CN0285: 宽带低误差矢量幅度(EVM)直接变频发射机

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优势和特点
  • 宽带直接变频发射机
  • 500MHz至4.4GHz RF
  • 低相位噪声
  • 低误差向量幅度(EVM)
此电路中所用产品
    应用: 
  • 成像
  • 通信
  • 电子测试和测量
  • 雷达
  • 通信
  • 防务电子
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  • EVAL-CN0285-EB1Z ($ 233.00) Broadband Low Error Vector Magnitude (EVM) Direct Conversion Transmitter
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设备驱动
Software, such as C code and/or FPGA code, used to communicate with a component's digital interface.

电路功能与优势

本电路为宽带直接变频发射机模拟部分的完整实现方案(模 拟基带输入、RF输出)。通过使用锁相环(PLL)和宽带集成 电压控制振荡器(VCO),本电路支持500 MHz至4.4 GHz范围 内的RF频率。对来自PLL本振(LO)进行谐波滤波,确保提 供出色的正交精度、边带抑制和低EVM。

图1. 直接变频发射机(原理示意图:未显示所有连接和去耦)
图2. CN-0285直接变频发射机评估板

低噪声、低压差调节器(LDO)确保电源管理方案对相位噪 声和EVM没有不利影响。这种器件组合可以提供500 MHz 至4.4 GHz频率范围内业界领先的直接变频发射机性能

电路描述

图1所示电路使用完全集成的小数N分频PLL IC ADF4351和宽带发射调制器 ADL5375 ADF4351向发射正交调制器 ADL5375 提供LO信号,后者将模拟I/Q信号上变频为RF信号。两个器件共同提供宽带基带I/Q至RF发射解决方案。 ADF4351采用超低噪声3.3 V ADP150 调节器供电,以实现最佳LO相位噪声性能。 ADL5375则采用5 V ADP3334LDO供电。 ADP150LDO的输出电压噪声仅为9 μV rms,有助于优 化VCO相位噪声并减少VCO推压的影响(等效于电源抑制)。

需要对 ADF4351RF输出进行滤波,以衰减谐波水平,使 ADL5375正交产生模块的误差最小。依据测量和仿真得 知,奇次谐波对正交误差的贡献大于偶次谐波;如果将奇 次谐波衰减至−30 dBc以下,则可以实现−40 dBc或更好的边 带抑制性能。 ADF4351 数据手册给出了其二次谐波(2H)和 三次谐波(3H)水平,如表1所示。

为使三次谐波低于−30 dBc,大约需要衰减20 dB。

表1. ADF4351 RF输出谐波水平(未经滤波)

谐波成分 数值(dBc) 描述
第二 -19 基波VCO输出
第三 -13 基波VCO输出
第二 -20 分频VCO输出
第三 -10 分频VCO输出

本电路提供四种不同的滤波器选项,以适应四个不同的频 段。这些滤波器设计采用100 Ω差分输入( ADF4351RF输出经适当匹配)以及50 Ω差分输出 ( ADL5375LOIN差分阻抗)。 并采用切比雪夫响应,以获得最佳滤波器滚降,但通带内 纹波会增多。

滤波器原理图如图3所示。这种拓扑结构十分灵活,既可 以使用全差分滤波器,使器件数量最少,也可以对各路输 出使用一个单端滤波器,或者综合运用以上二者。我们发 现,对于较高频率(>2 GHz),两个单端滤波器的串联电感值 是全差分滤波器电感值的两倍,因而器件寄生效应的影响 得以减小,可提供最佳性能。对于较低频率(<2 GHz),全差 分滤波器足以满足需要。

ADF4351 输出匹配包括ZBIAS上拉电阻,电源节点的去耦电 容也起到一定的作用。为实现宽带匹配,建议使用阻性负 载(ZBIAS = 50 Ω),或者将一个阻性负载与ZBIAS的电抗性负载 并联。后者提供的输出功率稍高,具体取决于所选的电 感。请注意,可以将并联电阻作为差分元件(即100 Ω)放置 在C1c位置上,以最大程度减少电路板占位空间(见表2中 的B型滤波器)。

将滤波器设计成截止频率约为目标频段中最高频率的1.2至 1.5倍。该截止频率允许设计留有一定余量,因为通常截止 频率会由于寄生效应而低于设计值。印刷电路板(PCB)寄生 效应可以在电磁(EM)仿真工具中进行仿真,以提高精度。

图3. ADF4351 RF输出滤波器原理图

表2. ADF4351 RF输出滤波器元件值(DNI = 不插入)

频率范围(MHz) ZBIAS L1 (nH) L2 (nH) C1a (pF) C1c (pF) C2a (pF) C2c (pF) C3a (pF) C3c (pF)
500至1300(A 型滤波器) 27 nH||50Ω 3.9 3.9 DNI 4.7 DNI 5.6 DNI 3.3
850至2450(B型滤波器) 19 nH||(100Ω,位置C1c) 2.7 2.7 3.3 100Ω 4.7 DNI 3.3 DNI
1250至2800(滤波器类型C) 50Ω 0Ω 3.6 DNI DNI 2.2 DNI 1.5 DNI
2800至4400(滤波器类型D) 3.9 nH 0Ω 0Ω DNI DNI DNI DNI DNI DNI

从表2可以看出,在1250 MHz以下的较低频率时,需要一个 五阶滤波器。对于1.25 GHz至2.8 GHz的频率,三阶滤波器 便足够。对于2.8 GHz以上的频率,由于此时谐波水平非常 低,足以满足边带抑制要求,因此无需滤波。

图4. B型滤波器的边带抑制(850 MHz至2450 MHz)
图5. EVM图

对于使用B型滤波器(800 MHz至2,400 MHz)的电路,其边带 抑制性能与频率的关系如图4所示。此次扫描的测试条件 如下:

  • 基带I/Q幅度 = 1 V p-p差分正弦波与500 mV ( ADL5375-05)直流偏置正交
  • 基带I/Q频率(fBB) = 1 MHz.

