【導讀】蜂窩發(fā)送器的設計依賴于能夠保持高線性度和高動態(tài)范圍的高性能RF調制器。隨著多載波發(fā)送器的增長，RF調制器必須保持低噪聲基底，從而提供較高的性能指標，通常取決于二階或三階互調。本文討論了這些需求，并說明MAX2022能夠滿足典型四載波WCDMA發(fā)送架構的要求。
概述
現(xiàn)有的蜂窩基站大多采用超外差結構發(fā)送或接收射頻信號。這種結構需要兩次變頻或更多的上、下變頻級、中間濾波和模擬信號處理。圖1的上半部分給出了一個兩級轉換蜂窩基站的典型超外差發(fā)送框圖，很多此類發(fā)送器已經被應用在單載波系統(tǒng)。因為多載波發(fā)送器是從單載波發(fā)送器復制得到的，所以引入了更多的系統(tǒng)硬件。為了努力降低發(fā)送器的成本，許多系統(tǒng)設計者開始轉向多載波發(fā)送器和簡單的直接變換射頻結構。
圖1. 超外差變換和直接變換結構框圖
多載波結構的設計挑戰(zhàn)
多載波結構降低了發(fā)射通道數(shù)，直接變換結構由基帶信號直接變換成射頻信號，從而減少了每個通道的元器件數(shù)量。這兩種結構都要求寬動態(tài)范圍和高線性度的元器件來滿足整個系統(tǒng)的要求。圖2給出了一個直接變換發(fā)送器結構。這種特殊結構大大降低了轉換處理的級數(shù)。多級混頻器、放大器、中頻和射頻濾波都由一個單片集成方案所替代。
圖2. 直接變換結構
直到近期，數(shù)模轉換器(DAC)和直接變換調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)送器設計即要求低成本又要求更加靈活的解決方案，在搭建基礎發(fā)射架構的過程中，射頻調制器的選擇起著舉足輕重的作用。
用單發(fā)射器結構解決上述問題
Maxim近期推出了一款直接正交射頻調制器MAX2022，能夠滿足這些需求。這款器件提供極寬的動態(tài)范圍，為發(fā)送器設計者在整個系統(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)送器架構可以支持多種類型的調制方式，從CDMA2000、WCDMA到OFDM，并支持多達9個載波。在發(fā)送器設計中充分利用這些調制性能，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所示為本電路的內部結構。
圖3. MAX2022射頻調制器性能
MAX2022具有內部50Ω匹配的單端本振輸入，允許本振的輸入驅動范圍是-3dBm到+3dBm。本振經過內部緩沖，由一個正交分路器分成兩部分，分別送到兩個無源混頻器。I、Q正交輸入為差分輸入，具有44Ω輸入阻抗。大于1GHz的輸入帶寬使這款芯片既可以作為一個基帶直接到射頻的調制器，也可以作為一個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)方案中的中間級緩沖放大器既限制了性能又增加了成本?；祛l器將信號混頻后送到內部50Ω匹配的單端射頻輸出。
MAX2022射頻調制器性能
射頻調制器的性能由幾個獨立的參數(shù)決定，MAX2022在所有相關領域都有出色的表現(xiàn)。在P1dB為+12dBm時，OIP3為+22dBm。多載波之間的互調取決于OIP3，較高的OIP3可以確保較低的互調失真，OIP2是另外一個針對零中頻應用的重要參數(shù)。MAX2022在UMTS波段的OIP2為+50dBm，OIP2對基帶信號意義重大，基帶信號的二次諧波將在射頻輸出產生頻譜擴展，從而損害ACLR性能。較高的OIP2可以確保較低的ACLR失真。圖4所示是對該款芯片OIP2、OIP3測試結果，以及輸出功率在1500MHz至2500MHz頻率范圍內的變化曲線。
圖4. MAX2022 OIP2、OIP3、POUT與頻率的對應關系
與無源混頻器相比，MAX2022的噪聲基底指標得到極大的改善。這些器件在典型輸出信號幅度下噪聲電平接近-174dBm/Hz。本振緩沖器的相位噪聲會對大于-10dBm的信號產生影響，不過，緩沖器-164dBc/Hz的超低相位噪聲設計能夠保證系統(tǒng)的性能。
圖5. 噪聲基底與輸出功率
射頻調制器的另一關鍵指標是動態(tài)范圍，定義為最大有效信號電平(表示為P1dB)與噪聲基底之差。MAX2022具有186dB的動態(tài)范圍，遠遠超過了其它集成射頻調制器。
在PCS和UMTS波段，本振泄漏小于-40dBm，邊帶抑制優(yōu)于45dB。數(shù)字預校準控制環(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
多項性能指標綜合體現(xiàn)出的優(yōu)勢在于多載波的互調特性。從本文可以看出，MAX2022能夠提供出眾的性能。
