Nach mehreren Jahren der Entwicklung sind Funksender allmählich von einer einfachen ZF-Übertragungsarchitektur zu Quadratur-ZF-Sendern und Null-ZF-Sendern übergegangen. Diese Architekturen weisen jedoch immer noch Einschränkungen auf. Der neueste HF-Direktumwandlungssender kann die Einschränkungen herkömmlicher Sender überwinden. Dieser Artikel vergleicht die Eigenschaften verschiedener Übertragungsarchitekturen in der drahtlosen Kommunikation. Der HF-Direktumwandlungssender verwendet einen Hochleistungs-Digital-Analog-Wandler (DAC), der gegenüber herkömmlichen Technologien offensichtliche Vorteile bietet. Der HF-Direktumwandlungssender hat auch seine eigenen Herausforderungen, ebnet jedoch den Weg für die Realisierung einer echten Software-Funkübertragungsarchitektur.
RF-DAC, wie z. B. 14-Bit-MAX2.3 mit 5879 Gsps, ist die Schlüsselschaltung der RF-Direktkonvertierungsarchitektur. Dieser DAC bietet eine hervorragende Stör- und Rauschleistung innerhalb einer 1-GHz-Bandbreite. Das Gerät verfügt über ein innovatives Design im zweiten und dritten Nyquist-Band, unterstützt die Signalübertragung und kann Hochfrequenzsignale mit einer Ausgangsfrequenz von bis zu 3 GHz synthetisieren. Die Messergebnisse bestätigen die Leistung des DAC.
Traditionelle HF-Senderarchitektur
In den letzten Jahrzehnten wurde die traditionelle Senderarchitektur verwendet, um ein Überlagerungsdesign zu erzielen, wobei ein lokaler Oszillator (LO) und ein Mischer verwendet wurden, um eine Zwischenfrequenz (IF) zu erzeugen. Der Mischer erzeugt normalerweise zwei Bildfrequenzen (Seitenbänder genannt) in der Nähe des LO und erhält ein nützliches Signal, indem er eines der Seitenbänder herausfiltert. Moderne drahtlose Übertragungssysteme, insbesondere Basisstationssender (BTS), führen meistens eine I- und Q-Quadraturmodulation an digitalen Basisbandmodulationssignalen durch.
0Traditionelle HF-Senderarchitektur
In den letzten Jahrzehnten wurde die traditionelle Senderarchitektur verwendet, um ein Überlagerungsdesign zu erzielen, wobei ein lokaler Oszillator (LO) und ein Mischer verwendet wurden, um eine Zwischenfrequenz (IF) zu erzeugen. Der Mischer erzeugt normalerweise zwei Bildfrequenzen (Seitenbänder genannt) in der Nähe des LO und erhält ein nützliches Signal, indem er eines der Seitenbänder herausfiltert. Moderne drahtlose Übertragungssysteme, insbesondere Basisstationssender (BTS), führen meistens eine I- und Q-Quadraturmodulation an digitalen Basisbandmodulationssignalen durch.
Abbildung 1. Architektur des drahtlosen Senders.
Quadratur-ZF-Sender
Das komplexe digitale Basisbandsignal hat zwei Pfade im Basisband: I und Q. Der Vorteil der Verwendung von zwei Signalpfaden besteht darin, dass bei Verwendung eines analogen Quadraturmodulators (MOD) zur Synthese von zwei komplexen ZF-Signalen eines der ZF-Seitenbänder eliminiert wird. Aufgrund der Asymmetrie der I- und Q-Kanäle wird die Bildfrequenz des Modulators jedoch nicht perfekt versetzt. Diese Quadratur-ZF-Architektur ist in Abbildung 1 (B) dargestellt. In der Figur werden ein digitaler Quadraturmodulator und ein numerisch gesteuerter LO-Oszillator (NCO) verwendet, um die I- und Q-Basisbandsignale (Koeffizient R) zu interpolieren und sie auf einen positiven Hand-over-IF-Träger zu modulieren. Dann wandelt der duale DAC die digitalen I- und Q-ZF-Träger in analoge Signale um und sendet sie an den Modulator. Um die Unterdrückung nutzloser Seitenbänder weiter zu erhöhen, verwendet das System auch ein Bandpassfilter (BPF).
Null-ZF-Sender
In dem in Fig. 1 (A) gezeigten ZIF-Sender (Zero Intermediate Frequency) wird das digitale Basisband-Quadratursignal interpoliert, um die Filteranforderungen zu erfüllen; dann wird es an den DAC gesendet. Der Quadraturanalogausgang des DAC wird auch an den analogen Quadraturmodulator im Basisband gesendet. Da das gesamte modulierte Signal bei der LO-Frequenz in einen HF-Träger umgewandelt wird, unterstreicht die ZIF-Architektur den "Charme" der Quadraturmischung. In Anbetracht der Tatsache, dass die I- und Q-Pfade keine idealen Pfade sind, wie z. B. LO-Leckage und Asymmetrie, werden invertierte Signalbilder (innerhalb des Bereichs des übertragenen Signals) erzeugt, was zu Signalfehlern führt. In einem Mehrträgersender kann das Bildsignal nahe am Träger sein, was eine In-Band-Störstrahlung verursacht. Drahtlose Sender verwenden häufig komplexe digitale Vorverzerrungen, um solche Defekte auszugleichen.
In dem in 1 (D) gezeigten HF-Direktumwandlungssender wird ein Quadraturdemodulator in der digitalen Domäne verwendet, und der LO wird durch einen NCO ersetzt, so dass in den I- und Q-Kanälen eine nahezu perfekte Symmetrie erhalten wird, und es gibt Grundsätzlich keine LO-Leckage. Daher ist der Ausgang des digitalen Modulators ein digitaler HF-Träger, der an den Ultrahochgeschwindigkeits-DAC gesendet wird. Da der DAC-Ausgang ein diskretes Zeitsignal ist, wird eine Alias-Bildfrequenz erzeugt, die der DAC-Taktfrequenz (CLK) entspricht. Der BPF filtert den DAC-Ausgang, wählt den HF-Träger aus und sendet ihn dann an den Verstärker mit variabler Verstärkung (VGA).
High-IF-Sender
HF-Direktumwandlungssender können dieses Verfahren auch verwenden, um digitale Träger mit höherer Zwischenfrequenz zu erzeugen, wie in 1 (C) gezeigt. Hier wandelt der DAC die digitale Zwischenfrequenz in einen analogen Zwischenfrequenzträger um. Verwenden Sie nach dem DAC die Frequenzauswahlcharakteristik des Bandpassfilters, um die Zwischenfrequenzbildfrequenz herauszufiltern. Dann wird das erforderliche Zwischenfrequenzsignal an den Mischer gesendet, um zwei Seitenbänder zu erzeugen, in denen das ZF-Signal mit dem LO gemischt wird, und durch ein anderes Bandpassfilter gefiltert, um das erforderliche HF-Seitenband zu erhalten.
Offensichtlich erfordert die RF-Direktkonvertierungsarchitektur nur minimale aktive Komponenten. Da FPGA oder ASIC mit digitalem Quadraturmodulator und NCO verwendet werden, um analogen Quadraturmodulator und LO zu ersetzen, vermeidet die Architektur der direkten HF-Frequenzumwandlung den Ungleichgewichtsfehler von I- und Q-Kanälen und LO-Leckage. Da die Abtastrate des DAC sehr hoch ist, ist es außerdem einfacher, Breitbandsignale zu synthetisieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Filteranforderungen erfüllt werden.
Der Hochleistungs-DAC ist eine Schlüsselkomponente für die RF-Direktkonvertierungsarchitektur, die den herkömmlichen drahtlosen Sender ersetzt. Der DAC muss einen Hochfrequenzträger von bis zu 2 GHz oder höher erzeugen, und die dynamische Leistung muss die von anderen Architekturen bereitgestellte Basisband- oder Zwischenfrequenzleistung erreichen. MAX5879 ist so ein Hochleistungs-DAC.
Verwenden des MAX5879 DAC zur Realisierung eines HF-Direktumwandlungssenders
Der MAX5879 ist ein 14-Bit-HF-DAC mit 2.3 Gsps, einer Ausgangsbandbreite von mehr als 2 GHz, extrem geringem Rauschen und geringer Störleistung und wurde für HF-Direktumwandlungssender entwickelt. Der Frequenzgang (Abbildung 2) kann durch Ändern des Impulsgangs eingestellt werden, und der NRZ-Modus (Non-Return-to-Zero) wird für den ersten Nyquist-Bandausgang verwendet. Der HF-Modus konzentriert sich auf die Ausgangsleistung des zweiten und dritten Nyquist-Bandes. Der Return-to-Zero-Modus (RZ) bietet eine flache Reaktion in mehreren Nyquist-Bändern, jedoch eine geringere Ausgangsleistung. Das einzigartige Merkmal des MAX5879 ist der RFZ-Modus. Der RFZ-Modus ist ein Hochfrequenzmodus mit Nullfüllung, sodass die Abtastrate des DAC-Eingangs die Hälfte aller anderen Modi beträgt. Dieser Modus ist sehr nützlich für die Synthese von Signalen mit geringerer Bandbreite und kann Hochfrequenzsignale im Nyquist-Band höherer Ordnung ausgeben. So kann der MAX5879 DAC verwendet werden, um modulierte Träger zu synthetisieren, die ihre Abtastrate überschreiten und nur durch die analoge Ausgangsbandbreite von 2 + GHz begrenzt sind.
Abbildung 2. Wählbare Frequenzgangcharakteristik des MAX5879 DAC. Der Leistungstest des MAX5879 zeigt, dass die Intermodulationsverzerrung des 4-Träger-GSM-Signals bei 74 MHz größer als 940 dB ist (Abbildung 3). bei 2.1 GHz beträgt das Nachbarkanal-Leckleistungsverhältnis (ACLR) des 4-Träger-WCDMA-Signals 67 dB (Abbildung 4); Bei 2.6 GHz beträgt die ACLR von 2-Träger-LTE 65 dB (Abbildung 5). Der DAC mit dieser Leistung kann die direkte digitale Synthese verschiedener digitaler Modulationssignale im Multi-Nyquist-Frequenzband unterstützen und kann als gemeinsame Hardware für drahtlose Multi-Standard-Multi-Band-Basisstationssender verwendet werden.
Abbildung 3. MAX5879 4-Träger-GSM-Leistungstest, 940 MHz und 2.3 Gsps (erstes Nyquist-Band).
Abbildung 4. MAX5879 4-Träger-WCDMA-Leistungstest, 2140 MHz und 2.3 Gsps (zweites Nyquist-Band).
Abbildung 5. MAX5879 2-Träger-LTE-Leistungstest, 2650 MHz und 2.3 Gsps (drittes Nyquist-Band).
RF-Direktumwandlungssenderanwendung
Der MAX5879 DAC kann auch mehrere Träger im Nyquist-Band gleichzeitig übertragen. Diese Funktion wird derzeit in der Downlink-Übertragungsstrecke des Kabelfernsehens verwendet, um mehrere QAM-modulierte Signale im Frequenzband von 50 MHz bis 1000 MHz zu senden. Für diese Anwendung beträgt die vom HF-Direktumwandlungssender unterstützte Trägerdichte das 20- bis 30-fache der anderer Übertragungsarchitekturen. Da ein einzelner Breitband-HF-Direktumwandlungssender mehrere drahtlose Sender ersetzt, werden außerdem der Stromverbrauch und die Fläche des Kabelfernseh-Frontends erheblich reduziert.
HF-Direktumwandlungssender auf Basis von MAX5879 können für Breitband- und Hochfrequenzausgangsanwendungen verwendet werden. Mit der zunehmenden Beliebtheit von Smartphones und Tablet-Computern erfordern drahtlose Basisstationen beispielsweise ein breiteres Frequenzband. Es besteht kein Zweifel, dass die aktuellen Sender, die solche Geräte unterstützen, schrittweise durch HF-Direktumwandlungssender ersetzt werden, die auf Hochleistungs-HF-DACs (wie MAX5879) basieren.
um zusammenzufassen
Der RF DAC-basierte Sender verfügt über eine Übertragungsbandbreite, die weit über die herkömmliche Architektur hinausgeht, ohne dass die dynamische Leistung beeinträchtigt wird. Es kann unter Verwendung von FPGA oder ASIC implementiert werden, wodurch keine analogen Quadraturmodulatoren und LO-Synthesizer erforderlich sind, wodurch die Zuverlässigkeit der drahtlosen Sender Sex verbessert wird. Dieses Schema reduziert auch die Anzahl der Komponenten erheblich und in den meisten Fällen auch den Systemstromverbrauch.
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