采用RF DAC的多頻段、多標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射器設(shè)計(jì)

作者：Assaf Toledano and Yi Zhang

無線通信網(wǎng)絡(luò)正在迅速發(fā)展。消費(fèi)者對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)需求的快速擴(kuò)展要求覆蓋范圍更廣，帶寬更高，同時(shí)多種空氣標(biāo)準(zhǔn)并存。不同的無線電技術(shù)和不斷增加的頻率分配使控制網(wǎng)絡(luò)和降低成本變得更加復(fù)雜。無線服務(wù)提供商正在尋找解決方案，不僅要保護(hù)其現(xiàn)有投資，還要簡(jiǎn)化系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)未來的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)和容量擴(kuò)展。

要滿足所有這些需求，需要一種高效且相對(duì)便宜的解決方案來解決構(gòu)建多頻段、多標(biāo)準(zhǔn)無線電 （MB-MSR） 基站的問題。支持基站設(shè)計(jì)這種演變的技術(shù)進(jìn)步之一是新一代射頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（RF DAC），例如ADI公司的AD9129。在本文中，我們將探討使用RF DAC的MB-MSR發(fā)射器設(shè)計(jì)中需要考慮的主要方面。

傳統(tǒng)變送器架構(gòu)

圖1（a）顯示了在無線基站發(fā)射器設(shè)計(jì)中廣泛實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)。同相 （I） 和正交 （Q） 輸入數(shù)據(jù)在 DAC 中經(jīng)過數(shù)字調(diào)制并轉(zhuǎn)換為一對(duì)中頻 （IF） 的 I 和 Q 輸出信號(hào)。應(yīng)正確選擇IF，使其足夠高，使帶通濾波器抑制調(diào)制鏡像，但又足夠低，使DAC保持良好的輸出性能。該架構(gòu)已在多代單頻段無線電設(shè)計(jì)中成功實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)權(quán)衡是眾所周知的。然而，這種架構(gòu)存在一些固有的局限性，使得在多頻段無線電設(shè)計(jì)中規(guī)劃頻率變得更加困難。圖1（b）顯示了將此架構(gòu)直接應(yīng)用于多頻段設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常遇到的限制之一。在單頻段無線電中，DAC輸出端信號(hào)的諧波通常被視為帶外雜散信號(hào)，并由DAC之后的低通濾波器抑制。在雙頻應(yīng)用中，這些諧波可能會(huì)進(jìn)入頻帶并落在較高發(fā)射頻帶內(nèi)。圖1（c）所示的方法避免了這種限制。兩個(gè)信號(hào)帶以復(fù)域中的直流為中心放置。諧波變?yōu)閹?，可以濾除。由于實(shí)際信號(hào)帶寬較窄，這種方法對(duì)DAC采樣速率和低通濾波器帶寬的要求也較低。然而，這種頻率規(guī)劃的問題出現(xiàn)在調(diào)制器輸出端。根據(jù)每個(gè)頻段與本振（LO）的距離，每個(gè)信號(hào)的調(diào)制鏡像傾向于落在另一個(gè)頻段附近。雖然復(fù)雜的正交糾錯(cuò)（QEC）算法可以幫助抑制鏡像，但它可能會(huì)給基帶信號(hào)處理引擎增加額外的負(fù)擔(dān)，因?yàn)楫?dāng)圖像在帶內(nèi)時(shí)，模擬濾波技術(shù)不可用。

圖1.傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)架構(gòu)中雙頻無線電（頻段1和頻段3）的頻率規(guī)劃示例;a） 發(fā)射機(jī)信號(hào)鏈排隊(duì);b） 中頻轉(zhuǎn)換;c） 直接轉(zhuǎn)換。

直接至射頻發(fā)射器架構(gòu)

從架構(gòu)角度來看，DAC在無線電傳輸系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。它的速度和性能決定了數(shù)模轉(zhuǎn)換可以執(zhí)行到天線的距離。RF DAC將數(shù)字信號(hào)處理的范圍從基帶域擴(kuò)展到天線。它能夠直接在最終輸出頻率上合成基帶數(shù)字信號(hào)，從而基本上將傳統(tǒng)架構(gòu)的模擬上變頻操作吸收到數(shù)字域中。數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換在頻率規(guī)劃和噪聲方面提供了更大的靈活性和更高的性能。這對(duì)MB-MSR設(shè)計(jì)特別有吸引力。

