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数年の開発の後、無線送信機は、単純なIF送信アーキテクチャから直交IF送信機およびゼロIF送信機に徐々に移行しました。 ただし、これらのアーキテクチャにはまだ制限があります。 最新のRF直接変換送信機は、従来の送信機の制限を克服できます。 この記事では、ワイヤレス通信におけるさまざまな伝送アーキテクチャの特性を比較します。 RF直接変換送信機は、高性能のデジタル-アナログコンバーター(DAC)を使用します。これは、従来のテクノロジーに比べて明らかな利点があります。 RFダイレクトコンバージョン送信機にも独自の課題がありますが、真のソフトウェア無線送信アーキテクチャの実現への道を開きます。
14ビット2.3GspsMAX5879などのRFDACは、RF直接変換アーキテクチャの重要な回路です。 このDACは、1GHzの帯域幅内で優れたスプリアスおよびノイズ性能を提供できます。 このデバイスは、3番目とXNUMX番目のナイキスト帯域で革新的な設計を採用し、信号伝送をサポートし、最大XNUMXGHzの出力周波数で無線周波数信号を合成できます。 測定結果は、DACの性能を検証します。
従来のRF送信機アーキテクチャ
過去数十年にわたって、従来の送信機アーキテクチャを使用してスーパーヘテロダイン設計を実現し、局部発振器(LO)とミキサーを使用して中間周波数(IF)を生成してきました。 ミキサーは通常、LOの近くにXNUMXつの画像周波数(側波帯と呼ばれる)を生成し、側波帯のXNUMXつをフィルターで除去することによって有用な信号を取得します。 最新の無線伝送システム、特に基地局(BTS)送信機は、主にベースバンドデジタル変調信号に対してIおよびQ直交変調を実行します。
0従来のRF送信機アーキテクチャ
過去数十年にわたって、従来の送信機アーキテクチャを使用してスーパーヘテロダイン設計を実現し、局部発振器(LO)とミキサーを使用して中間周波数(IF)を生成してきました。 ミキサーは通常、LOの近くにXNUMXつの画像周波数(側波帯と呼ばれる)を生成し、側波帯のXNUMXつをフィルターで除去することによって有用な信号を取得します。 最新の無線伝送システム、特に基地局(BTS)送信機は、主にベースバンドデジタル変調信号に対してIおよびQ直交変調を実行します。
図1.ワイヤレス送信機のアーキテクチャ。
直交IF送信機
複素ベースバンドデジタル信号には、ベースバンドにIとQの1つのパスがあります。XNUMXつの信号パスを使用する利点は、アナログ直交変調器(MOD)を使用してXNUMXつの複素IF信号を合成するときに、IF側波帯のXNUMXつが除去されることです。 ただし、IチャネルとQチャネルの非対称性により、変調器の画像周波数は完全にはオフセットされません。 この直交IFアーキテクチャを図XNUMX(B)に示します。 この図では、デジタル直交変調器とLO数値制御発振器(NCO)を使用して、IおよびQベースバンド信号(係数R)を補間し、正のハンドオーバーIFキャリアに変調します。 次に、デュアルDACはデジタルIおよびQ IFキャリアをアナログ信号に変換し、それらを変調器に送信します。 無駄な側波帯の抑制をさらに高めるために、システムはバンドパスフィルター(BPF)も使用します。
ゼロIF送信機
図1(A)に示すゼロ中間周波数(ZIF)送信機では、フィルタリング要件を満たすためにベースバンドデジタル直交信号が補間されます。 その後、DACに送信されます。 DACの直交アナログ出力は、ベースバンドのアナログ直交変調器にも送信されます。 変調された信号全体がLO周波数でRFキャリアに変換されるため、ZIFアーキテクチャは直交ミキシングの「魅力」を実際に強調しています。 ただし、IパスとQパスがLOリークや非対称性などの理想的なパスではないことを考慮すると、反転信号画像(送信信号の範囲内にある)が生成され、信号エラーが発生します。 マルチキャリア送信機では、画像信号がキャリアに近く、帯域内スプリアス放射が発生する可能性があります。 ワイヤレス送信機は、このような欠陥を補うために複雑なデジタルプリディストーションを使用することがよくあります。
図1(D)に示すRFダイレクトコンバージョン送信機では、デジタル領域で直交復調器が使用され、LOがNCOに置き換えられているため、IチャネルとQチャネルでほぼ完全な対称性が得られます。基本的にLOリークはありません。 したがって、デジタル変調器の出力はデジタルRFキャリアであり、超高速DACに送信されます。 DAC出力は離散時間信号であるため、DACクロック周波数(CLK)に等しいエイリアシング画像周波数が生成されます。 BPFはDAC出力をフィルタリングし、RFキャリアを選択して、それを可変ゲインアンプ(VGA)に送信します。
高IF送信機
