קישוריות אלחוטית לבית בטכנולוגיית פמטו לתחנות בסיס בדור השלישי

מאת: תומס קאמרון ופידר פורבס ANALOG

חלק ראשון

תחנות בסיס “פמטו” ברשת הסלולרית, המכונות “תאי פמטו”, מספקות איכות גבוהה של קליטה ושימוש בלתי מוגבל להעברת נתונים וקול אלחוטיים, בעלות נמוכה, שאותם אפשר לנצל לשימוש בייתי או משרדי. התקנים זעירים אלו ישנו באופן דרמטי את פני התשתית האלחוטית.
איור 1 מתאר את העיקרון של תאי פמטו. בעוד שתאי הבסיס הרגילים מספקים כיסוי אלחוטי נרחב, תאי פמטו מספקים כיסוי כזה לתחום מוגבל, למשל לבית. תא פמטו מנתב את תקשורת ההתקנים הניידים דרך החיבור בפס רחב לאינטרנט, ומוריד את העומס ברשת האלחוט. בכך הוא מקטין את עלויות ספק השירות הסלולרי ומאפשר אספקת שירות בתוך בתים שבהם הקליטה בעייתית. בזמן השהיה בבית, תקשורת ההתקנים הניידים תעבור דרך הקישור הביתי ועלותה תהיה נמוכה. תא פמטו מתגבר על הקושי של אותות הדור השלישי לחדור קירות וקירבתו לצרכנים תאפשר איכות קו טובה, בצד חיסכון בסוללת הנייד.
בדומה לנתב Wi–Fi, תא פמטו מבוסס על תקנים שאמינותם הוכחה. תאימותו לטכנולוגיות קיימות הופכת את השימוש בו לשקוף למשתמש. שער תאי פמטו חייב לנהל אלפי או מיליוני תאי פמטו, בניגוד לרשת תאי מאקרו שבה יש עשרות או מאות תחנות בסיס.

תאי פמטו אמורים לספק איכות של תחנת בסיס בעלות של טלפון אלחוטי, ולכן, מעמידים אתגר מיוחד בפני המתכננים. לשם כך, תכנון תא פמטו חייב לנצל טכניקות ייצור זולות ומעגלים באינטגרציה גבוהה, שמקצרים את זמני הכיול והבדיקות. תאי פמטו מותקנים בבתים ולכן חייבים להיות קטנים וזולים, ומותקנים על ידי המשתמש. הם משדרים בעוצמה נמוכה – 100 מילי–וואט – ועליהם לעמוד בהפרעות ובדרישות הסדרה (regulation). התאים חייבים לנטר ערוצי GSM לצורך העברת השידור לתא חיצוני כשהמשתמש עוזב את תחום תא פמטו.
לתא פמטו שתי פונקציות: החיבור האנלוגי ומעבד פס הבסיס. החיבור האנלוגי, (הנושא במאמר זה), ממיר נתונים ספרתיים לאותות ת”ר במעגל השידור ולהפך בשרשרת הקליטה. בתכנון החיבור האנלוגי יש פשרה בין האינטגרציה לביצועים. הביצועים של פתרון ברכיבים בדידים יהיו מצוינים, אך עלותם גבוהה מדי. לעומתו פתרון באינטגרציה מלאה יהיה זול, אבל לא מספק את הביצועים הנחוצים.

איור 2 מתאר תא פמטו הפועל בפס 1 בטכנולוגיית UMTS ומנטר אותות בפסי 850, 900, 1800, 1900 ו–2100 מגה–הרץ. מקמ”ש האותות המעורבים לפס הבסיס AD9863, מקמ”ש הרדיו ADF4602–1, המגברים הליניאריים ADL5542 ו–ADL5320, מתגים, מסננים ומעגלי תמיכה נוספים יוצרים ממשק חזית אנלוגי וקומפקטי עבור תא פמטו.
בצד השידור, פס הבסיס מזין זרם נתונים מקבילי ב–12 סיביות שמומר על ידי AD9863 לאות I/Q אנלוגי שמומר לת”ר על ידי ADF4602–1, מוגבר על ידי המגברים ADL5542 ו–ADL5320 ונשלח להתקן duplexer. גלאי הספק מנטר את יציאת ת”ר. מתג בוחר בין ניטור שידור או קליטה לחיבור לאנטנה. ההספק במחבר יציאת שרשרת השידור הוא 13dBm, תואם למפרט השידור ACLR כמוגדר במפרט 3GPP תקן TS25.104.
שרשרת הקליטה כוללת מסנני SAW ומתגים לניטור הנתיב הראשי. ל–ADF4602–1 יש שלושה חיבורי כניסה, האחד לפס 1 ושתי כניסות נוספות לניטור הפס הגבוה והפס הנמוך. אפשר למתג את פס הקליטה בין 1960 מגה–הרץ לבין 2140 מגה–הרץ לניטור תדירות החיבור הנכנס, והרכיב ממיר את האות בת”ר הנבחר, לאות I/Q בפס הבסיס ומסנן אותו. אות זה נדגם על ידי ממירי ADC הכפולים שב–AD9863 ומומר לזרימה מקבילה ב–12 סיביות עבור פס הבסיס הספרתי.
החלוקה הפונקציונלית מספקת גמישות, ביצועים גבוהים, מאפשרת בחירה של מהירות ורזולוציה כדי להתאים ליישום, ושילוב הממשק האנלוגי עם פונקציות פס הבסיס הנמצאות בשוק להאצת היציאה לשוק, ומשאירה אפשרות שילוב טכנולוגיות עתידיות של ADI כשהשוק יבשיל.