使用RF DAC的頻率規(guī)劃更加靈活，因?yàn)閿?shù)字調(diào)制是理想的，不會(huì)產(chǎn)生可能干擾信號(hào)的調(diào)制鏡像。DAC采樣時(shí)鐘頻率是唯一需要在頻率規(guī)劃中確定的設(shè)計(jì)變量。圖2顯示了使用RF DAC進(jìn)行直接RF合成的架構(gòu)，以及它支持雙頻段應(yīng)用的能力，而不會(huì)在傳統(tǒng)架構(gòu)中出現(xiàn)問題。在本例中，雙頻信號(hào)直接在最終傳輸頻帶頻率上合成。選擇DAC采樣時(shí)鐘頻率，使信號(hào)的諧波遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目標(biāo)頻帶，并且可以在信號(hào)饋入下一個(gè)RF級(jí)之前進(jìn)行濾波。

圖2.直接到RF發(fā)射器架構(gòu)中雙頻段無線電（頻段1和頻段3）的頻率計(jì)劃示例;a） 發(fā)射機(jī)信號(hào)鏈排隊(duì);b） 直接到射頻的轉(zhuǎn)換。

直接至RF架構(gòu)的噪聲性能更好，原因有二。首先是消除模擬上變頻級(jí)。在傳統(tǒng)架構(gòu)中，發(fā)射信號(hào)鏈的總噪聲系數(shù)通常由調(diào)制器噪聲主導(dǎo)，因?yàn)镈AC在調(diào)制器輸出端貢獻(xiàn)的噪聲通常低于調(diào)制器輸出折合的本底噪聲。去掉調(diào)制級(jí)后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以利用DAC的低本底噪聲和RF放大器的高增益來降低系統(tǒng)噪聲系數(shù)。改善本底噪聲的第二個(gè)原因是在多個(gè)頻段傳輸時(shí)降低了天線的插入損耗，因?yàn)椴恍枰下菲?。RF DAC合成多個(gè)頻段的能力除了降低復(fù)雜性外，還提高了系統(tǒng)的整體性能，從而降低了尺寸和成本。

直接至RF架構(gòu)的電路板設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

典型的多頻段通信系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接口邏輯、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 （FPGA） 或?qū)Ｓ?ASIC、DAC、濾波器、增益模塊和 RF 功率放大器。在通道卡中，DAC充當(dāng)數(shù)字邏輯和RF模擬輸出驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間的接口。DAC在系統(tǒng)中起著重要作用，因?yàn)槠湫阅?、采樣速率和帶寬都?huì)影響系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)。

一些關(guān)鍵電路，如DAC輸出路徑、時(shí)鐘電路、傳輸線、電源和返回路徑，需要特別注意，以確保其設(shè)計(jì)正確，以實(shí)現(xiàn)最佳性能?？赡苄枰獙?duì)這些模塊以及DAC印刷電路板（PCB）進(jìn)行分析和仿真。

此外，電源布線可能具有挑戰(zhàn)性。數(shù)字邏輯包括I/O和內(nèi)核邏輯電源，而RF輸出網(wǎng)絡(luò)可以包括多達(dá)四個(gè)或五個(gè)額外的電源。電源域必須彼此隔離，信號(hào)返回路徑需要仔細(xì)管理，以確保電源域之間沒有串?dāng)_。保持電源彼此隔離對(duì)于低噪聲性能至關(guān)重要。

主DAC時(shí)鐘是系統(tǒng)卡上最關(guān)鍵的信號(hào)之一。DAC時(shí)鐘是一種差分信號(hào)，通過柵欄與其他信號(hào)隔離。此外，還控制返回路徑，以確保無耦合或串?dāng)_。耦合到時(shí)鐘上的任何信號(hào)都將直接出現(xiàn)在DAC的輸出端。破壞時(shí)鐘的數(shù)字信號(hào)降低了系統(tǒng)中的噪聲容限。甚至DAC輸出也必須防止耦合到時(shí)鐘上，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致二次諧波和潛在的其他諧波出現(xiàn)在輸出頻譜中。最好使時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器盡可能靠近DAC，以降低噪聲和其他耦合問題。DAC輸出通過傳輸線連接到其負(fù)載。這些傳輸線的阻抗根據(jù)負(fù)載進(jìn)行仔細(xì)控制，以確保DAC輸出信號(hào)的可預(yù)測(cè)行為。RF DAC的輸出阻抗與封裝和芯片有關(guān)，因此層壓板的影響必須包含在輸出級(jí)的分析和仿真中。DAC和負(fù)載之間的匹配阻抗對(duì)于最大化從DAC到目的地的功率傳輸以及最小化從目的地到DAC的反射至關(guān)重要。正確的傳輸線設(shè)計(jì)可提高信噪比（SNR），這對(duì)于良好的多頻段通信系統(tǒng)是必要的。

