无线通信RF直接变频发送器

刘工在呢

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。

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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