Высокоскоростные преобразователи данных для связи 5G


PDF версия

Высокоскоростные преобразователи данных позволяют оцифровывать или генерировать сигналы непосредственно на радиочастотах. Эти устройства можно использовать вместо традиционных РЧ-компонентов, к которым относятся смесители и гетеродины с цифровой обработкой данных. Кроме того, благодаря использованию преобразователей с РЧ-выборкой, работающих на скоростях в несколько Гвыб/с в нескольких полосах в приложениях сотовой связи, сокращаются размеры и энергопотребление оборудования. В результате уменьшается количество выносных радиоблоков (RRH) на каждой базовой станции.

АЦП с РЧ-выборкой для многополосных приемников

В традиционных радиоархитектурах используется либо схема с сигналом промежуточной частоты (ПЧ) (см. рис. 1а), либо с нулевой ПЧ (см. рис. 1б). В первой из них сигнал с антенны усиливается и преобразуется с понижением частоты с помощью смесителя до ПЧ, которая, как правило, составляет около 10% от исходной РЧ. Усилитель с регулируемым усилением усиливает сигнал ПЧ, который проходит через полосовой фильтр до оцифровки в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Схемы ПЧ обычно состоят из дискретных компонентов, поскольку в них трудно интегрировать фильтр ПЧ.

Рис. 1. Схема с: а) сигналом промежуточной частоты; б) нулевой ПЧ; в) РЧ-выборкой
Рис. 1. Схема с:
а) сигналом промежуточной частоты;
б) нулевой ПЧ;
в) РЧ-выборкой

В схеме с нулевой ПЧ аналоговый квадратурный демодулятор усиливает РЧ-сигнал и понижает его частоту до основной полосы. После фильтрации сдвоенный АЦП преобразует комплексный аналоговый сигнал в цифровой. Приемник со схемой с нулевой ПЧ допускает интегрирование сигнала, учитывая АЦП и НЧ-фильтры, работающие в основной полосе частот.

На рисунке 1в показана схема с РЧ-выборкой. У этой схемы – тот же функционал, но каскады смесителя и основной полосы частот являются цифровыми. Они осуществляют прямое цифровое преобразование РЧ-сигнала с антенны после усиления и фильтрации.

Добавление второй полосы в схему с ПЧ или нулевой ПЧ, как правило, требует второй сигнальной цепи с дополнительными компонентами, что обусловлено ограничениями на ширину полосы частот. Для сравнения: производительность одного АЦП с РЧ-выборкой, работающего на скорости в несколько Гвыб/с, позволяет оцифровывать сигналы в нескольких радиочастотных полосах. В таких случаях добавление двух и более полос требует только дополнительных преобразователей с понижением частоты для преобразования добавленных полос в сигналы основной полосы.

Разумеется, схемы с РЧ-выборкой не стали бы привлекательными, если бы их производительность и рассеиваемая мощность были хуже, чем у архитектур с ПЧ или нулевой ПЧ. Поскольку применение КМОП-технологии позволило повысить скорость обработки данных и уменьшить мощность цифровых цепей, у АЦП с РЧ-выборкой – схожая производительность при меньшей мощности, чем у традиционных архитектур.

В таблице 1 сравниваются три рассматриваемые архитектуры для системы из четырех приемников с шириной полос по 100 МГц. В традиционной архитектуре применяются компоненты TRF37B32, LMH6521, ADC16DX370 и LMX2581 от компании Texas Instruments. Значения параметров оценочного модуля TSW16DX370EVM взяты из руководства пользователя.

