קישוריות אלחוטית לבית בטכנולוגיית פמטו לתחנות בסיס בדור השלישי

מאת: תומס קאמרון ופידר פורבס

חלק שני

מקמ”ש פס הבסיס לאות מעורב AD9863

AD9863 שהוא חלק ממשפחת MxFE של ממירים משולבים לשוק התקשורת, מתאים במיוחד ליישומים של תאי פמטו בעלות נמוכה וביצועים גבוהים. הוא משלב שני ממירים מאנלוגי לספרתי ב–12 סיביות ושני ממירים מספרתי לאנלוגי ל–12 סיביות, מסוג TxDAC. ממירי ADC מותאמים באופטימיזציה לדגימה בקצב של 50 מגה–דגימות בשנייה, או פחות. ממירי DAC, הפועלים במהירויות עד 200 מגה–הרץ, כוללים מסנן אינטרפולציה 2× או 4× שניתן לעקיפה. גודל המקמ”ש, הנתון במארז LFCSP בעל 64 מגעים, הוא 9 x 9 x 0.9 מ”מ בלבד. AD9863 מצוין כאן, אולם גם רכיבים אחרים במשפחת MxFE מציעים גמישות בבחירת הביצועים ובבחירת ממירי העזר של מעגלי הבקרה.

איור 4. תרשים בלוקים של AD9863.

אפיק קלט/ פלט של 24 סיביות דו–כיווני מספק מגוון של התקני ASIC ו–DSP לפס הבסיס אשר אותם אפשר להשיג באופן מסחרי. האפיק הגמיש מקטין את מספר הפינים ואת גודל המארז. עבור W–CDMA בשידור FDD, המקמ”ש AD9863 מפעיל בו זמנית את ערוצי השידור והקליטה. הפעלה זו דורשת שימוש במצב של דופלקס מלא – אפיק ואפיק סירוגי אחד לנתוני שידור ב–12 סיביות.

ליבת DAC ממירה את הנתונים ב–12 סיביות לשתי יציאות זרם הפרשיות ומעבירה אותם אל DAF4602–1 דרך רשת נגדים, כפי שמוצג באיור 5.

איור 5. ממשק פשוט בין AD9863 לבין ADF4602–1

בממירי DAC משולבות בקרות ניתנות לתכנות של הגבר עדין והיסט מתח ישר לפיצוי על אי–התאמה בין ערוצי I ו–Q, כדי לדכא הזנת LO ולשפר את ביצועי EVM. אפשר בקרות ההיסט ב–10 סיביות מספקות עד ±12% לכל אחת מהיציאות ההפרשיות ומאפשרות כיול של כל השפעה.

כניסת ממיר ADC מורכבת מנגד כניסה הפרשית של 2 קילו–אוהם ומעגל של קבל ממותג. ממתח הכניסה יכול להיות עצמי או שאפשר לתכנת אותה כדי שתקבל ממתח מתח ישר חיצוני. רמת המתח המלאה של כניסת ADC ההפרשית היא 2 וולט משיא לשיא.

פתרון לאות השעון של תא פמטו

לתא פמטו נדרש אות שעון מדויק ביותר לייחוס – ±0.1 ppm, כדי לעמוד במפרטי 3GPP. תיאור בין השיטות להשגת דיוק כזה ניתן למצוא את השיטות לסנכרון תאי מאקרו באמצעות ניטור המקלטים, לסנכרון אל מערכת GPS ושיטות שימוש בפרוטוקול IEEE 1588, על אף שאלו אינן נכללות בהיקף המאמר הזה. מעגל בקרת התזמון לייחוס מייצב את אות תדירות המקור. במעגל ההערכה ADI משמש מתנד VCTCXO של 26 מגה–הרץ כייחוס
ל–ADF4602–1. לולאה נעולת השהיה (DLL) מחוללת 19.2 מגה–הרץ, שהוא כפולה של 3.84 מגה–הרץ, אות השעון של שבב W–CDMA. אות זה משמש אות שעון בכניסה של AD9863.