図1(C)に示すように、RF直接変換送信機は、この方法を使用して、より高い中間周波数のデジタルキャリアを生成することもできます。 ここで、DACはデジタル中間周波数をアナログ中間周波数キャリアに変換します。 DACの後、バンドパスフィルターの周波数選択特性を使用して、中間周波数の画像周波数をフィルターで除去します。 次に、必要な中間周波数信号がミキサーに送信されてXNUMXつの側波帯が生成され、そこでIF信号がLOと混合され、別のバンドパスフィルターでフィルター処理されて必要なRF側波帯が得られます。
明らかに、RF直接変換アーキテクチャは最小限のアクティブコンポーネントを必要とします。 アナログ直交変調器とLOの代わりにデジタル直交変調器とNCOを備えたFPGAまたはASICが使用されるため、RF直接周波数変換アーキテクチャにより、IチャネルとQチャネルの不均衡エラーとLOリークが回避されます。 さらに、DACのサンプリングレートが非常に高いため、フィルタリング要件を確実に満たしながら、ブロードバンド信号の合成が容易になります。
高性能DACは、従来のワイヤレス送信機に代わるRF直接変換アーキテクチャの重要なコンポーネントです。 DACは、最大2GHz以上の無線周波数キャリアを生成する必要があり、動的パフォーマンスは、他のアーキテクチャによって提供されるベースバンドまたは中間周波数パフォーマンスに到達する必要があります。 MAX5879はそのような高性能DACです。
MAX5879DACを使用してRF直接変換送信機を実現
MAX5879は、14GHzを超える出力帯域幅、超低ノイズ、低スプリアス性能を備えた2.3ビット2Gsps RF DACであり、RF直接変換送信機用に設計されています。 その周波数応答(図2)は、インパルス応答を変更することで設定でき、最初のナイキスト帯域出力には非ゼロ復帰(NRZ)モードが使用されます。 RFモードは、5879番目と5879番目のナイキスト帯域の出力電力に焦点を合わせています。 ゼロ復帰(RZ)モードは、複数のナイキスト帯域でフラットな応答を提供しますが、出力電力は低くなります。 MAX2のユニークな機能はRFZモードです。 RFZモードは「ゼロフィル」無線周波数モードであるため、DAC入力サンプリングレートは他のモードの半分です。 このモードは、より低い帯域幅の信号を合成するのに非常に役立ち、高次のナイキスト帯域で高周波信号を出力できます。 したがって、MAXXNUMX DACを使用して、サンプリングレートを超える変調キャリアを合成できますが、XNUMX + GHzアナログ出力帯域幅によってのみ制限されます。
図2.MAX5879DACの選択可能な周波数応答特性。 MAX5879の性能テストは、4キャリアGSM信号の相互変調歪みが74MHzで940dBを超えることを示しています(図3)。 2.1GHzでは、4キャリアWCDMA信号の隣接チャネルリーク電力比(ACLR)は67dBです(図4)。 2.6GHzでは、2キャリアLTEのACLRは65dBです(図5)。 この性能を備えたDACは、マルチナイキスト周波数帯域のさまざまなデジタル変調信号のダイレクトデジタル合成をサポートでき、マルチスタンダード、マルチバンドワイヤレス基地局送信機の共通ハードウェアとして使用できます。
図3.MAX5879 4キャリアGSMパフォーマンステスト、940MHzおよび2.3Gsps(最初のナイキスト帯域)。
図4.MAX5879 4キャリアWCDMAパフォーマンステスト、2140MHzおよび2.3Gsps(XNUMX番目のナイキスト帯域)。
図5.MAX5879 2キャリアLTEパフォーマンステスト、2650MHzおよび2.3Gsps(XNUMX番目のナイキスト帯域)。
RF直接変換送信機アプリケーション
MAX5879 DACは、ナイキスト帯域の複数のキャリアを同時に送信することもできます。 この機能は現在、ケーブルテレビのダウンリンク伝送リンクで使用されており、50MHz〜1000MHzの周波数帯域で複数のQAM変調信号を送信します。 このアプリケーションの場合、RF直接変換送信機でサポートされるキャリア密度は、他の伝送アーキテクチャの20〜30倍です。 さらに、単一のブロードバンドRF直接変換送信機が複数のワイヤレス送信機に取って代わるため、ケーブルテレビのフロントエンドの消費電力と面積が大幅に削減されます。
MAX5879に基づくRF直接変換送信機は、ブロードバンドおよび高周波出力アプリケーションに使用できます。 たとえば、スマートフォンやタブレットコンピュータの人気が高まるにつれ、ワイヤレス基地局はより広い周波数帯域を必要とします。 このようなデバイスをサポートする現在の送信機は、高性能RF DAC(MAX5879など)に基づくRF直接変換送信機に徐々に置き換えられることは間違いありません。
総括する
RF DACベースの送信機は、動的性能を損なうことなく、従来のアーキテクチャをはるかに超える伝送帯域幅を備えています。 FPGAまたはASICを使用して実装できるため、アナログ直交変調器やLOシンセサイザーが不要になり、ワイヤレストランスミッターSexの信頼性が向上します。 このスキームは、コンポーネントの数も大幅に削減し、ほとんどの場合、システムの消費電力も削減します。
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