无线通信RF直接变频发送器
引言
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。
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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）。
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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。
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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。
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