למקמ”ש AD9863 יש קונפיגורציה רבת משתנים של אות שעון. קצבי אותות השעון של ממירי ADC ו–DAC וההגדרות של לולאת PLL ושל מעגל האינטרפולציה מבוקרים בתוכנה ומאפשרים ביצוע אופטימיזציה של ההספק לעומת הביצועים. דף הנתונים של AD9863 מספק תיאור מלא של מצבי הפעולה. כל המרות התדרים משולבות במעגל ומאפשרות לתא–פמטו לעמוד בתנאים המדויקים הנדרשים על ידי השוק.

מגברי ת”ר

המגברים שנבחרו עבור דרגת ההספק בת”ר (RF) זולים והם בעלי ביצועים גבוהים ופס רחב ליניארי, שמיוצרים בתהליך InGaP. הם מגבירים באופן ליניארי את היציאה של ADF4602–1 ומפצים על הפסדים במרבב ת”ר וברשתות המיתוג. ADL5542 כולל ממתח ותיאום פנימיים. ל–ADL5320 נדרש מעגל תיאום חיצוני והוא נתון במארז SOT–23 פלסטי. שני המגברים פועלים ישירות ממתח אספקה של 5 וולט, כך שלא נדרש מעגל נוסף. טכניקות קנייניות ששימשו בתכנון של מגברי ת”ר במערכת ADI מספקות ליניאריות יוצאת דופן לעומת זרם אספקה.

ההספק במוצא השידור והתמודדות עם הפרעות

על מנת להתמודד עם הפרעות, תא פמטו חייב לקבוע את הספק המוצא שלו באופן גמיש ובחוכמה כדי להתאים לפרישה במקום שבו תאי פמטו רבים הפועלים באותה התדירות ממוקמים בסמיכות רבה זה לזה (למשל במתחם של בנייני דירות). במקום כזה יהיה על כל תא פמטו לשדר בהספקי מוצא נמוכים, כדי להימנע מהפרעות באותה התדירות. בנוסף, אסור שתא פמטו יגרום הפרעות לתאי מאקרו בתחנות בסיס בסמיכות גיאוגרפית הפועלות בערוץ קרוב, שכן הוא עלול לגרום להופעה של נקודות מתות לטלפונים סלולריים המחוברים לרשת של תא המאקרו. לכן יהיה לתא פמטו דרישה להגנת ערוצים סמוכים, שתאלץ אותו למדוד את ההספק של הערוץ בחיבור היורד הסמוך ולקבוע את ההספק שלו עצמו לפי נוסחה שנקבעה מראש כך שלא תופרע פעולת תא המאקרו.

כדי שיעמוד ביעד המחיר הנדרש ובהתקנה קלה על ידי הלקוח, טכניקות התמודדות אלו עם הפרעות חייבות להיות אוטומטיות ואסור שיידרש להן קלט מטכנאי או ממשתמש שעברו הכשרה. התהליך חייב להתחיל באופן אוטומטי כשהתיבה מופעלת לראשונה על ידי המשתמש, והוא חייב להתעדכן לאחר מכן במרווחי זמן סדירים. מקלט הניטור לפס התדרים 1 שבתכנון של ADI עם טווח השידור הדינמי הרחב של ADF4602–1 מאפשרים לייצרן תא הפמטו לממש את הטכניקות האלו להתמודדות אוטומטית עם הפרעות ללא קלט חיצוני. המקלט המנטר מאפשר מדידה מדויקת של ההספק בערוץ הסמוך וכוונון של הספק המוצא בהתאם. יידרשו לכך כ–30 dB של הטווח הדינמי בהספק השידור הכולל.

מדידות ביצועי הרדיו

על מנת לבצע הערכה של המקמ”ש לעומת מפרט מערכות הרדיו TS25.104, שולב מערך המקמ”ש המתואר לעיל במעגל הערכה. פלטפורמת ההערכה, המתוארת באיור 6, מאפשרת בדיקות נפרדות לשרשרות השידור והקליטה וכן לרכיבים בודדים. מעגל ההערכה כולל את הפונקציונליות של תרשים הבלוקים שבאיור 1 (מהחלק הראשון). חלק הרדיו, הכולל את ADF4602, AD9863, ADL5542, ADL5320, מתנד VCTCXO ואת כל המתגים והמסננים הקשורים, ממלא שטח של 2.54 x 5.1 ס”מ בערך על המעגל. שים לב שמעגל זה לא עבר אופטימיזציה לחסכון במקום מפני שהוא נוצר למטרת הבדיקות, אך אפשר להגיע לתכנון קומפקטי יותר לייצור. חלק מתוצאות הבדיקה החשובות מול מפרטי TS25.104 מצורפות בהמשך כדי להדגים את ביצועי ערכת השבבים של ADI במעגל ההערכה.

איור 6. מעגל הערכת ADF4602–1 ו–AD9863

איור 7 מציג את מדידות הרגישות של מקלט פס התדרים 1. רגישות המקלט היא אמת מידה ליכולת המקלט לגלות אות ברמה נמוכה ומהווה סימן לספרת הרעש של המקלט. במדידה זו נעשה שימוש במקור ייחוס של 12.2 קילו–הרץ. ההגבר של ADF4602–1 נקבע ל–80 dB. רגישות המקלט הייתה גבוהה מהנדרש במפרט TS25.104 ב–6 dB או יותר על פני פס התדירות.

איור 7. רגישות מקלט פס התדרים 1.

נתון מפרט חשוב נוסף של המקלט הוא הביצועים בתנאים של חסימה. בדיקות החסימה מבצעות הדמיה של היכולת לקלוט את האות הרצוי בנוכחות של אותות בלתי רצויים בעוצמה גבוהה בערוצים סמוכים. אות הייחוס ב–12.2 קילו–הרץ לפי מעבדות UL נקבע
ל––101 dBm, והאותות החוסמים הופעלו עד שנמדד יחס BER של 10–3. בכל שלושת האופנים שנמדדו (לפי המפרט), התוצאות שהשיג ADF4602–1 עלו על הנדרש במפרט TS25.104 (טבלה 1).

טבלה 1. סיכום של בדיקת המקלט בחסימה לעומת דרישות מפרט TS25.104

ציונים חשובים לאיכות שרשרת השידור הם יחס הדליפה לערוצים סמוכים (ACLR) ועוצמת וקטור השגיאות (EVM). בשני המקרים בדיקות אלו מספקות מדד חשוב לליניאריות של שרשרת השידור המשולבת. תרשים של הספקטרום ביציאה ששימש במדידות ACLR מוצג באיור 8.

טבלה 2. סיכום של בדיקת המשדר לעומת דרישות מפרט TS25.104

איור 8. מדידת ACLR עבור אות פס 1 ב–W–CDMA עם הספק מוצא של 13 dBm.

איור 9 מציג תרשים EVM עבור קונפיגורציה אופיינית של תא פמטו שבו שני ערוצי HSDPA וכמה ערוצי קול או נתונים. עוצמת EVM המשולבת היא פחות מ–4%. הערכה של המעגל הראתה שעוצמת EVM נובעת בעיקרה מדליפה מהמתנד המקומי (LO) שנוצרה ממתח ההיסט בפאזה ובניצב (I/Q) בכניסת המרבב, תכונה של משדרים בהמרה ישירה. כפי שצוין לעיל, אפשר לכייל את ההיסטים האלו בעזרת בקרי היסט המתח הישר של AD9863. תיאור מלא של שיטת כיול זו מסופק בדף היישום

איור 9. מדידת EVM בקונפיגורציה אופיינית של תא פמטו.

מסקנה

היישום המתפתח של תא פמטו מציג אתגר ייחודי בפני המתכנן בתחום הרדיו לפיו יש להקטין עלויות למינימום תוך שמירה על ביצועים של תחנת בסיס. ערכת השבבים בדור 3 של ADI המורכבת ממקמ”ש הרדיו המשולב ADF4602–1, מקמ”ש פס הבסיסי AD9863 וממגברי ת”ר ADL5542 ו–ADL5320 מאפשרת למתכנן תא הפמטו לעמוד בדרישות מפרט TS25.104 במסגרת ממדים מכניים קומפקטיים.