高性能RF调制器支持多载波通信发射器

蜂窝发射机依靠高性能RF调制器来保持线性度和动态范围。随着多载波发射器的发展，RF调制器必须保持低本底噪声，同时提供良好的高电平性能，通常由二阶和三阶交调截点决定。以下文章将讨论这些要求，并解释MAX2022如何满足典型四载波WCDMA发送器架构的要求。

概述

如今，几乎所有蜂窝基站都采用超外差架构来发送/接收RF信号。这些架构需要两个或多个上/下变频级、中间滤波和模拟信号处理。图1所示为典型的双转换蜂窝基站发射框图。其中许多发射器是作为单载波系统实现的。多载波发射器多次复制单载波发射器，从而引入更多的系统硬件。为了降低发射机成本，许多系统设计人员正在转向多载波发射机和直接变频RF架构。

图1.典型的超外差发射架构。

多载波架构的挑战

多载波架构减少了发射通道的数量。直接变频架构通过直接从基带向上转换RF信号来减少每个通道中的元件数量。两种架构都需要具有更宽动态范围和更高线性度的组件，以满足整体系统要求。图2显示了直接变频发送器架构的典型框图。请注意，此直接转换架构中的阶段显著减少。多个混频器、放大器、IF和RF滤波器均由单个集成解决方案取代。

图2.直接转换架构。

直到最近，数模转换器（DAC）和直接变频调制器的性能还不足以支持3G多载波蜂窝基站的苛刻要求。当今的通信基站发射机设计需要更低的成本和更灵活的解决方案。选择RF调制器会显著影响成本和灵活性，从而建立发射器的基本架构。

利用单变送器架构解决问题

Maxim Integrated推出了直接正交RF调制器MAX2022，以满足多载波发送器的需求。该器件提供出色的动态范围，使发射器设计人员能够很好地控制系统性能。

极高的OIP2和OIP3的组合，以及接近-174dBm/Hz的出色输出本底噪声，可实现真正的多载波性能，并为所有相关系统规格提供相当大的裕量。单发射器架构现在可以支持多种类型的调制，从CDMA2000到WCDMA再到OFDM，最多有<>个载波。此外，该调制器的高性能可以在发射器设计中得到利用，以显着降低硬件要求和成本，并大大提高产品阵容的灵活性。

MAX2022正交调制器采用SiGe工艺，覆盖1500MHz至2500MHz的频率范围。 图3显示了该电路的内部架构。

图3.MAX2022框图

MAX2022具有单端LO输入，内部匹配50Ω，接受-3dBm至+3dBm的输入LO驱动。LO由正交分路器分路，并应用于两个非常高性能的无源混频器。该器件的正交I和Q输入为差分输入，输入阻抗为44Ω。>1GHz 的出色输入带宽使该器件既可用作基带直接RF调制器，也可用作具有正交IF输入的镜像抑制混频器。正交输入专门设计用于直接与电流输出DAC接口。该特性消除了对中间缓冲放大器的需求，因为中间缓冲放大器既会限制性能，又会增加成本。混频器输出组合并施加于单端RF输出，该输出在内部匹配至50Ω。

MAX2022射频调制器性能

RF调制器的性能由几个独立的参数决定。MAX2022在所有关键领域均表现出色。OIP3为+22dBm，P1dB为+12dBm。多个载波之间的互调产物取决于OIP3;高 OIP3 值可确保低电平的互调失真。OIP2是零中频应用的另一个关键参数。MAX2022的OIP2在UMTS频段为+50dBm。OIP2对于基带信号也很重要。基带信号中的二次谐波效应会在RF输出中产生频谱扩展，从而影响ACLR性能。因此，高OIP2值可确保低水平的ACLR失真。图 4 显示了该器件在 OIP2、OIP3 和输出功率下在 1500MHZ 至 2500MHz 频率范围内的性能变化。

图4.OIP2， OIP3， P外与MAX2022的频率的关系。

MAX2022的本底噪声性能通过使用无源混频器实现调制功能而显著增强。这些器件不会产生多余的噪声，因此对于典型输出信号电平，该器件的输出噪声电平接近-174dBm/Hz。对于高于-10dBm的信号电平，LO缓冲器的相位噪声变得很重要。这些缓冲器设计为具有-164dBc/Hz的极低相位噪声。

图5.本底噪声与输出功率的关系。

在比较RF调制器性能时，一种有用的测量是器件的动态范围，即最大实际信号电平（以P1dB表示）与本底噪声之间的差异。MAX2022的动态范围为186dB，大大优于任何其他集成RF调制器。

PCS和UMTS频段的LO泄漏电平为<-40dBm，这些频段的边带抑制为>45dB。数字预失真控制环路可以进一步降低这些电平，将LO泄漏驱动至-80dBm以下，边带抑制至>60dB。在0MHz范围内，RF通带平坦度为>5.100dB，允许在宽带系统中使用该器件。