Таблица 1. Сравнение архитектур счетверенного приемника на частоте 2,6 ГГц
Параметр С ПЧ С нулевой ПЧ РЧ-выборка
Однополосная система
Кол-во активных компонентов 7 2 1
Размер 2×60×40 мм 2×12×12 мм 17×17 мм
Рассеиваемая мощность 8,5 Вт 5,4 Вт 7,5 Вт
Двухполосная система
Кол-во активных компонентов 14 4 1
Размер 4×60×40 мм 4×12×12 мм 17×17 мм
Рассеиваемая мощность (четыре канала приемника) 17 Вт 10,8 Вт 7,5 Вт
Данные из спецификаций (макс. усиление)
Коэффициент шума 11 дБ 13 дБ 19 дБ
IIP3 7 дБм 22 дБм 23 дБм
IIP2 неприменимо1 45 дБм неприменимо1
Внутриполосный SFDR 83 дБн 73 дБн 80 дБн
Искажения в боковой полосе (скорректированные) отсутствует 75 дБн отсутствует
Проникновение паразитного сигнала гетеродина отсутствует2 –85 дБ полной шкалы нет гетеродина
Фазовый шум ФАПЧ (смещение – 1 МГц) –135 дБн/Гц –123 дБн/Гц –126,7 дБн/Гц
Двухполосное управление усилением да да единый доступ к динамическому спектру для обеих полос

1 В полосе отсутствует искажение 2-го порядка.
2 Паразитный сигнал гетеродина в полосу не проникает.

Для архитектуры с нулевой ПЧ данные были взяты из спецификации стандартного двухканального интегрального приемопередатчика в режиме приема, а в случае схемы с РЧ-выборкой – данные для приемной стороны четырехканального трансивера с 9‑Гвыб/с ЦАП и 3‑Гвыб/с АЦП. Несколько ключевых рабочих параметров из таблицы 1 использовались в качестве отправных на частоте 2,6 ГГц.

Из таблицы 1 видно, что в однополосных приложениях размеры трансивера с аналоговым входным блоком с РЧ-выборкой и двух двухканальных трансиверов с нулевой ПЧ приблизительно одинаковы, а у трансивера с дискретной архитектурой ПЧ – в 10 раз больше. Потребляемая мощность у трансивера с нулевой ПЧ на 28% ниже, но его показатели хуже в присутствии помех.

В двухполосной системе можно использовать тот же аналоговый входной блок с РЧ-выборкой, что лишь минимально увеличит рассеиваемую мощность. У архитектур с ПЧ и нулевой ПЧ, применяемых в одно- и двухполосной системах, количество компонентов, размеры решений и рассеиваемая мощность в два раза больше. Преимущества однополосной схемы становятся еще более ощутимыми при добавлении третьей или четвертой полосы.

У архитектуры с РЧ-выборкой несколько более высокой коэффициент шума, чем в случае схем с ПЧ или нулевой ПЧ. Следовательно, у малошумящего усилителя (МШУ), установленного перед аналоговым входным блоком с РЧ-выборкой, коэффициент усиления должен быть больше, чтобы уменьшился коэффициент шума всей системы. Поскольку аналоговый входной блок с РЧ-выборкой принимает полезные сигналы малого уровня в присутствии большой помехи, его динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR) внутри полосы лучше, чем у схемы с нулевой ПЧ, и ниже уровень искажений в боковой полосе.

Однако у дискретной схемы с ПЧ имеется несколько преимуществ, к числу которых относятся SFDR и фазовый шум. Еще одним преимуществом является возможность использования узкополосного фильтра ПЧ, например ПАВ‑фильтра, который существенно подавляет внеполосные помехи.

В приложениях с многополосной РЧ-выборкой встроенный цифровой шаговый аттенюатор на входе одновременно управляет уровнем входного сигнала во всех полосах, хотя имеется возможность использовать отдельные внешние усилители с регулируемым КУ для каждой полосы. Наличие большой помехи в одной полосе, которую следует подавить в большей степени, влияет на шум в другой полосе, что уменьшает уровень чувствительности системы. Применение двух раздельных однополосных приемников позволяет независимо регулировать КУ в каждой полосе так, чтобы источник помех в одной полосе не влиял на чувствительность в другой полосе.

