Высококачественные радиочастотные модуляторы позволяют реализовывать передатчики с несколькими несущими

Передатчики сотовой телефонии, построенные с использованием высокоэффективных радиочастотных модуляторов, обеспечивают хорошую линейность и динамический диапазон. В передатчиках с несколькими несущими радиочастотные модуляторы должны обеспечивать минимальный шум при достижении высоких уровней параметров, обычно определяющихся точками пересечения второго и третьего порядков.

Введение

Сегодня почти все сотовые базовые станции имеют супергетеродинную архитектуру для передачи и приема высокочастотных сигналов. Эта архитектура требует двух или более каскадов повышения и понижения частоты, цепей фильтрации сигнала промежуточной частоты и обработки аналогового сигнала. На рис. 1 представлена типовая блок-схема передающей части с двойным преобразованием частоты, используемой в сотовой базовой станции. Большинство передатчиков выполнены как системы с одной несущей. Передатчики с несколькими несущими состоят из нескольких передатчиков с одной несущей, что приводит к существенному росту сложности и стоимости аппаратного обеспечения системы. Для снижения стоимости передатчика многие системные разработчики приходят к идее передатчика с несколькими несущими и к архитектуре прямого преобразования частоты.

Архитектура с несколькими несущими

Архитектура с несколькими несущими сокращает число каналов передачи. Архитектура прямого преобразования частоты уменьшает число компонентов в каждом канале благодаря преобразованию высокочастотного сигнала напрямую с основной частоты. Для реализации обеих архитектур и выполнения требований к системе в целом необходимы компоненты с расширенным динамическим диапазоном и повышенной линейностью. На рис. 2 приведена типовая блок-схема передатчика, выполненного в соответствии с архитектурой прямого преобразования частоты. Несколько смесителей, усилителей, фильтров промежуточной частоты и частоты входного сигнала — все заменяется единым интегрированным решением.

До последнего времени параметры цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) и модулятора прямого преобразования не достигали уровня, необходимого для создания сотовых базовых станций 3G с несколькими несущими. Современное поколение конструкций передатчиков коммуникационных базовых станций требует одновременно низкой стоимости и высокой гибкости решений. Выбор высокочастотного модулятора значительно влияет как на цену, так и на гибкость решения, таким образом, фактически задавая базовую архитектуру передатчика.

Решение проблемы для архитектуры с одним передатчиком

Для решения проблемы создания передатчика с несколькими несущими компания Maxim Integrated Products разработала прямой квадратурный высокочастотный модулятор — микросхему MAX2022. Устройство обеспечивает исключительно широкий динамический диапазон, предоставляя разработчику передатчика широкие возможности управления параметрами системы. Комбинация очень высоких значений OIP2 и OIP3 с чрезвычайно низким уровнем собственного выходного шума (примерно –174 дБм/Гц) позволяет достичь стабильных характеристик несущих со значительным запасом по всем важным параметрам спецификации. Архитектура с одним передатчиком в настоящее время может поддерживать несколько видов модуляции — от CDMA2000 до WCDMA и OFDM— с числом несущих до девяти. Кроме того, весьма высокие характеристики этого модулятора могут быть использованы в передатчиках для значительного снижения требований к аппаратному обеспечению и стоимости, а также для существенного увеличения гибкости устройства.

Конструкции современных передатчиков должны обеспечивать ширину полосы пропускания самих несущих WCDMA, равную 20 МГц. Кроме того, система должна поддерживать ширину полосы пропускания, необходимую для того, чтобы цифровым образом предысказить передаваемый сигнал для корректирования последующих искажений, вносимых усилителем мощности. Эта ширина полосы пропускания может превосходить 100 МГц. На рис. 6 показан спектр такого сигнала.

Можно видеть, что необыкновенно большая ширина полосы пропускания выходного передаваемого высокочастотного сигнала выходит за пределы диапазона UMTS. Это, следовательно, требует, чтобы шумовые параметры передающей системы согласовывались с требованиями передатчика выше границ диапазона без использования высокочастотных фильтров для «отрезания» паразитных сигналов ишумов. Это приводит к появлению дополнительных требований к используемому модулятору. Широкая полоса пропускания и большой динамический диапазон модулятора MAX2022, однако, позволяют осуществлять разработку таких систем без особых сложностей.

На рис. 7 показаны зависимости ACLR для случаев генерации одной, двух и четырех несущих WCDMA в диапазоне частот UMTS. Исключительно хорошие значения ACLR сохраняются в весьма широком диапазоне уровней выходной мощности благодаря широкому диапазону модулятора MAX2022. Широкий диапазон выходных мощностей весьма полезен при разработке систем WCDMA. Показанный на этом же графике уровень собственных шумов иллюстрирует общий доступный динамический диапазон для конкретного фиксированного значения ACLR. Сигнал WCDMA с четырьмя несущими при –28 дБм на несущую, например, даст ACLR 66 дБ и выходной уровень собственных шумов –173,5 дБм/Гц.

Этот крайне высокий уровень характеристик делает модулятор MAX2022 в равной степени хорошо подходящим для генерации сигналов с другими видами модуляции, такими как OFDM, QAM и др. При использовании для генерации сигналов стандартов CDMA2000 и TD-SCDMA может поддерживаться до девяти несущих. MAX2022 — это одно аппаратное решение, которое может генерировать сигналы в соответствии с любой или всеми этими схемами модуляции.

