PCB Tecnico - Dispositivi ADC e RF ad alte prestazioni dinamiche nei ricevitori RF digitali

Il sistema della stazione base (BTS) deve soddisfare i requisiti dell'indice del collegamento del segnale mentre soddisfa vari standard. Questo articolo introduce alcuni dispositivi di collegamento del segnale che dinamizzano dispositivi ADC e RF ad alte prestazioni in ricevitori RF digitali, come ADC ad alte prestazioni dinamiche, amplificatore a guadagno variabile, mixer e oscillatore locale, e introduce il loro uso in stazioni base tipiche in dettaglio, che possono soddisfare i requisiti del sistema della stazione base per alte prestazioni dinamiche, alte prestazioni di intercettazione e basso rumore.

La maggior parte dei ricevitori digitali ha requisiti elevati per convertitore analogico-digitale ad alte prestazioni (ADC) e simulatore. Ad esempio, il ricevitore digitale della stazione base cellulare richiede una gamma dinamica sufficiente per elaborare segnali di interferenza di grandi dimensioni, in modo da demodulare i segnali utili con basso livello. Il convertitore analogico-digitale da 15 bit a 65 msps di Maxim max1418 o convertitore analogico-digitale da 12 bit 65msps max1211, accoppiato al mixer integrato da 2GHz max9993 o 900MHz max9982, può fornire eccellenti caratteristiche dinamiche per i circuiti chiave a due stadi del ricevitore. Inoltre, gli amplificatori digitali di guadagno regolabili (DVGA) max2027 e max2055 a frequenza intermedia di Maxim (se) possono fornire un alto punto di taglio dell'uscita di terzo ordine (OIP3) in molti sistemi e soddisfare la gamma di regolazione del guadagno richiesta dal sistema.

Chip e circuito ADC Max1418

La stazione base cellulare (BTS: ricetrasmettitore della stazione base) è composta da diversi moduli hardware, uno dei quali è il modulo transceiver (TRX) che esegue le funzioni di ricezione RF (Rx) e trasmissione (TX). Nei vecchi amplificatori analogici e TAC BTS, un ricetrasmettitore può essere utilizzato solo per elaborare un full duplex RX e TX RF carrier. Per ottenere la copertura richiesta delle chiamate, molti ricetrasmettitori sono tenuti a fornire abbastanza vettori. Oggi, in tutto il mondo, la tecnologia analogica è stata sostituita da CDMA e WCDMA, e il GSM è stato adottato in Europa 10 anni fa. In CDMA, più utenti di chiamata utilizzano la stessa frequenza RF, in modo che un ricetrasmettitore possa elaborare i segnali di più utenti di chiamata allo stesso tempo. Finora, ci sono stati diversi schemi di progettazione CDMA e GSM. I produttori di BTS si sono inoltre impegnati ad esplorare metodi per ridurre i costi e i consumi energetici. Ottimizzare soluzioni single carrier o sviluppare ricevitori multi carrier sono soluzioni efficaci. La Fig. 1 è un diagramma strutturale a blocchi di un ricevitore di sottosampling comunemente usato nelle apparecchiature BTS.

Figura 1. Diagramma a blocchi di struttura del ricevitore sottocampionamento

Nella Figura 1, i mixer max9993 a 2GHz e max9982 a 900MHz di Maxim possono fornire il guadagno e la linearità richiesti per molti progetti e hanno un rumore di accoppiamento molto basso, in modo che quei mixer passivi con alta perdita non siano più necessari. Max2027 e max2055 lavorano nella prima e seconda fase di media frequenza del ricevitore. OIP3 di questi due dispositivi può raggiungere + 40dbm nell'intera gamma di regolazione del guadagno. Nel circuito mostrato in Figura 1, max1418 (15 bit, 65msps) e max1211 (12 bit, 65msps) sono utilizzati come convertitori di dati. Inoltre, i prodotti del convertitore di dati di Maxim hanno anche altri dispositivi con tasso di campionamento, che possono soddisfare la maggior parte dei requisiti di progettazione. Se viene omesso il secondo convertitore verso il basso nella figura 1 (mostrato nella linea tratteggiata), il circuito mostrato nella figura 1 diventa un'unica struttura verso il basso. ADC a basso rumore di Maxim: max1418.