 

ЦАП с РЧ-выборкой в многополосных передатчиках

Далее мы рассмотрим использование в передатчике (нисходящем канале) ЦАП с РЧ-выборкой.

На рисунке 2а показана сигнальная цепь на базе архитектуры с нулевой ПЧ. Сдвоенные ЦАП генерируют комплексный аналоговый сигнал, который преобразуется с повышением частоты с помощью аналогового квадратурного модулятора и гетеродина в РЧ-сигнал. На рисунке 2б показана схема с РЧ-выборкой: при той же функциональности квадратурная модуляция осуществляется в цифровом виде путем смешения комплексного сигнала с сигналом генератора с цифровым управлением (NCO).

Схемы с: а) нулевой ПЧ; б) РЧ-выборкой
Рис. 2. Схемы с:
а) нулевой ПЧ;
б) РЧ-выборкой

Чтобы добавить вторую полосу в схему с нулевой ПЧ, можно использовать либо цифровую комбинацию двух полос, для чего потребуется исходный сигнал с очень широкой полосой пропускания (что нецелесообразно для полос с разделением более 300 МГц из-за несоответствия между компонентами квадратурной модуляции I/Q), либо задействовать вторую сигнальную цепь.

Приложениям с РЧ-выборкой требуется только второй цифровой преобразователь сигналов с повышением частоты (относительно небольшая цепь, реализованная по КМОП-процессу) для генерации сигнала перед блоком ЦАП. Для реализации дополнительных полос количество цифровых преобразователь сигналов с повышением частоты легко наращивается.

Разумеется, схема с РЧ-выборкой не используется в тех случаях, если ее производительность и величина рассеиваемой мощности ниже, чем у схемы с нулевой ПЧ. Благодаря тому, что КМОП-технология увеличила скорость и уменьшила рассеиваемую мощность цифровых цепей, эффективность ЦАП с РЧ-выборкой и меньшей мощностью сравнялась с показателями традиционных архитектур.

В таблице 2 сравниваются параметры системы с двумя передатчиками, построенной на схеме с нулевой ПЧ и на схеме с РЧ-выборкой. В состав традиционной схемы входят компоненты DAC38J84, TRF3722 и TRF3705 от компании TI (данные взяты из руководства пользователя исходного проекта TSW38J84), а в системе с РЧ-выборкой применяются двухканальные ЦАП со скоростью 9 Гвыб/с. В качестве эталонного значения для динамического диапазона в этой архитектуре используются коэффициенты утечки в соседний (ACLR) и альтернативный (alt-ACLR) каналы для сигнала WCDMA (широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов). Чем эти коэффициенты выше, тем лучше.

Таблица 2. Параметры системы на схемах с нулевой ПЧ и с РЧ-выборкой
Параметр Схема с нулевой ПЧ РЧ-выборка
Однополосная система
Кол-во активных компонентов 3 1
Размер 45×70 мм 10×10 мм
Рассеиваемая мощность 3,37 Вт 3,01 Вт
Двухполосная система
Кол-во активных компонентов 6 1
Размер 45×140 мм 10×10 мм
Рассеиваемая мощность 6,74 Вт 3,4 Вт
Рабочие параметры
Выходная мощность –8 дБм –6 дБм
WCDMA ACLR 73 дБн 75 дБн
WCDMA alt-ACLR 81 дБн 78 дБн
Подавление в боковой полосе (нескорректированное) 40 дБн нет боковой полосы

 

Сравнение схем с нулевой ПЧ и РЧ-выборкой на частоте 1,8 ГГц

Даже по сравнению с оптимизированным размером системы на основе архитектуры с нулевой ПЧ у схемы с РЧ-выборкой – большие преимущества по габаритам, рассеиваемой мощности и другим параметрам (см. табл. 2). При использовании трех–четырех полос преимущества становятся еще заметнее.