UMTS频段中的多载波WCDMA生成

这许多性能参数的最终好处是它们在生成真实载流子时相互相互作用。这就是MAX2022真正擅长的地方。

作为说明，让我们考虑使用WCDMA调制生成四个载波的问题。当代发射器设计必须适应WCDMA载波本身的带宽，相当于20MHz。此外，系统必须支持对发射信号进行数字预失真所需的带宽，以校正功率放大器的后续失真。该带宽可以超过100MHz。 图6显示了这种信号的频谱。

图6.4载波UMTS频谱。

我们可以看到，异常宽的带宽将发射输出频谱推到了UMTS频段限制之外。因此，这就要求发射机系统的噪声性能符合发射机模板要求，超出频带边缘，而无需使用RF滤波器来调整杂散信号和噪声电平。这一要求对RF调制器提出了特殊的要求。然而，MAX2022的宽带宽和额外的动态范围使这种系统设计成为可能。

图7显示了UMTS频段中1、2和4载波WCDMA生成的ACLR性能。由于MAX2022具有较宽的动态范围，因此在非常宽的输出功率电平范围内保持了非常好的ACLR值。这种广泛的可用输出功率范围在系统设计中很有用。显示本底噪声性能是为了说明所选ACLR性能的总可用动态范围。例如，每个载波 -4dBm 的 28 载波 WCDMA 信号的 ACLR 为 66dB，输出本底噪声为 -173.5dBm/Hz。

图7.1、2 和 4 载波 WCDMA ACLR 和本底噪声。

这种极高的性能水平同样非常适合产生其他调制，例如 OFDM、QAM 等。CDMA2000和TD-SCDMA可以支持超过九个运营商。它是一种硬件配置，可生成任何或所有这些调制。

系统级设计

MAX2022的接口设计用于最大限度地降低辅助电路要求。这种设计大大降低了整体系统成本。阻抗匹配的集成LO缓冲器和巴伦支持在-3dBm至+3dBm的低LO功率电平下使用单端LO接口。集成的RF巴伦允许单端RF输出，阻抗匹配至50Ω。基带I和Q输入提供具有44Ω内部阻抗的差分接口。这些输入接受与高性能电流输出DAC输出的直接连接，无需干预缓冲放大器。在MAX2022的高性能水平下，很难找到不会显著降低器件性能的外部基带放大器。幸运的是，这种设计不需要基带放大器。图8所示为MAX2022推荐的DAC端接接口。接地的50Ω电阻适当端接DAC，典型满量程电流为20mAP-P将为MAX0的基带输入提供高达2022dBm的信号。

图8.DAC接口至基带输入。

为了实现MAX2022固有的性能潜力，必须采用仔细的系统级设计。图9显示了生成具有数字预失真功能的四个WCDMA调制载波的建议阵容。信号电平、噪声电平和ACLR被指示为每个级输出端的级联阵容。

图9.具有信号分析功能的 Tx 阵容。

从DAC开始，我们需要一个能够产生50MHz带宽信号的器件，ACLR明显优于该设计的目标65dB，噪声和杂散本底也很低。建议将MAX5895双通道插值DAC作为满足这些要求的示例器件。为了使DAC能够以高输出采样速率和相对较低的输入数据速率工作，建议在此应用中使用插值DAC。插值滤波器的衰减变得显著，因为DAC之后的低通滤波器不会对近入内插值镜像产生显著衰减。插值DAC将在基带输入数据速率的每个倍数下生成基带信号的图像。如果没有从调制器输入端充分移除，这些镜像将在调制器的RF输出中产生显著的边带。MAX95对插值图像的5895dB衰减是理想的选择。这从根本上降低了DAC之后的基带低通滤波器的复杂性，从而简化了DAC设计，并最大限度地减少了它们对宽带信号整个系统的相位响应的影响。

转到调制器输出，我们可以看到每个载波的输出信号电平将为-28dBm，总计-22dBm。ACLR将由调制器的性能设置为+66dB。（DAC的性能在这里不是限制。然而，本底噪声已从单独调制器的-174dBm/Hz降至-170dBm。这是由于DAC的级联噪声水平造成的。很明显，必须仔细选择配置的所有元素，以实现整体最高性能水平。

所选的RF放大器必须具有低噪声系数和足够的OIP3，以避免级联ACLR性能下降。如果增益为3dB，则建议此级使用大于+30dBm的OIP12。选择具有高OIP3的输出级以避免级联ACLR降级。建议使用MAX2057 RF VGA来调整整个系列的增益，将输出电平设置为每载波-6dBm，或总输出电平为0dBm。+3dBm 的 OIP37 确保级联 ACLR 保持在 +65dB。

这种级联发射器设计可产生+65dB的出色ACLR，同时相对于每个载波保持-139dBc/Hz的本底噪声。本底噪声和杂散电平性能无需RF滤波即可实现。这允许在多个频段中使用相同的硬件实现，而无需更改。此外，这种设计简单，设备很少，使其成为高性能变送器非常紧凑且经济高效的解决方案。

结论

新型调制器MAX2022在发送器应用中实现了无与伦比的性能水平。它支持零中频和镜像抑制混频器架构。该器件有助于实现高度精简、经济高效且灵活的发射器架构，从而提高发射器设计人员的设计效率。

审核编辑：郭婷