Конструкция системного уровня

Узлы сопряжения с модулятором MAX2022 разрабатываются с точки зрения минимизации требований вспомогательных цепей. Эта конструкция значительно снижает общую стоимость системы в целом. Согласованные по импедансу интегрированные буферы гетеродина и согласующий трансформатор позволяют использовать однотактное подключение гетеродина на низких уровнях мощности генератора от –3 до +3 дБм. Интегрированный согласующий высокочастотный трансформатор для выходного сигнала обеспечивает однотактный высокочастотный выход, согласованный по импедансу 50 Ом. Входы I и Q представляют дифференциальный интерфейс с внутренним импедансом 44 Ом. Эти выходы поддерживают прямое подключение к выходам высококачественных цифроаналоговых преобразователей с токовым выходом, при этом не требуется использование промежуточных вспомогательных усилителей. При крайне высоких характеристиках модулятора MAX2022 довольно трудно найти внешние усилители, которые бы не ухудшали значительным образом характеристики устройства. К счастью, при использовании MAX2022 в такой конструкции усилители не являются необходимыми. На рис. 8 показано рекомендуемое подключение цифроаналогового преобразователя к модулятору MAX2022. 50-омные резисторы, подключенные к «земле», соответствующим образом согласуют ЦАП, типовой полный ток составляет 20 мА, который даст до 0 дБм на вход модулятора MAX2022.

Чтобы реализовать потенциал, заложенный в микросхему MAX2022, необходимо обеспечить тщательное конструирование на системном уровне. На рис. 9 показана рекомендуемая схема генерации четырех несущих для модуляции WCDMA с возможностями внесения цифровых предыскажений. Уровни сигналов, шума и ACLR приведены для выхода каждого показанного каскада.

Нам необходим цифроаналоговый преобразователь, а также элемент, который может генерировать сигнал с шириной полосы пропускания 50 МГц, с ACLR значительно лучшим, чем целевое значение для этой конструкции (целевое значение 65 дБ) и как можно меньшими собственными шумами и уровнями внеполосных сигналов. В качестве примера компонента, который удовлетворяет перечисленным требованиям, рассмотрим сдвоенный интерполирующий цифроаналоговый преобразователь MAX5895. Чтобы позволить ЦАП функционировать при высокой частоте выборок и с относительно низкой скоростью, рекомендуется применение интерполирующего цифроаналогового преобразователя. Теперь значимым становится затухание в интерполирующих фильтрах, поскольку фильтр нижних частот, следующий за ЦАП, не дает значительного затухания вблизи интерполируемых образов, и поэтому им можно пренебречь. Интерполирующие цифроаналоговые преобразователи будут генерировать нежелательные артефакты на всех гармониках входного сигнала основной частоты. Если эти артефакты не в достаточной степени подавлены на входе модулятора, они дадут существенные боковые полосы в выходном высокочастотном спектре модулятора. Затухание 95 дБ побочных сигналов, которое обеспечивается микросхемой цифроаналогового преобразователя MAX5895, подходит для данных целей. Это радикально снижает сложность фильтров нижних частот, следующих за цифроаналоговым преобразователем, таким образом упрощая конструкцию ЦАП и уменьшая их влияние для широкополосных сигналов на фазочастотную характеристику всей системы в целом.

Ближе к выходу модулятора мы можем видеть, что уровень выходного сигнала составляет –28 дБм на несущую и –22 дБм в целом. Значение ACLR будет задаваться параметрами модулятора при уровне +66 дБ. (Характеристики цифроаналогового преобразователя здесь не накладывают никаких ограничений.) Уровень вносимых шумов, однако, ухудшается с –174 дБм/Гц до –170 дБм. Это происходит благодаря каскадированию уровня шума ЦАП. Таким образом, чтобы достигнуть высоких характеристик системы, нужно тщательно подходить к выбору всех элементов конструкции.

Выбранный высокочастотный усилитель должен иметь низкий коэффициент шума и соответствующий требованиям OIP3 для снижения эффекта покаскадного ухудшения значения ACLR. Если усиление равно 12 дБ, то для этого каскада рекомендуется значение OIP3, превышающее +30 дБм. Высокочастотный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления MAX2057 может быть рекомендован для этого приложения, чтобы обеспечить возможность регулирования общего усиления цепочки для точного выставления выходного уровня в –6 дБм на несущую или 0 дБм в сумме. Значение OIP3 более +37 дБм гарантирует, что в итоге ACLR останется не хуже +65 дБ.

Конструкция каскадного передатчика дает отличный ACLR на уровне +65 дБ при поддержании уровня собственных шумов не более –139 дБц/Гц относительно каждой несущей индивидуально. Требования к собственному шуму и уровню внеполосных сигналов достигаются без использования высокочастотной фильтрации. Это позволяет одну и ту же аппаратную реализацию использовать во множестве различных диапазонов без изменений. Более того, простота этой конструкции с несколькими устройствами делает ее весьма компактной и оптимальной с точки зрения соотношения качества, возможностей и цены.

Заключение

Рассмотренный новый модулятор MAX2022 не имеет себе равных по эффективности в приложениях передачи данных. Это позволяет использовать архитектуру с нулевой промежуточной частотой, а также архитектуру со смесителем с подавлением зеркальной частоты. Устройство представляет собой легкое в использовании, современное, недорогое и гибкое решение, позволяющее разрабатывать высокоэффективные передающие системы с минимальными затратами.

За более подробной информацией обращайтесь к нашим локальным дистрибьюторам www.maxim-ic.com/ru