基于数字预失真技术和ADL5385实现无线通信发射机的设计

作者：Yuping Toh 

现代数字无线通信发射机的设计给设备设计者们带来了越来越多的挑战。数据吞吐量不断提升的趋势，使得所发射信号的调制密度和载波带宽也随之增加。由于更高阶次的调制方法的采用，峰均值比例也要增加。因此，在传送相同的rms功率电平信号时，要保持良好的相邻信道功率比，就要使用互调失真范围更大而噪声更小的器件。

基带、IF（中频）和RF（射频）带宽在信道中传输时必须要保持平坦，以便维持调制载波的频谱形状。而且，如果运用了数字预失真技术，高次谐波就必须能通过基带输入，增益的平坦性也需维持到三次谐波频率分量。当射频发射机设计需要在非常宽的RF频率范围上工作时，整个信号链的RF增益的平坦度是设计的关键。最大限度减小信号链增益随着频率的变化而出现的波动，就可以减轻信号链规划和预算安排的负担。本文将专注于IQ调制器的讨论，它是现代发射机中一个关键的组成部分。

IQ宽带调制器

ADL5385是一种IQ宽带调制器，使用了一个2x的本地振荡器来实现五倍频程（50MHz～2.2GHz）的工作范围。此外，它还集成了一个温度传感器，其RF输出还可以直接驱动一个50？的负载。

图1 ADL5385结构框图

IQ调制器可将基带信号的频率通过混频电路平移到RF频谱中所要求的位置上。它包含一个来自于本地振荡器的输入，其可分解成同相和正交分量。这两个信号驱动各自的混频器，而这些混频器还受到同相和正交基带信号驱动。来自这两个混频器的输出相加后可以产生一个RF或者IF频段的调制载波。ADL5385不但包含这些基本的模块，还采用一个“一分为二”的有源LO分配器来取代传统的无源多相滤波器，故可以实现宽达五个10倍频程的调谐范围。图2所示为ADL5385的宽带特性，在整个输出频率范围内，其输出功率有着非常平坦的响应，1dB带宽达到1300MHz。

图2 不同温度下的系统单边带输出

用误差向量大小衡量信号质量

误差向量（EVM）可以用来衡量信号调制的质量，它直接受到调制器内积分和幅度误差的影响。通过观察单边带频谱中的边带抑制程度可以测量出积分和幅度误差的大小。从图2中还可以看出，ADL5385 IQ调制器未经补偿的边带抑制能力在900MHz以内都低于-38dBc。一般来说，这样的边带抑制能力可以保证EVM大小能更容易地为大多数通信标准所接受。如果需要更高的性能，则可以通过调整基带信号的相对幅度和相位来使边带抑制性能达到最优化。

图3中的频谱、星座图和眼图是利用5.056941 MSym/s的随机数据借助α参数为0.18的滤波器产生的。对典型的有线调制/解调器头端来说，这一信号足以逼真地模仿其数据传输率和调制性能。可以看出，这个信号的EVM大小是0.33%rms，它的积分误差是0.27°，增益误差是0.003dB。

图3 64－QAM（正交幅度调制）载波在350MHz下的频谱、星座图和眼图

图3中的性能参数是在未对基带数据进行数字补偿的情况下获得的。上述特性连同很宽的RF调谐范围，使得该调制器不需要经过出厂前的校准就可以投入使用。这可以大大减少在设计和制造上所需花费的时间和精力。

信号质量和功率电平

图4示出了在同一种64-QAM调制载波的情况下，ACPR（相邻信道功率比）随输出功率所发生的变化。其中，码率为5.056941MSym，滤波器α系数为0.18，相邻信道带宽为5.25MHz。

图4 64－QAM相邻信道功率比随输出功率的变化情况

ADL5385 IQ调制器的低失真特性，使之能达到很高的输出功率电平，而对相邻信道的泄漏最小。这样，射频系统后续电路级的增益可以降低。

“一分为二”（1/2）分配器实现了宽带操作

有线调制解调器头端之类的系统，必须能在40～900MHz范围内动态的放置载波。用无源的电阻电容多相网络将LO分解成相互正交分量的传统调制器，并不能达到这么宽的频率范围。这是因为阻容网络只能针对一个特定的中心频率进行调谐，而且其有效范围只能覆盖两倍频程。使用IQ调制器可将基带信号上变频到电缆传输频带以上的IF频段，该频率大约为1100 MHz。该IF信号随后通过混频器实现降频，进入电缆频带。这些解决方案需要使用更多的器件，其设计的复杂性增加了人们在设计上所花费的时间和精力。显然，如果上述信号链可以被简化为单级式直接发射架构的话，系统的成本和复杂度都可以得以降低。

ADL5385利用“二分”型LO分配器来克服传统IO调制器只能覆盖两个倍频程的局限性。图5示出了这种结构，从图中可以看到LO信号和其反相信号分别成为两个D型触发器的时钟信号。在ADL5385中，反相信号是通过让输入到形成差分构形的两个D触发器上的某个信号的极性颠倒而得到的。对图5中时序进行仔细的观察，就会发现，保证所施加的LO信号处在RF输出频率的1/2频率上且LO信号的占空比恰好是50％，将是非常重要的。任何50％的偏移都将对90°的信号分离特性产生不利影响，而这接下来还会影响边带的抑制能力。

图5 ADL 5385IQ调制器使用了一个“二分”分相器电路

大基带带宽可增加数据容量。

在单通道调制系统中，数据容量可利用更高阶次的调制方案或更大的频带宽度来予以提升。图６示出ADL5385的归一化的基带频率响应。由于载波带宽增加，如何在载波信号的频带宽度范围上保持一个平坦的增益就成为难点。如果增益波动太大，则可能在数字域中进行预补偿。这个处理过程将需要每个射频频率下响应特性的测量结果，并会增加设计的复杂性并提高射频系统的制造成本。ADL5385在宽达85MHz的范围内可以保证0.1dB的基带增益平坦度。这就意味着对于大多数的应用来说，无需实行任何类型的预补偿。

图6 ADL5385基带归一化频率响应

与基带IQ DAC的无缝接口

ADL5385能与Analog Devices公司的Transmit 数模转换器（TXDAC）系列产品实现无缝集成。在二者之间的接口一般需要用到6个电阻和1个简单的LC滤波器（见图７）。来自于DAC的每一路输出的4个接地电阻，可以为ADL5385基带输入提供500mV的DC偏置，而连接在每个差分对之间的电阻则调节基带输入的AC摆幅。采用这种简化的接口，就可以避免采用单端差分或者电平平移放大器的必要。

图7 AD9779和ADL5385接口的原理图