ADF4602–1 – מקמ”ש רדיו משולב
ADF4602–1, המוצג באיור 3, הוא מקמ”ש דור שלישי המתאים למימוש תאי פמטו. המקלט, המבוסס על ארכיטקטורת המרה ישירה, מתאים למקלטי W–CDMA, ומשלב במלואם את כל מסנני דרגות הביניים. רוחב הפס במסנני פס הבסיס בערוץ הקליטה ניתן לבחירה ומאפשר קליטת אותות W–CDMA וגם GSM–EDGE. רוחב הפס לבחירה ומגבר LNA בכניסה מאפשרים ניטור אותות GSM–EDGE במסגרת תחנת הבסיס הביתית.
ADF4602–1 כולל שני סינתיסייזרי תדירות ניתנים לתכנות, להפקת אותות המתנדים לשידור ולקליטה. כל הרכיבים שלהם משולבים ברכיב, כולל מסנני לולאה, מתנדי VCO ורכיבים נוספים. מתנדי VCO פועלים בתדירות גבוהה פי שניים מהפס הגבוה ופי ארבעה מהפס הנמוך, ומקטינים את הספק הזליגה בתדירות הדרושה ואת טווח הכוונון הדרוש שלהם. בתכנון נכללים כיולי תדירות ומשרעת (אמפליטודה) שאינם דורשים אותות מהמשתמש ומבטיחים שהמתנדים פועלים תמיד בביצועים מיטביים. יציאות מתנדי VCO מוזנות לחוצצים – להבטחת רעש מעבר מזערי – ולמעגלים מחוללי אותות ניצבים, שיוצרים את האותות בפאזה מדויקת ביותר ונדרשים למאפנן ולגלאי האפנון. שרשרות השידור והקליטה בודדו בקפדנות רבה כנדרש על ידי מערכות FDD.

ממשק החזית של המקלט כולל שלושה מגברים בעלי ביצועים גבוהים ורעש נמוך שמאפשרים תמיכה ביישומים עם שלושה פסי תדרים. שנים מהם מתאימים לפס הגבוה מ–1800 מגה–הרץ עד 2170 מגה–הרץ, והנותר מתאים לתחום 824 מגה–הרץ עד 960 מגה–הרץ. סינון ת”ר בין הדרגות משולב ברכיב ומבטיח שהפרעות חיצוניות מחוץ לפס מונחתות לפני הערבול. הליניאריות המצוינת של ההתקן מבטיחה ביצועים טובים עם טווח רחב של התקני duplexer, שלהם מסנני SAW ומסננים קרמיים.
מעגלי גילוי אפנון בעלי ליניאריות גבוהה משמשים להמרת אותות ת”ר לפס הבסיס. ברכיב שני גלאי אפנון, האחד מותאם לפס הגבוה עם יציאות מגבר LNA והשני לפס הנמוך. יציאות הפס הנמוך והגבוה משולבות ודוחפות ישירות את הדרגה הראשונה של המסנן מעביר הנמוכים בפס הבסיס להנחתת אותות החסימה הגדולים לפני ההגברה. סינתיסייזר המקלט מספק אותות מתנד ניצבים לערבלים ממערכת הפצת אותות VCO, ומחלק מתוכנת מאפשר שימוש באותות ממתנד VCO יחיד לפס הגבוה ולפס הנמוך. התאמות מצוינות בפאזה ניצבת ובמשרעת מושגות באמצעות תכנון ופרישת רכיבים קפדניים של מעגלי גלאי האפנון ומתנד VCO.
החלק המטפל בפס הבסיס מתוכנן לספק הגבר של 54 dB עם טווח בקרה של 60 dB. אדוות, השהיית קבוצה, אובדן אותות וצריכת ההספק נשמרים בערכי המינימום שלהם באמצעות תכנון קפדני. כיול המסנן מבוצע בתהליך הייצור, ומניב רמת דיוק גבוהה וקלות שימוש. לבחירה קיימים שני מסנני פס הבסיס מסדר שביעי, לאחד קיטעון ב–1.92 מגה–הרץ עבור W–CDMA ולשני קיטעון ב–100 קילו–הרץ עבור GSM.
במצב W–CDMA המקמ”ש יכול לספק הגבר של 102 dB וטווח בקרת הגבר של 90 dB. לממשק ת”ר טווח בקרה של 30 dB: 18 dB במגבר LNA ו–12 dB בדרגת מוליכות ההעברה. התוצאה היא טווח בקרת הגבר כולל של 36 dB בשלושה שלבים. מגבר ההגבר המשתנה מממש טווח בקרת הגבר של 24 dB בשלבים של 1 dB. תכנות ההגבר מתבצע בהזנת ערך יחיד להגבר הקליטה למען פישוט התכנות, הבטחת הביצועים והטווח הדינמי. המקמ”ש מפענח את ההגדרות ומפצל אותן בין היחידות השונות.
המשדר משתמש במאפנן המרה ישיר בעל ליניאריות גבוהה ורעש נמוך ומבטל את הצורך במסנני SAW חיצוניים. ממשק פס הבסיס ההפרשי בצימוד מתח ישר לערוצי I ו–Q תומך בטווח מתחי כניסה משותפים (VCM) של 1.05 עד 1.4 וולט. תנודת אות השיא המותרת בכניסה היא 550 מילי–וולט, שהיא שוות ערך ל–1.1 וולט בערוצי I ו–Q. לפני מאפנן האותות הניצבים, האותות עוברים במסנן Butterworth מסדר שני עם קיטעון ב–4 מגה–הרץ כדי להתגבר על הפרעות שמחוץ לפס. טכניקות הכיול שומרות על איזון ופאזת I/Q מדויקים בטווח התדירויות ותנאי הסביבה לעמידה בדרישות 3GPP, EVM ו–ACLR. ADF4602–1 מגיע לרצפת רעש של –163 dBm ל–1 הרץ בהיסט של 190 מגה–הרץ והספק מוצא של –8 dBm תוך עמידה בדרישות TS25.104 של EVM ו–ACLR.

אודות המחברים:
תומס קמרון (thomas.cameron@analog.com) הצטרף ל–Analog Devices בשנת 2006. כיום הוא מנהל עסקים טכני ומתרכז בשוק התשתית האלחוטית. את הקריירה שלו החל בשנת 1986, בחטיבת הרשתות האלחוטיות של חברת Bell Northern Research
(כיום Nortel Networks), שבה מילא תפקידים שונים, החל במחקר, תכנון וניהול טכנולוגיה, התקנים ומערכות משנה לרשתות תקשורת. בשנת 1999 הוא הצטרף לחברת Sirenza Microdevices שבה התקדם לתפקיד מנהל השיווק של מוצרים. בשנת 2004 עבר לחברת WJ Communications, שם מילא תפקיד מנהל מכירות לאירופה. תומס מחזיק בתואר B.Sc מאוניברסיטת וולפריד לורייר שבווטרלו, קנדה, בתואר M.Eng בהנדסת חשמל מאוניברסיטת קרלטון מאוטאווה, קנדה, ובתואר Ph.D בהנדסת חשמל מהמוסד הטכנולוגי בג’ורג’יה. לזכותו רשומים שבעה פטנטים והוא חיבר כמה מאמרים טכניים.
פידר פורבס (peadar.forbes@analog.com) הצטרף ל–Analog Devices בשנת 2004, לאחר שסיים את לימודיו באוניברסיטה בקורק, אירלנד, בתואר B.SC בהנדסת מיקרו אלקטרוניקה. כיום הוא עובד בקו מוצרי ת”ר, מספק תמיכה ליישומים למקמ”שי ת”ר ולמוצרי PLL. את זמנו הפנוי מבלה פידר במוסיקה, הוא מנגן בגיטרה, עוסק בספורט ומרבה לטייל.

בחלק הבא: תיאורים של מקמ”ש פס הבסיס, פתרון אות השעון לתאי פמטו, מגברי ת”ר, מדידות הביצועים ומסקנות.