既限制了性能又增加了成本?；祛l器將信號(hào)混頻后送到內(nèi)部50匹配的單端射頻輸出。

MAX2022射頻調(diào)制器性能
射頻調(diào)制器的性能由幾個(gè)獨(dú)立的參數(shù)決定，MAX2022在所有相關(guān)領(lǐng)域都有出色的表現(xiàn)。在P1dB為+12dBm時(shí)，OIP3為+22dBm。多載波之間的互調(diào)取決于OIP3，較高的OIP3可以確保較低的互調(diào)失真，OIP2是另外一個(gè)針對(duì)零中頻應(yīng)用的重要參數(shù)。MAX2022在UMTS波段的OIP2為+50dBm，OIP2對(duì)基帶信號(hào)意義重大，基帶信號(hào)的二次諧波將在射頻輸出產(chǎn)生頻譜擴(kuò)展，從而損害ACLR性能。較高的OIP2可以確保較低的ACLR失真。圖4所示是對(duì)該款芯片OIP2、OIP3測(cè)試結(jié)果，以及輸出功率在1500MHz至2500MHz頻率范圍內(nèi)的變化曲線。

圖4. MAX2022 OIP2、OIP3、P_OUT與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

與無(wú)源混頻器相比，MAX2022的噪聲基底指標(biāo)得到極大的改善。這些器件在典型輸出信號(hào)幅度下噪聲電平接近-174dBm/Hz。本振緩沖器的相位噪聲會(huì)對(duì)大于-10dBm的信號(hào)產(chǎn)生影響，不過(guò)，緩沖器-164dBc/Hz的超低相位噪聲設(shè)計(jì)能夠保證系統(tǒng)的性能。

圖5. 噪聲基底與輸出功率

射頻調(diào)制器的另一關(guān)鍵指標(biāo)是動(dòng)態(tài)范圍，定義為最大有效信號(hào)電平(表示為P1dB)與噪聲基底之差。MAX2022具有186dB的動(dòng)態(tài)范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其它集成射頻調(diào)制器。

在PCS和UMTS波段，本振泄漏小于-40dBm，邊帶抑制優(yōu)于45dB。數(shù)字預(yù)校準(zhǔn)控制環(huán)路可以近一步優(yōu)化性能，使本振泄漏低于-80dBm、邊帶抑制優(yōu)于60dB。射頻通帶平坦度在100MHz帶寬內(nèi)優(yōu)于0.5dB，非常適合寬帶系統(tǒng)。

工作在UMTS波段的多載波WCDMA
多項(xiàng)性能指標(biāo)綜合體現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)在于多載波的互調(diào)特性。從本文可以看出，MAX2022能夠提供出眾的性能。

作為一個(gè)例子，我們考慮一個(gè)4載波WCDMA調(diào)制信號(hào)，發(fā)送器設(shè)計(jì)必須符合WCDMA載波本身的帶寬要求，等于20MHz。另外，為修正由功率放大器造成的后續(xù)失真，需要給發(fā)射信號(hào)加入數(shù)字預(yù)失真，這樣，帶寬要求可能超出100MHz。圖6給出了這種信號(hào)的頻譜。

圖6. 4載波UMTS頻譜

從圖中可以看出超常寬帶使發(fā)送器輸出頻譜超出了UMTS的帶寬限制。這要求發(fā)送器的噪聲指標(biāo)必須符合發(fā)送器模板的要求，超出頻帶邊緣，但不需要射頻濾波器來(lái)處理雜散信號(hào)和噪聲電平。這對(duì)射頻調(diào)制器提出了很高的要求，MAX2022的寬頻帶和大動(dòng)態(tài)范圍可以支持這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖7所示是在UMTS波段產(chǎn)生的單載波、雙載波以及4載波WCDMA的ACLR性能。基于超寬的動(dòng)態(tài)范圍，MAX2022可以在非常寬的輸出功率范圍維持良好的ACLR。圖中還提供了噪聲性能，以說(shuō)明在指定的ACLR指標(biāo)下所能提供的動(dòng)態(tài)范圍。例如，對(duì)于-28dBm/載波的4載波WCDMA信號(hào)，ACLR可以達(dá)到66dB，輸出噪聲基底為-173.5dBm/Hz。

圖7. 1、2或4載波WCDMA信號(hào)的 ACLR和噪聲性能

MAX2022的良好性能同樣可以用來(lái)產(chǎn)生其它類型的調(diào)制，例如OFDM、QAM等。在CDMA2000和TD-SCDMA系統(tǒng)中可以支持到9載波。一系列的硬件配置可以實(shí)現(xiàn)任何調(diào)制方式。

系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)
高度集成的MAX2022的接口設(shè)計(jì)使它對(duì)外圍輔助電路的要求非常少，降低了系統(tǒng)成本。內(nèi)部匹配的本振緩沖器和平衡變換器設(shè)計(jì)允許在-3dBm到+3dBm的低本振功率水平使用單端本振接口。集成的射頻平衡變換器允許50阻抗匹配的單端射頻輸出?；鶐盘?hào)的I和Q分量輸入采用差分輸入接口，具有44內(nèi)部阻抗匹配。這些特性使得芯片可以直接與高性能的電流輸出DAC連接，不需要中間緩沖放大器。按照MAX2022的性能指標(biāo)，要找到一個(gè)不降低器件自身性能的外部基帶放大器很困難。幸運(yùn)的是，在MAX2022應(yīng)用配置中，這些基帶放大器并不是必須的。圖8提供了一個(gè)DAC與MAX2022終端接口的推薦電路。50到地的電阻提供了適當(dāng)?shù)腄AC端接，20mA典型值的峰值電流可對(duì)應(yīng)產(chǎn)生0dBm的基帶輸入。

圖8. DAC與基帶輸入接口

為確保MAX2022的性能指標(biāo)，必須進(jìn)行仔細(xì)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。圖9是一個(gè)推薦配置，帶有數(shù)字預(yù)失真能力的4載波WCDMA調(diào)制。圖中標(biāo)出了該電路每一級(jí)的輸出信號(hào)電平、噪聲電平以及ACLR。

圖9. Tx信號(hào)分析

從DAC開始，我們要求一個(gè)可以產(chǎn)生50MHz帶寬的器件，并且ACLR遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于這個(gè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)值65dB，同時(shí)噪聲和雜散電平要比較低。MAX5895是一個(gè)可以滿足這些要求的器件。關(guān)鍵的DAC指標(biāo)是4載波工作下的ACLR，以及噪聲和雜散電平。在這個(gè)應(yīng)用中推薦使用內(nèi)插式DAC，這類DAC能夠在相對(duì)較低的輸入數(shù)據(jù)速率下運(yùn)行在較高輸出采樣率。這時(shí)，插值濾波器的衰減很關(guān)鍵，因?yàn)镈AC后續(xù)的低通濾波器對(duì)臨近插值鏡頻分量沒(méi)有足夠的衰減。內(nèi)插式DAC會(huì)在基帶輸入數(shù)據(jù)速率的整數(shù)倍處產(chǎn)生鏡頻分量。如果沒(méi)有在調(diào)制器的輸入級(jí)消除這些分量，鏡頻分量會(huì)在調(diào)制器的輸出產(chǎn)生嚴(yán)重的邊帶。MAX5895 95dB內(nèi)插鏡頻抑制對(duì)于這類應(yīng)用非常理想。這從根本上降低了DAC后續(xù)濾波器的復(fù)雜性。

從調(diào)制器輸出可以看出，調(diào)制器輸出信號(hào)電平為每載波-28dBm，共計(jì)-22dBm。調(diào)制器性能決定ACLR為+66dB (DAC指標(biāo)對(duì)其沒(méi)有限制)。然而，噪聲基底已經(jīng)從調(diào)制器的-174dBm/Hz增大到-170dBm/Hz。這是由級(jí)聯(lián)的DAC噪聲電平造成的。因此，為了得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)，必須仔細(xì)的選擇線路中的每個(gè)單元。

RF放大器需具有非常低的噪聲系數(shù)和適當(dāng)?shù)腛IP3，避免級(jí)聯(lián)ACLR的劣化。如果增益為12dB，這一級(jí)的OIP3最好大于+30dBm。選擇高OIP3的輸出級(jí)可以避免級(jí)聯(lián)ACLR的劣化。可以選用射頻可調(diào)增益放大器MAX2057，它能夠調(diào)節(jié)整個(gè)環(huán)路的增益。+37dBm的OIP3確保級(jí)聯(lián)ACLR保持在+65dB。

當(dāng)每載波維持在-139dBc/Hz的噪聲基底時(shí)，此發(fā)送器應(yīng)可以產(chǎn)生+65dB的ACLR。這樣的噪聲基底和雜散電平是在沒(méi)有射頻濾波器的情況下得到的?？梢栽诙嗖ǘ蜗到y(tǒng)中采用相同的硬件配置，不需要作任何改動(dòng)。

結(jié)論
新型調(diào)制器MAX2022使發(fā)送設(shè)備能夠達(dá)到一個(gè)新的水準(zhǔn)。可以構(gòu)成零中頻和鏡頻抑制方案。利用該器件可以很容易地改善系統(tǒng)指標(biāo)、降低成本，實(shí)現(xiàn)一個(gè)靈活的發(fā)送器架構(gòu)，幫助設(shè)計(jì)人員提高發(fā)送器的設(shè)計(jì)效率。

類似文章發(fā)表于Microwaves & RF 2005第4期。