La struttura del ricevitore sottoamplificante mostrata nella figura 1 ha requisiti rigorosi per il rumore e la distorsione dell'ADC. Nel ricevitore, il segnale utile a basso livello viene digitalizzato da solo o accompagnato da segnali inutili e di grande ampiezza che necessitano di maggiore attenzione. Pertanto, per far funzionare normalmente il ricevitore, il coefficiente di rumore effettivo di ADC dovrebbe essere calcolato in base alle condizioni estreme di questi due segnali (cioè il segnale utile minimo e il segnale inutile massimo). Per i piccoli segnali analogici in ingresso, il rumore termico e il rumore di quantizzazione dominano la base di rumore di ADC, che determina la cifra di rumore (NF) di ADC.

Infatti, il coefficiente di rumore effettivo di ADC in condizioni di segnale piccolo è determinato e il coefficiente di rumore a cascata del circuito analogico (RF o se) è determinato di conseguenza. Il guadagno minimo di potenza del circuito dello stadio anteriore ADC deve soddisfare i requisiti del coefficiente acustico del circuito ricevente. Generalmente, il valore di guadagno di potenza è il limite superiore del livello massimo di blocco o del livello massimo di interferenza consentito dal ricevitore prima del sovraccarico ADC. In BTS, se AGC non viene utilizzato, la gamma dinamica di ADC non può soddisfare i requisiti del coefficiente di rumore del circuito (sensibilità del ricevitore) e del blocco massimo. Il circuito AGC può essere posizionato in RF o se il circuito di livello o il circuito AGC in circuito a due stadi.

Altri prodotti della serie max1418 sono particolarmente adatti per applicazioni in banda base con feinput = fclock/2. Quando il convertitore funziona in questa gamma di frequenze, la migliore gamma dinamica sarà ottenuta utilizzando questi dispositivi con eccellenti caratteristiche di banda base. Questi prodotti includono max1419 per velocità di clock 65msps e max1427 per velocità di clock 80msps. La loro banda base SFDR (nessuna gamma dinamica vaga) può raggiungere 94.5dbc.

La tabella 1 elenca i principali parametri tecnici di max1418

Quando il LSB non è collegato, il max1418 può funzionare anche con dispositivi di interfaccia a 14 bit. In questo modo, SNR sarà leggermente perso, mentre SFDR non sarà influenzato.

La figura 2 mostra la distribuzione del rumore di ADC senza blocco. Qui, si presume che il coefficiente di rumore totale a cascata di tutti i circuiti analogici prima dell'ADC sia 3.5db e l'obiettivo di progettazione è che il deterioramento del coefficiente di rumore totale causato dall'ADC non superi 0.2db, in modo da soddisfare i requisiti di sensibilità del ricevitore della stazione base CDMA. Tale valore del coefficiente di rumore dovrebbe lasciare margine sufficiente per l'interfaccia dell'aria, ma il risultato finale dipende dai requisiti di EB / no (rapporto tra energia bit e densità spettrale di potenza del rumore) del rivelatore dell'ultimo stadio. Sulla base del substrato di rumore termico + quantizzazione di max1418 nella Tabella 1, quando l'orologio del dispositivo è 61,44 msps (50x chip rate), il suo coefficiente di rumore equivalente è 26,9 db. A causa del controllo del guadagno di processo, il rumore ADC nella larghezza di banda del canale CDMA 1,23 mhz è 14dB inferiore a quello nella banda larga Nyquist. In generale, al fine di ottenere la cifra di rumore a cascata del ricevitore 3.7dB, il guadagno totale dovrebbe raggiungere 36dB.