На рисунке 3 показан выходной спектр ЦАП DAC38RF83, передающего LTE-сигналы в полосе шириной 20 МГц в 3GPP-диапазонах 1, 3 и 7. Интервалы между сигналами составляют 830 МГц.

Выходной спектр ЦАП DAC38RF83 с тремя 3GPP-полосами
Рис. 3. Выходной спектр ЦАП DAC38RF83 с тремя 3GPP-полосами

У ЦАП с РЧ-выборкой, которые генерируют многополосные сигналы в диапазоне в несколько ГГц, имеются некоторые ограничения. Главное из них заключается в ширине полосы и КПД усилителей мощности (УМ), которые обычно используются в системах с выносными радиомодулями. Недавние успехи, достигнутые в области совершенствования нитридо-галлиевой технологии, позволяют усилителям мощности работать в полосах частот, разделенных на 300–400 МГц. Ожидается, что в дальнейшем разделение между полосами станет исчисляться гигагерцами.

Далее мы сравним передатчик с прямой РЧ-выборкой и схему с аналоговым РЧ-сигналом. Кроме того, мы рассмотрим преимущества передатчика на основе ЦАП с прямой выборкой.

 

Передатчики аналогового комплексного сигнала ПЧ

В традиционных архитектурах передатчиков используется местный гетеродин и смеситель для генерации сигнала с ПЧ. На рисунке 4 представлена базовая структурная схема передатчика аналогового комплексного сигнала ПЧ.

Структурная схема РЧ-передатчика аналогового комплексного сигнала ПЧ
Рис. 4. Структурная схема РЧ-передатчика аналогового комплексного сигнала ПЧ

Для работы с комплексным цифровым входным сигналом обычно используется LVDS-интерфейс для двух каналов данных – синфазного (I) и квадратурного (Q). В некоторых приложениях применяется интерполяция комплексных I‑ и Q‑сигналов с помощью коэффициента R. Интерполяция смягчает требования к аналоговому фильтру и позволяет уменьшить внутриполосный шум. Цифровой модулятор комплексного сигнала и генератор с цифровым управлением осуществляют микширование сигналов. Сдвоенные ЦАП преобразуют цифровые ПЧ-несущие I и Q в аналоговые сигналы.

В аналоговой области два параллельных сигнала проходят через НЧ-фильтры и поступают в соответствующие I‑ и Q‑смесители. В эти смесители поступают сигналы с I‑ и Q‑каналов гетеродина. В результате объединения двух сигналов в суммирующем модуле образуется комплексный модулированный сигнал на требуемой частоте.

При использовании этой стандартной архитектуры передатчика появляются искажения в гетеродине. Перед каскадом, усиливающим напряжение, установлен полосовой или ПАВ‑фильтр, который уменьшает амплитуду нежелательного искажения. Спад амплитудно-частотной характеристики фильтра после частоты среза должен быть достаточно крутым, а частота гетеродина – стабильной, чтобы уменьшить нежелательные искажения в боковой полосе частот (на частоте fГЕТ – fПЧ), не ухудшив полезный сигнал (см. рис. 5а).

неидеальные искажения от аналогового РЧ-передатчика (а) и от идеальных искажений от РЧ ЦАП с прямой выборкой (б)
Рис. 5. Неидеальные искажения от аналогового РЧ-передатчика (а) и от идеальных искажений от РЧ ЦАП с прямой выборкой (б)

Как видно из рисунка 5а, любое фазовое несоответствие или отклонение коэффициента усиления от идеального значения между I‑ и Q‑трактами аналогового сигнала становится причиной появления искажений в боковой полосе. Кроме того, сигнал гетеродина может просочиться сквозь каскад смесителя и появиться в выходном РЧ-сигнале в виде утечки. Эти неидеальные искажения ухудшают эффективность аналоговой системы, поскольку для их подавления требуются дополнительные фильтры и схемы калибровки, что, в свою очередь, повышает сложность и стоимость решения.