如今，典型的多頻段通信系統(tǒng)包括多個(gè)RF鏈，由IF DAC、正交調(diào)制器、帶通濾波器、RF功率放大器和天線前的最終濾波器級(jí)組成。這種架構(gòu)需要大量的電路板空間，才能將多個(gè)頻段安裝到單個(gè)發(fā)射器中。如此大量的組件消耗大量功率并產(chǎn)生大量熱量，需要通過散熱器或風(fēng)扇去除，這增加了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本。由于RF DAC具有足夠的帶寬來合成多個(gè)RF頻段，因此它們可用于創(chuàng)建具有多頻段輸出的單個(gè)發(fā)射器。例如，可能需要三對(duì)IF DAC、三個(gè)調(diào)制器和三個(gè)帶通濾波器的三頻段發(fā)射器可以用產(chǎn)生所有三個(gè)頻段的單個(gè)RF DAC和輸出濾波器代替。隨著功率放大器設(shè)計(jì)遷移到更寬的帶寬，由于不同RF鏈中的元件數(shù)量減少到僅在功率放大器之后需要的元件數(shù)量，因此可以實(shí)現(xiàn)更大的電路板空間節(jié)省。因此，可以使用RF DAC、DAC和功率放大器之間的輸出濾波器、功率放大器以及功率放大器和天線之間的輸出濾波器來實(shí)現(xiàn)多頻段發(fā)射器。

測(cè)量結(jié)果

信號(hào)鏈

圖3顯示了AD9129 RF DAC在2764.8 MSPS采樣速率下的輸出，該DAC采用可選模式，支持使用第二個(gè)奈奎斯特區(qū)。在三個(gè)不同的頻段合成了八個(gè)5 MHz寬的W-CDMA通道。創(chuàng)建了兩個(gè) 1825 MHz 至 1835 MHz 的通道，另外兩個(gè)通道的 1845 MHz 至 1855 MHz，以及四個(gè) 2130 MHz 至 2150 MHz 的通道。信號(hào)在可編程門陣列（FPGA）中產(chǎn)生，然后由RF DAC直接合成。

圖3.采樣速率為2764.8 MSPS時(shí)AD9129 RF DAC輸出的測(cè)量頻譜分析儀圖;a） 第二個(gè)奈奎斯特區(qū)的八個(gè)5 MHz寬W-CDMA信道;b） 兩個(gè) 5 MHz 寬的 W-CDMA 信道，頻率為 1825 MHz 至 1835 MHz;c） 兩個(gè) 5 MHz 寬的 W-CDMA 信道，頻率為 1845 MHz 至 1855 MHz;d） W-CDMA信道之間兩個(gè)信道的間隙;e） 四個(gè) 5 MHz 寬的 W-CDMA 信道，頻率為 2130 MHz 至 2150 MHz。

圖4顯示了AD9129在2764.8 MSPS采樣速率下的輸出，采用在第一奈奎斯特區(qū)進(jìn)行合成的模式。在兩個(gè)不同的頻段合成了四個(gè)5 MHz寬W-CDMA信道和四個(gè)LTE下行信道。創(chuàng)建了四個(gè) 871 MHz 至 891 MHz 的 W-CDMA 信道和 4 個(gè) 729 MHz 至 749 MHz 的 LTE 下行信道。

圖4.采樣速率為2764.8 MSPS時(shí)AD9129 RF DAC輸出的測(cè)量頻譜分析儀圖;a） 第一個(gè)奈奎斯特區(qū)的四個(gè)MHz寬W-CDMA信道和四個(gè)5兆赫LTE信道;b） 四個(gè) 5 MHz 寬 LTE 信道，頻率為 729 MHz 至 749 MHz;c） 四個(gè) 5 MHz 寬的 W-CDMA 信道，頻率為 871 MHz 至 891 MHz。

總結(jié)

現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)需要靈活、易于升級(jí)的多頻段、多標(biāo)準(zhǔn)基站。直接至RF發(fā)射機(jī)架構(gòu)為多頻段、多標(biāo)準(zhǔn)無線電發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)提供了具有成本效益的解決方案。RF DAC技術(shù)（如ADI公司的AD9129）的進(jìn)步有助于降低多頻段和多標(biāo)準(zhǔn)無線電設(shè)計(jì)的門檻，并顯示出未來更多設(shè)計(jì)使用直接到RF架構(gòu)的良好趨勢(shì)。

審核編輯：郭婷