Figura 2. Distribuzione del rumore ADC senza blocco

Quando il guadagno front-end di ADC è 36dB, il livello di blocco del singolo tono superiore a - 30dBm all'estremità dell'antenna supererà la gamma di ingresso di ADC. cdma2000 ® Lo standard della stazione base cellulare stabilisce che il livello massimo di blocco consentito all'estremità dell'antenna è - 30dBm. In questo momento, il guadagno front-end deve essere ridotto di 6 dB, in modo che il segnale di blocco massimo consentito per essere aggiunto all'ADC sia più grande all'interno dell'intervallo di margine consentito dalla specifica standard. Supponendo che sia rimasto un margine di 2dB, il livello massimo di blocco all'estremità dell'antenna diventerà - 26dbm e il segnale di ingresso massimo ammissibile dell'ADC diventerà + 4dbm quando il guadagno front-end è ridotto di 6dB (vedi Fig. 3). Quando si verifica il blocco del singolo tono, lo standard cellulare consente all'interferenza totale (rumore + distorsione) di deteriorarsi di 3dB rispetto alla sensibilità di riferimento, ma come distribuire il 3dB tra rumore e distorsione è lasciato al progettista.

Ipotesi: in caso di segnale di blocco, il guadagno AGC è di 6dB e la progettazione consente al rumore a cascata di front-end RF più la distorsione di ridurre NF di 1dB (valore nominale è 3.5db). Quando il guadagno front-end di ADC è solo 30dB, il SNR di ADC determina che il suo valore di rumore effettivo è 29.4db e la cifra di rumore del ricevitore a cascata in "condizione di blocco" è di 5.7db, che è 2 dB inferiore al valore di rumore di 3,7 dB calcolato in base alla sensibilità del ricevitore. Poiché le caratteristiche spurie non sono prese in considerazione in questo calcolo, l'intervallo spurio libero dinamico (SFDR) di ADC consente una riduzione aggiuntiva di 1dB. Quando c'è un segnale di blocco, SINAD può essere utilizzato per calcolare l'NF effettivo e i valori base del rumore e SFDR non vengono più calcolati rispettivamente.

Figura 3. Risposta acustica ADC in caso di blocco

Max11211 permette una struttura di conversione down

Se si possono ottenere abbastanza indici SNR e SFDR nel segmento if superiore, il circuito di campionamento inferiore può essere utilizzato nella struttura di conversione primaria verso il basso. Max11211 12 bit e 65msps convertitore sono progettati con questa struttura. I suoi pin sono compatibili con i prossimi convertitori 80msps e 95msps. Questa serie di dispositivi può campionare direttamente il segnale di ingresso se numero con frequenza fino a 400MHz. Inoltre, ha anche altre prestazioni avanzate, come l'ingresso dell'orologio può essere segnale differenziale o segnale terminale singolo, il ciclo di lavoro dell'orologio può essere compreso tra il 20% e l'80%, inoltre, ha anche un indicatore efficace dei dati (per semplificare la sequenza dell'orologio e dei dati), e adotta il pacchetto QFN a 40 pin di piccole dimensioni (6mm x 6mm x 0.8mm), codice complementare binario e formato di uscita digitale del codice grigio. La tabella 2 elenca le caratteristiche AC tipiche di max11211 con una frequenza di ingresso analogica di 175mhz.

Grafico 2. MAX121 Caratteristiche elettriche

Rispetto alla struttura della conversione di frequenza secondaria, il convertitore primario presenta evidenti vantaggi. Il numero di componenti e lo spazio del circuito stampato possono essere ridotti di circa il 10% e il costo può essere risparmiato da $ 10 a $ 20 grazie all'eliminazione del secondo mixer di conversione down, del secondo circuito intermedio di guadagno di frequenza e del secondo sintetizzatore LO.

Considerazione del randagio di strutture diverse. Se il numero di componenti, lo spazio della scheda e il consumo energetico e il costo devono essere ulteriormente risparmiati, può essere adottata la struttura primaria di conversione di frequenza riportata di seguito. Si presume che il ricevitore CDMA2000 progettato funzioni nella banda PC, con una frequenza di campionamento di 61,44 msps, una frequenza di riferimento del sintetizzatore di 30,72 mhz, e il centro della prima frequenza intermedia selezionata alla sesta banda Nyquist di 169MHz e una larghezza di banda di circa 1,24 mhz. La stessa frequenza intermedia 169MHz e la seconda frequenza intermedia centrale sono 46.08mhz della banda Nyquist di secondo ordine.