EVM衡量数字发射机或接收机的性能质量,反映幅度和相 位误差所导致的实际星座点与理想位置的偏差(见图5)。

表3给出了有滤波器和无滤波器两种情况下的EVM测量结 果。本例中,基带I/Q信号是利用3GPP测试模型4,使用 Rhode & Schwarz AMIQ I/Q调制发生器,通过差分I和Q模 拟输出产生。另外还使用了B型滤波器。图6为EVM测试设 置的框图。为了进行比较,还测量了 ADF4350 ADF4351由于带内PLL噪声性能改善产生较低的EVM可参见表3。其他改善EVM的因素有: ADF4351较低的鉴频鉴相器(PFD) 杂散水平。

表3. 单载波W-CDMA复合EVM结果:ADF4351 RF输出端有滤波器和无滤波器两种情况对比(根据3GPP规范测试模型4测量)

频率(MHz) ADF4350复合EVM,无LO滤波 ADF4350复合EVM,有LO滤波,滤波器B ADF4351复合EVM,有LO滤波,滤波器B
2140 3.27% 1.31% 1.02%
1800 1.46% 1.13% 0.95%
900 10.01% 1.03% 0.96%

图6. EVM测量设置(原理示意图)

以差分方式驱动 ADL5375 LO输入,除了可以改善边带抑制 和EVM之外,还具有性能优势。与单端LO驱动相比,这 一优势提高了调制器输出OIP2性能2 dB至5 dB。请注意,多 数外部VCO仅提供单端输出,因此 ADF4351采用差分输出优于使用外部VCO。

图7显示使用850 MHz至2450 MHz滤波器(B型滤波器)的边带 抑制结果。

图7. 850 MHz至2450 MHz、B型滤波器的边带抑制结果

有关本电路笔记的完整设计支持包,请参阅 http://www.analog.com/CN0285-DesignSupport

常见变化

当单个滤波器无法完成所需的宽带操作时,可以使用 ADF4351的辅助输出,在两种类型的滤波器之间切换(见图 8)。使用一个RF双刀四掷开关(DP4T)选择滤波器1或滤波 器2的差分输出。

图8. 利用ADF4351的主输出和辅助输出实现滤波器切换的应用图

电路评估与测试

EVAL-CN0285-EB1Z评估板包含 CN-0285中描述的电路,可以快速完成设置并评估电路性能。 EVAL-CN0285-EB1Z板的控制软件使用标准 ADF4351 编程软件,该软件包含在评估板附带的光盘上。

设备要求

需要以下设备:

  • 运行Windows®XP、Windows Vista(32位)或Windows 7,且带有USB端口的标准PC
  • EVAL-CN0285-EB1Z电路评估板
  • ADF435x编程软件
  • 5.5 V电源
  • I/Q信号源,如Rohde & Schwarz AMIQ
  • 频谱分析仪,如Rohde & Schwarz FSQ8

更多信息可参考UG-521用户指南 ADF4351 数据手册和 ADL5375数据手册。

开始使用

有关软件安装和测试设置,请参考 UG-521用户指南。此用 户指南还包含原理框图、应用原理图、物料清单、布局布 线和组装信息。更多信息可参考 且带有USB端口的标准PC ADF4351数据手册和 ADL5375数据手册。

功能框图

参见本文档中的图1和图6,以及UG-521用户指南

设置与测试

设置设备后,使用标准RF测试方法测量电路的边带抑制。

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
ADF4351 集成VCO的宽带频率合成器 ADF4351BCPZ
ADL5375 400 MHz 至6 GHz 宽带正交调制器 ADL5375-05ACPZ-R7 ADL5375-15ACPZ-R7
ADP150 超低噪声、150 mA CMOS线性调节器 ADP150ACBZ-2.75R7 ADP150ACBZ-3.0-R7 ADP150AUJZ-1.8-R7 ADP150ACBZ-1.8-R7 ADP150ACBZ-2.85R7 ADP150AUJZ-2.65-R7 ADP150AUJZ-2.8-R7 ADP150AUJZ-3.0-R7 ADP150ACBZ-2.5-R7 ADP150AUJZ-3.3-R7 ADP150ACBZ-2.8-R7 ADP150AUJZ-2.5-R7 ADP150ACBZ-3.3-R7 ADP150ACBZ-2.6-R7
ADP3334 高精度、低IQ、500 MA ANYCAP®可调低压差稳压器 ADP3334ACPZ-REEL7 ADP3334ARMZ-REEL7 ADP3334ARZ
评估硬件
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产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
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EVAL-CN0285-EB1Z Broadband Low Error Vector Magnitude (EVM) Direct Conversion Transmitter $ 233.00 Yes
所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考,指美元报价(每片美国离岸价),如有修改,恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因,国际报价可能不同。
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