作為一個例子，我們考慮一個4載波WCDMA調制信號，發(fā)送器設計必須符合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)射信號加入數(shù)字預失真，這樣，帶寬要求可能超出100MHz。圖6給出了這種信號的頻譜。
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處理雜散信號和噪聲電平。這對射頻調制器提出了很高的要求，MAX2022的寬頻帶和大動態(tài)范圍可以支持這樣的系統(tǒng)設計。
圖7所示是在UMTS波段產生的單載波、雙載波以及4載波WCDMA的ACLR性能?；诔瑢挼膭討B(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，以說明在指定的ACLR指標下所能提供的動態(tài)范圍。例如，對于-28dBm/載波的4載波WCDMA信號，ACLR可以達到66dB，輸出噪聲基底為-173.5dBm/Hz。
圖7. 1、2或4載波WCDMA信號的ACLR和噪聲性能
MAX2022的良好性能同樣可以用來產生其它類型的調制，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現(xiàn)任何調制方式。
系統(tǒng)級設計
高度集成的MAX2022的接口設計使它對外圍輔助電路的要求非常少，降低了系統(tǒng)成本。內部匹配的本振緩沖器和平衡變換器設計允許在-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50Ω阻抗匹配的單端射頻輸出?；鶐盘柕腎和Q分量輸入采用差分輸入接口，具有44Ω內部阻抗匹配。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，要找到一個不降低器件自身性能的外部基帶放大器很困難。幸運的是，在MAX2022應用配置中，這些基帶放大器并不是必須的。圖8提供了一個DAC與MAX2022終端接口的推薦電路。50Ω到地的電阻提供了適當?shù)腄AC端接，20mA典型值的峰值電流可對應產生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，必須進行仔細的系統(tǒng)級設計。圖9是一個推薦配置，帶有數(shù)字預失真能力的4載波WCDMA調制。圖中標出了該電路每一級的輸出信號電平、噪聲電平以及ACLR。
圖9. Tx信號分析
從DAC開始，我們要求一個可以產生50MHz帶寬的器件，并且ACLR遠遠優(yōu)于這個設計的目標值65dB，同時噪聲和雜散電平要比較低。MAX5895是一個可以滿足這些要求的器件。關鍵的DAC指標是4載波工作下的ACLR，以及噪聲和雜散電平。在這個應用中推薦使用內插式DAC，這類DAC能夠在相對較低的輸入數(shù)據(jù)速率下運行在較高輸出采樣率。這時，插值濾波器的衰減很關鍵，因為DAC后續(xù)的低通濾波器對臨近插值鏡頻分量沒有足夠的衰減。內插式DAC會在基帶輸入數(shù)據(jù)速率的整數(shù)倍處產生鏡頻分量。如果沒有在調制器的輸入級消除這些分量，鏡頻分量會在調制器的輸出產生嚴重的邊帶。MAX5895 95dB內插鏡頻抑制對于這類應用非常理想。這從根本上降低了DAC后續(xù)濾波器的復雜性。
從調制器輸出可以看出，調制器輸出信號電平為每載波-28dBm，共計-22dBm。調制器性能決定ACLR為+66dB (DAC指標對其沒有限制)。然而，噪聲基底已經從調制器的-174dBm/Hz增大到-170dBm/Hz。這是由級聯(lián)的DAC噪聲電平造成的。因此，為了得到最優(yōu)的設計，必須仔細的選擇線路中的每個單元。
RF放大器需具有非常低的噪聲系數(shù)和適當?shù)腛IP3，避免級聯(lián)ACLR的劣化。如果增益為12dB，這一級的OIP3最好大于+30dBm。選擇高OIP3的輸出級可以避免級聯(lián)ACLR的劣化?？梢赃x用射頻可調增益放大器MAX2057，它能夠調節(jié)整個環(huán)路的增益。+37dBm的OIP3確保級聯(lián)ACLR保持在+65dB。
當每載波維持在-139dBc/Hz的噪聲基底時，此發(fā)送器應可以產生+65dB的ACLR。這樣的噪聲基底和雜散電平是在沒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。
結論
新型調制器MAX2022使發(fā)送設備能夠達到一個新的水準。可以構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、降低成本，實現(xiàn)一個靈活的發(fā)送器架構，幫助設計人員提高發(fā)送器的設計效率。
本文來源于Maxim。
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