Ipotetiche caratteristiche spurie per architetture SDC e DDC

La tabella 3 elenca le condizioni ipotizzate per la ricerca vaga del vettore RF vicino all'estremità superiore della banda PC quando vengono utilizzate strutture single carrier, primary down conversion (SDC) e due down frequency (DDC). Per la struttura SDC, 134 componenti armonici possono essere trovati in frequenza di ricezione RF, ricevendo banda di frequenza dello specchio, se banda e se banda di frequenza dello specchio. La maggior parte di questi segnali falsi hanno ordine superiore e non ridurranno le prestazioni di ricezione. Per la struttura DDC, la ricerca vaga troverà più di 2400 armoniche, che è più di 18 volte quella trovata sotto la struttura SDC. Queste armoniche sono distribuite in RF che riceve la banda di frequenza, riceve la banda di frequenza dello specchio, primo livello se banda di frequenza, primo livello se banda di frequenza dello specchio, secondo livello se banda di frequenza e secondo livello se banda di frequenza dello specchio. Per i segnali randagi dalla frequenza di riferimento armonica dell'orologio di alto ordine e del sintetizzatore, può essere soppresso considerando attentamente il layout del circuito stampato o aggiungendo filtri nella progettazione. Tuttavia, è difficile sopprimere un gran numero di componenti randagi con ordine inferiore.

Maxim fornisce anche un guadagno di controllo digitale di 1dB per stadio e alte prestazioni se amplificatore. Max2027 è un amplificatore digitale di guadagno di controllo (DVGA). Utilizza la modalità di ingresso singolo / uscita singola, che può funzionare nella gamma di frequenze da 50MHz a 400MHz e il suo coefficiente di rumore massimo di guadagno è solo 5dB. Max2055 è un DVGA con ingresso singolo / uscita differenziale, che può guidare ADC ad alte prestazioni nella gamma di frequenze da 30MHz a 300MHz. Un trasformatore step-up può essere utilizzato tra l'uscita differenziale di max2055 e l'ingresso differenziale ADC. Il trasformatore fornisce l'azionamento differenziale, che è favorevole all'equilibrio tra i segnali di uscita. I due DVGA lavorano a 5V bias e hanno OIP3 di +40dbm in tutto il range di impostazione del guadagno. Per maggiori dettagli, si prega di fare riferimento alle informazioni pertinenti sul sito web maxim (china.maximantegraded.com).

Nel circuito di ricezione, il mixer porta spesso il segnale di ingresso più grande che ha requisiti di prestazione più rigorosi. Nello stato ideale, l'ampiezza e la fase del segnale di uscita del mixer sono proporzionali all'ampiezza e alla fase del segnale di ingresso e la relazione proporzionale non è correlata al segnale LO. Secondo questa ipotesi, la risposta di ampiezza del mixer è lineare con ingresso RF ed è indipendente dal segnale di ingresso Lo.

Tuttavia, la non linearità del mixer produrrà alcuni segnali indesiderati di miscelazione, chiamati risposta spuria, che sono la risposta della banda IF generata dai segnali che arrivano alla porta RF del mixer e non ci si aspetta che appaiano. L'inutile segnale randagio interferirà con il lavoro del segnale RF utile. Se la frequenza del mixer può essere data dalla seguente formula:

Se = ± MFRF ± nflo, se RF e lo sono frequenze del segnale delle rispettive porte, e m e N sono gli ordini armonici dopo la miscelazione dei segnali RF e LO.

I miscelatori bilanciati integrati (o attivi) (come max9993 e max9982) sono interessati a causa delle loro prestazioni migliori rispetto agli schemi di miscelazione passiva. Quando m o n è pari, il mixer bilanciato può sopprimere qualche risposta vaga, e la seconda prestazione armonica è migliore. Il mixer doppio bilanciato ideale può sopprimere tutte le risposte con un numero pari di M o n (o entrambi). Nel mixer doppio bilanciato, se, le porte RF e lo sono isolate l'una dall'altra. Il mixer può sovrapporsi in bande di frequenza if, RF e LO utilizzando un trasformatore sbilanciato ragionevolmente progettato. Le caratteristiche Max9993 e max9982 includono: basso coefficiente di rumore, buffer LO, basso azionamento Lo, interruttore Lo che consente due ingressi Lo, eccellenti caratteristiche di rumore Lo, ecc. Inoltre, il trasformatore sbilanciato RF è integrato anche nelle porte RF e lo.

Questi miscelatori di Maxim sono incorporati con buffer lo con eccellenti prestazioni di rumore Lo, che riduce i requisiti per l'alimentazione lo. Generalmente, la combinazione di rumore Lo e segnale di blocco dell'ingresso con alto livello ridurrà la sensibilità della ricezione. Max9993 e max9982 contengono buffer Lo a basso rumore, che possono ridurre l'influenza sulla sensibilità di ricezione in caso di blocco. Ad esempio, supponiamo che il rumore della banda di bordo del segnale di ingresso VCO sia -145dbc/hz e che la caratteristica tipica del rumore Lo di max9993 sia -164dbc/hz, in modo che il rumore composto della banda laterale scenda solo da 0.05dbc/hz a -144.95dbc/hz. In questo modo, l'utente non solo fornisce un segnale LO di basso livello per il mixer, ma assicura anche che le caratteristiche di miscelazione del ricevitore non siano ridotte dalle prestazioni del buffer LO incorporato in max9993.

Inoltre, c'è anche una sorta di risposta falsa di secondo ordine, nota anche come risposta falsa metà se (1/2 se). Per l'iniezione di fascia bassa, l'ordine del miscelatore è: M = 2, n = -2; Per l'iniezione di fascia alta, l'ordine del miscelatore è: M = -2, n = 2. La frequenza di ingresso che provoca la metà se la risposta parassitaria è inferiore alla frequenza RF desiderata quando l'iniezione bassa è bassa (Fig. 4). La frequenza RF desiderata è 1909mhz e 1740mhz LO frequenza e la frequenza IF è 169MHz. Anche se la banda RF e se la banda portante di CDMA è 1.24mhz, è rappresentata qui come un segnale di frequenza singola con una frequenza portante centrale. In questo esempio, segnali inutili a 1824.5mhz causano una metà se componente vagante di 169MHz:

Da questo, possiamo ottenere:

2 x 1824.5MHz - 2 x 1740MHz = 169MHz

Figura 4. Posizione di FRF utili, Flo, FIF e inutile fhalf se frequenze

La soppressione totale (nota anche come risposta falsa 2x2) può essere prevista secondo il secondo punto di taglio IP2 del mixer. La figura 5 mostra il valore IMR 2x2 o falso (dati max9993 da Maxim). Nota: il livello del segnale nella figura è il livello di ingresso del mixer calcolato in base alle prestazioni IP2 (IIP2) in ingresso. La formula di calcolo specifica è la seguente:

Poiché la tipica risposta vaga 2rf - 2lo fornita dal filtro attivo Maxim max9982 900MHz è 65dbc, il metodo di calcolo del suo IIP2 è il seguente:

Figura 5. Calcolare il secondo punto di taglio del segnale di ingresso del mixer, IIP2

Quando il requisito di guadagno del ricevitore non è elevato, l'ADC max1418 a 15 bit di Maxim ha prestazioni di rumore eccellenti, in modo da poter resistere a grandi livelli di blocco o livello di interferenza con il più piccolo AGC. I prodotti della serie ADC Max1211 sono adatti per la struttura primaria di ricezione della conversione di frequenza e la sua prima se la frequenza di ingresso può raggiungere 400MHz. Inoltre, i mixer max9993 e max9982 di Maxim possono fornire la linearità richiesta, la cifra a basso rumore e l'alto guadagno di potenza, in modo che il filtro passivo possa essere omesso nel processo di progettazione del ricevitore. Il valore tipico di OIP3 di max2027 e max2055 DVGA nell'intera gamma regolabile di guadagno è di circa + 40dbm. Il ricevitore composto da questi elementi può migliorare le prestazioni di soluzioni low cost ad un livello superiore. Questo articolo introduce alcuni dispositivi di collegamento del segnale che ad alte prestazioni dinamiche ADC e dispositivi RF in ricevitori RF digitali, se avete domande siete invitati a comunicare con iPCB.