Después de varios años de desarrollo, los transmisores de radio han pasado gradualmente de una arquitectura de transmisión de FI simple a transmisores de FI en cuadratura y transmisores de FI cero. Sin embargo, estas arquitecturas todavía tienen limitaciones. El último transmisor de conversión directa de RF puede superar las limitaciones de los transmisores tradicionales. Este artículo compara las características de diferentes arquitecturas de transmisión en comunicaciones inalámbricas. El transmisor de conversión directa de RF utiliza un convertidor de digital a analógico (DAC) de alto rendimiento, que tiene ventajas obvias sobre las tecnologías tradicionales. El transmisor de conversión directa de RF también tiene sus propios desafíos, pero allana el camino para la realización de una verdadera arquitectura de transmisión de radio por software.
RF DAC, como 14Gsps MAX2.3 de 5879 bits, es el circuito clave de la arquitectura de conversión directa de RF. Este DAC puede proporcionar un excelente rendimiento de ruido y espurios dentro de un ancho de banda de 1 GHz. El dispositivo adopta un diseño innovador en la segunda y tercera bandas de Nyquist, admite la transmisión de señales y puede sintetizar señales de radiofrecuencia con una frecuencia de salida de hasta 3GHz. Los resultados de la medición verifican el desempeño del DAC.
Arquitectura de transmisor de RF tradicional
Durante las últimas décadas, la arquitectura de transmisor tradicional se ha utilizado para lograr un diseño superheterodino, utilizando un oscilador local (LO) y un mezclador para generar frecuencia intermedia (IF). El mezclador generalmente genera dos frecuencias de imagen (llamadas bandas laterales) cerca del LO y obtiene una señal útil al filtrar una de las bandas laterales. Los sistemas de transmisión inalámbrica modernos, especialmente los transmisores de estación base (BTS), realizan principalmente modulación en cuadratura I y Q en señales de modulación digital de banda base.
0 Arquitectura de transmisor de RF tradicional
Durante las últimas décadas, la arquitectura de transmisor tradicional se ha utilizado para lograr un diseño superheterodino, utilizando un oscilador local (LO) y un mezclador para generar frecuencia intermedia (IF). El mezclador generalmente genera dos frecuencias de imagen (llamadas bandas laterales) cerca del LO y obtiene una señal útil al filtrar una de las bandas laterales. Los sistemas de transmisión inalámbrica modernos, especialmente los transmisores de estación base (BTS), realizan principalmente modulación en cuadratura I y Q en señales de modulación digital de banda base.
Figura 1. Arquitectura del transmisor inalámbrico.
Transmisor de FI en cuadratura
La señal digital de banda base compleja tiene dos rutas en la banda base: I y Q. La ventaja de usar dos rutas de señal es que cuando se usa un modulador en cuadratura analógico (MOD) para sintetizar dos señales de FI complejas, se elimina una de las bandas laterales de FI. Sin embargo, debido a la asimetría de los canales I y Q, la frecuencia de imagen del modulador no estará perfectamente compensada. Esta arquitectura de FI en cuadratura se muestra en la Figura 1 (B). En la figura, un modulador de cuadratura digital y un oscilador controlado numéricamente (NCO) LO se utilizan para interpolar las señales de banda base I y Q (coeficiente R) y modularlas a portadora de transferencia IF positiva. Luego, el DAC dual convierte las portadoras digitales I y Q IF en señales analógicas y las envía al modulador. Para aumentar aún más la supresión de bandas laterales inútiles, el sistema también utiliza un filtro de paso de banda (BPF).
Transmisor de FI cero
En el transmisor de frecuencia intermedia cero (ZIF) que se muestra en la Figura 1 (A), la señal de cuadratura digital de banda base se interpola para cumplir con los requisitos de filtrado; luego se envía al DAC. La salida analógica en cuadratura del DAC también se envía al modulador en cuadratura analógica en la banda base. Debido a que toda la señal modulada se convierte en una portadora de RF en la frecuencia LO, la arquitectura ZIF realmente resalta el "encanto" de la mezcla en cuadratura. Sin embargo, considerando que las rutas I y Q no son rutas ideales, como la fuga de LO y la asimetría, se generarán imágenes de señal invertidas (ubicadas dentro del rango de la señal transmitida), lo que producirá errores de señal. En un transmisor de múltiples portadoras, la señal de imagen puede estar cerca de la portadora, provocando una radiación espuria dentro de la banda. Los transmisores inalámbricos a menudo utilizan una predistorsión digital compleja para compensar tales defectos.
En el transmisor de conversión directa de RF que se muestra en la Figura 1 (D), se usa un demodulador en cuadratura en el dominio digital, y el LO se reemplaza por un NCO, de modo que se obtiene una simetría casi perfecta en los canales I y Q, y hay básicamente sin fugas de LO. Por lo tanto, la salida del modulador digital es una portadora de RF digital, que se envía al DAC de ultra alta velocidad. Dado que la salida DAC es una señal de tiempo discreta, se genera una frecuencia de imagen con alias igual a la frecuencia de reloj DAC (CLK). El BPF filtra la salida DAC, selecciona la portadora de RF y luego la envía al amplificador de ganancia variable (VGA).
Transmisor de FI alta
Los transmisores de conversión directa de RF también pueden utilizar este método para generar portadoras digitales de frecuencia intermedia más alta, como se muestra en la Figura 1 (C). Aquí, el DAC convierte la frecuencia intermedia digital en una portadora de frecuencia intermedia analógica. Después del DAC, use la característica de selección de frecuencia del filtro de paso de banda para filtrar la frecuencia de imagen de frecuencia intermedia. Luego, la señal de frecuencia intermedia requerida se envía al mezclador para generar dos bandas laterales donde la señal de FI se mezcla con el LO y se filtra mediante otro filtro de paso de banda para obtener la banda lateral de RF requerida.
Obviamente, la arquitectura de conversión directa de RF requiere componentes activos mínimos. Debido a que FPGA o ASIC con modulador de cuadratura digital y NCO se utilizan para reemplazar el modulador de cuadratura analógico y LO, la arquitectura de conversión de frecuencia directa de RF evita el error de desequilibrio de los canales I y Q y las fugas de LO. Además, debido a que la frecuencia de muestreo del DAC es muy alta, es más fácil sintetizar señales de banda ancha, al tiempo que se garantiza que se cumplan los requisitos de filtrado.
El DAC de alto rendimiento es un componente clave para la arquitectura de conversión directa de RF que reemplaza al transmisor inalámbrico tradicional. El DAC necesita generar una portadora de radiofrecuencia de hasta 2 GHz o más, y el rendimiento dinámico debe alcanzar el rendimiento de banda base o frecuencia intermedia proporcionado por otras arquitecturas. MAX5879 es un DAC de alto rendimiento.
Uso de MAX5879 DAC para realizar un transmisor de conversión directa de RF
El MAX5879 es un DAC RF de 14 bits y 2.3 Gsps con un ancho de banda de salida superior a 2 GHz, ruido ultrabajo y bajo rendimiento espurio, y está diseñado para transmisores de conversión directa de RF. Su respuesta de frecuencia (Figura 2) se puede configurar cambiando su respuesta de impulso, y el modo sin retorno a cero (NRZ) se usa para la primera salida de banda de Nyquist. El modo RF se centra en la potencia de salida de la segunda y tercera bandas de Nyquist. El modo de retorno a cero (RZ) proporciona una respuesta plana en múltiples bandas de Nyquist, pero menor potencia de salida. La característica única de MAX5879 es el modo RFZ. El modo RFZ es un modo de radiofrecuencia de "llenado cero", por lo que la frecuencia de muestreo de la entrada DAC es la mitad de otros modos. Este modo es muy útil para sintetizar señales con menor ancho de banda y puede generar señales de alta frecuencia en la banda Nyquist de orden superior. Por lo tanto, el DAC MAX5879 se puede usar para sintetizar portadoras moduladas que exceden su frecuencia de muestreo, solo limitada por el ancho de banda de salida analógica de 2 + GHz.
Figura 2. Características de respuesta de frecuencia seleccionables del DAC MAX5879. La prueba de rendimiento MAX5879 muestra que la distorsión de intermodulación de la señal GSM de 4 portadoras es superior a 74 dB a 940 MHz (Figura 3); a 2.1 GHz, la relación de potencia de fuga de canal adyacente (ACLR) de la señal WCDMA de 4 portadoras es de 67 dB (Figura 4); a 2.6GHz, el ACLR de LTE de 2 portadoras es 65dB (Figura 5). El DAC con este rendimiento puede admitir la síntesis digital directa de varias señales de modulación digital en la banda de frecuencia de múltiples Nyquist y se puede utilizar como un hardware común para transmisores de estación base inalámbrica de múltiples estándares y múltiples bandas.
Figura 3. Prueba de rendimiento GSM de 5879 portadoras MAX4, 940MHz y 2.3Gsps (primera banda de Nyquist).
Figura 4. Prueba de rendimiento de MAX5879 WCDMA de 4 portadoras, 2140MHz y 2.3Gsps (segunda banda de Nyquist).
Figura 5. Prueba de rendimiento de LTE de 5879 portadoras MAX2, 2650MHz y 2.3Gsps (tercera banda de Nyquist).
Aplicación de transmisor de conversión directa de RF
El MAX5879 DAC también puede transmitir múltiples portadoras en la banda de Nyquist simultáneamente. Esta función se utiliza actualmente en el enlace de transmisión descendente de la televisión por cable para enviar múltiples señales moduladas QAM en la banda de frecuencia de 50 MHz a 1000 MHz. Para esta aplicación, la densidad de portadora soportada por el transmisor de conversión directa de RF es 20-30 veces mayor que la de otras arquitecturas de transmisión. Además, debido a que un solo transmisor de conversión directa de RF de banda ancha reemplaza a varios transmisores inalámbricos, el consumo de energía y el área de la interfaz de TV por cable se reducen considerablemente.
Los transmisores de conversión directa de RF basados en MAX5879 se pueden utilizar para aplicaciones de salida de banda ancha y alta frecuencia. Por ejemplo, con la creciente popularidad de los teléfonos inteligentes y las tabletas, las estaciones base inalámbricas requerirán una banda de frecuencia más amplia. No hay duda de que los transmisores actuales que admiten estos dispositivos serán reemplazados gradualmente por transmisores de conversión directa de RF basados en DAC de RF de alto rendimiento (como el MAX5879).
para resumir
El transmisor RF DAC tiene un ancho de banda de transmisión mucho más allá de la arquitectura tradicional sin pérdida de rendimiento dinámico. Se puede implementar usando FPGA o ASIC, eliminando la necesidad de moduladores de cuadratura analógicos y sintetizadores LO, mejorando así la confiabilidad de los transmisores inalámbricos Sex. Este esquema también reduce en gran medida la cantidad de componentes y, en la mayoría de los casos, también reduce el consumo de energía del sistema.
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