У такой архитектуры – ограниченная полоса пропускания выходного сигнала, поскольку частота выборки на входе сдвоенного ЦАП с интерполяцией в основной полосе частот ограничена объемом данных, передаваемых по относительно медленным интерфейсам LVDS или КМОП. Часто из-за этого ограничения возникает потребность в использовании аналоговых квадратурных модуляторов или блоков оборудования, работающих с разными частотами гетеродина, чтобы обеспечить поддержку разных РЧ-полос.

 

Решения на базе РЧ ЦАП

Сгенерированный на входе исходный сигнал оцифровывается с повышением частоты с помощью I/Q‑интерполяторов, цифрового квадратурного модулятора и генератора с цифровым управлением. Тракты I/Q‑данных в модуляторе идеально согласованы (благодаря цифровой реализации), что предотвращает появление искажений в боковой полосе (см. рис. 5б). Их отсутствие и несущая частота гетеродина исключают необходимость в использовании дорогостоящих и сложных ПАВ‑фильтров. Далее сигнал поступает в РЧ ЦАП для создания радиочастотного сигнала.

На входе интерфейса JESD204B передатчика РЧ ЦАП, показанного на рисунке 6, интерполяторы повышают частоту выборки относительно частоты оцифровки данных.

Высокоскоростной последовательный интерфейс JESD204B на входе передатчика с РЧ ЦАП позволяет повысить частоту выборки входных данных
Рис. 6. Высокоскоростной последовательный интерфейс JESD204B на входе передатчика с РЧ ЦАП позволяет повысить частоту выборки входных данных

Передатчик с РЧ ЦАП заменяет собой аналоговый гетеродин с NCO-генератором, устраняя возможность просачивания сигнала гетеродина на аналоговый РЧ-выход. Ширина полосы выходного сигнала РЧ ЦАП и ширина зоны Найквиста (fЦАП/2) определяют максимальную радиочастоту.

На вход передатчика с РЧ ЦАП с последовательным интерфейсом JESD204B поступают высокоскоростные 5G-сигналы, благодаря чему обеспечивается более широкая полоса пропускания сигналов, чем у аналогового РЧ-передатчика аналогового комплексного сигнала ПЧ. По сравнению с этим передатчиком схема передатчика РЧ ЦАП позволяет упростить и уменьшить стоимость решения; при этом увеличивается ширина полосы пропускания и сокращается размер печатной платы.

 

Сравнение архитектур

Использование РЧ ЦАП позволяет сократить суммарную стоимость системы за счет меньших размеров печатной платы, количества компонентов и более простой схемы (см. табл. 3).

Таблица 3. Сравнение преимуществ и недостатков ПЧ ЦАП и РЧ-передатчика аналогового комплексного сигнала ПЧ
РЧ ЦАП РЧ-передатчик аналогового комплексного сигнала ПЧ
меньше занимаемая площадь на печатной плате оптимальная обработка каждого компонента сигнала
меньше компонентов хорошо освоенная технология
выход годных изделий больше требуется индивидуальная плата для работы с каждой полосой
более простая РЧ-схема необходима калибровочная схема, позволяющая уменьшить искажения сигналов I/Q и просачивание сигнала гетеродина
отсутствует проникновение сигнала гетеродина  
отсутствует рассогласование между каналами I и Q  
ширина полосы достигает нескольких ГГц  
стандартное оборудование для многополосной связи  

Таким образом, на следующем этапе развития связи востребованы передатчики с прямым преобразованием данных в РЧ-сигналы. Используемые в них интерполирующие и модулирующие 16‑бит ЦАП характеризуются малым паразитным шумом и более простой реализацией. Благодаря высокой скорости передачи данных в диапазоне нескольких Гвыб/с обеспечивается большая ширина полосы при меньшей стоимости решений, применяемых в технологии связи 5‑го поколения.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *