יתרונות השימוש בממיר מעלה-תדר דיגיטלי ניצב במערכות שידור מיקרוגל נל"ן

בית » New-Tech Microwave Magazine » יתרונות השימוש בממיר מעלה-תדר דיגיטלי ניצב במערכות שידור מיקרוגל נל"ן

מאת: David Brandon, David Crook ו-Ken Gentile

ארכיטקטורות של המרה ישירה ומשדרים איבוכיים (super heterodyne) משמשות באופן שכיח במערכות אלחוטיות. מאמר זה סוקר בקצרה את היתרונות והחסרונות של כל שיטה (מקורות נוספים רשומים בסימוכין) וכן מציע בחירת ארכיטקטורה (IF ישיר ממשי) התואמת מאוד להפקת IF בחלק הביתי IDU)) של משדר מיקרוגל נל”ן (נקודה לנקודה).

המרה ישירה

באיור1 מוצג משדר בעל המרה ישירה. ארכיטקטורה זו מועדפת בשל פשטותה ועלותה הנמוכה בהשוואה לגישת האיבוך. היחידות הארכיטקטוניות העיקריות כוללות ממיר דיגיטלי לאנלוגי (DAC) בעל פס-בסיס כפול AD9779, מסנני שחזור תואמים, אפנן אנלוגי ניצב AD8349 או ADL537x, מסנן-פס, ומעגלי מגבר הספק (PA). RF PLL מפיק את אות המתנד המקומי (LO) המזין את האפנן.

מוצאי ה-DAC הכפול מפיקים את הרכיב במופע והניצב (I/Q) של אות פס-בסיס מורכב המבוסס על מיפוי האפנון, עיצוב הפולס והדגימה בקצב עולה (באמצעות מסנני אינטרפולציה) אל תדר השעון הדוגם של ה-DAC. מסנני שחזור ה-DAC מצוידים לרוב בסלילים וקבלים דיסקרטיים זולים. יש לשים לב כדי למנוע הכנסה של כל שינוי בהשהיית הקבוצה בין מסנן השחזור מאחר וזה יוצר עיוות אפנון הגורם להפחתת רמת ה-EVM.

אותות פס-הבסיס Q/I המסוננים ביחד עם אות ה-LO מזינים את מבואות ה-Q/I וה-LO של אפנן אנלוגי ניצב. האפנן הניצב מספק צורת גל RF מאופנן בתדר הנשא (carrier) הזהה לתדר ה-LO. אות מוצא מאופנן זה מסונן-פס (כדי להרחיק רעשים מחוץ-לפס) ומוגבר על-ידי מעגל ה-PA.

בעיה מוכרת הקשורה לגישה זו מכונה זליגת ה-LO: נוכחות אות ה-LO בתוך רוחב הפס של האות המאופנן. מאחר שגורם עיוות זה נמצא בתוך הפס, לא ניתן להרחיקו על-ידי סינון. המקור של שגיאה זו טמון בצימוד הפרזיטי כמו גם באי-התאמות ברכיבי ה-dc של האותות במבוא לאפנן. דבר זה כולל היסטיDAC (offsets) כמו גם מתחי היסט מבוא הכרוכים באפנן הניצב האנלוגי. ניתן לבטל תופעה זו על-ידי הכנסת אות היסט מפצה מה-DEC. אולם, לשם פיתרון איתן, אות תיקון זה צריך לעקוב אחרי שגיאות בגין שינויים בטמפרטורה ומתח המקור.

איור 1. דיאגרמה מלבנית של ארכיטקטורת משדר בעל המרה ישירה

בעיה נוספת הכרוכה בארכיטקטורה זו מתייחסת להשפעת אי-האיזון של ה-Q/I. המקורות כוללים הספק מוצא DAC ו/או אי-התאמות של מסנן השחזור כמו גם שגיאות מופע ו/או ממד הנתרמות על-ידי האפנן האנלוגי הניצב. ניתן לפצות על שגיאות אלה על-ידי הוספת כוונוני אמפליטודה ומופע מפצים בתוך אות המוצא של ה-DAC. על אותות מפצים אלה לעקוב גם אחר מרכיבי השגיאה על-פני שינויים במתח הספק והטמפרטורה. יתר על כן, אלגוריתם הפיצוי תורם למורכבות נוספת בתוך סכימת הליניאריזציה.

החיסרון השלישי של גישת ההמרה הישירה מתייחס לתופעה בשם משיכת ה-LO על-ידי הזרקה של מוצא ה-PA. דבר זה נוצר מאחר שתדר המוצא של ה-PA הוא זהה לזה של ה-LO, אך מכיל תדרים סמוכים אחרים הנובעים מתהליך האפנון. תדרים אלה מוחזרים ל-LO כאשר מבוא ה-PA מאופנן ומסיטים מעט את התדר מחוץ לתדר ה-LO הרצוי, בתורמם בדרך זו לשגיאה ב-EVM.

טכניקות בידוד שונות מסוגלות למזער תופעה זו, כגון סיכוך ובנייה נכונה של המעגל המודפס. טכניקה אחרת משתמשת ב-VCO היסט כדי ליצור תדר נשא הסוטה במעט מתדר ה-LO, כדי למנוע משיכת ההזרקה. ברור שטכניקה זו גורמת לעלות של VCO נוסף ומעגלי ה-PLL הקשורים בכך.

על-אף חסרונות אלה, גישת ההמרה הישירה היא בחירה הצוברת תאוצה בגין השיפורים במאפייני הביצועים של האפנן האנלוגי הניצב, טכניקות משופרות לשימוש באותות התיקון מה-DAC כדי לבטל מרכיבי שגיאה, הפשטות היחסית והעלות התחרותית שלה.

איבוך

איור 2 מראה ארכיטקטורה של מעגל איבוך, אשר, בדומה לזו של ההמרה הישירה, מכילה DACs בעלי פס-בסיס כפול וסנני שחזור הקשורים אליהם. הם פועלים בצורה הדומה להמרה הישירה, מלבד זה שהאפנן האנלוגי הניצב וה-LO הראשון (IF LO) מאפננים את אות תדר הבסיס המורכב לתדר אות נשא IF נמוך יותר, במקום ישירות לתוך אות נשא RF הסופי. דבר זה משפר את הביצועים הדינמיים של האפנן בהשוואה לגישת ההמרה הישירה מאחר שהאפנן פועל בתדר נמוך יותר (IF במקום RF).

לרוב, מסנן SAW (surface acoustic wave) מגביל את האות במוצא דרגת ה-IF, דבר המסנן ביעילות את אותות הרעש הבלתי-רצויים בנקודה זו בשרשרת האות. מערבל יחיד ו-RF LO מתרגמים את אות ה-IF אל תדר הנשא RF. מסנן פס נוסף דרוש במוצא ה-RF כדי לדחות את הבבואה הנוצרת על-ידי תהליך הערבול כמו גם על-ידי זליגת RF LO כלשהי שעלולה להופיע. שימוש ב-IF גבוה מסייע מאחר שהוא מציב את האות הרצוי הרחק מהזליגה של ה-LO, ומקל על-ידי כך את משימת הסינון.

לגישת האיבוך בעיות הדומות לגישת ההמרה הישירה בגין דרגת ה-IF, הפגיעה לזליגת LO וחוסר איזון O/I. החיסרון העיקרי של גישה זו הוא מספר הרכיבים הגדול יותר והעלות הנובעת מכך.

היתרונות העיקריים הם היעדר זריקת ה-LO והסרת כל תוכן של רעשים בלתי-רצויים מספקטרום השידור על-ידי מסנני הפס IF ו-RF.

איור 2. דיאגרמה מלבנית של ארכיטקטורת משדר איבוך

IF ישיר ממשי

איור 3 מראה את הארכיטקטורה של ה-IF הישיר הממשי. המימוש דומה לגישת האיבוך המוצגת באיור 2, מלבד האות IF המגיע מממיר מעלה-תדר דיגיטלי ניצב (quadrature digital upconverter – QDUC). איור 4 מראה דוגמה של QDUC (ה-AD9957) בצורת דיאגרמה מלבנית.

איור 3. דיאגרמה מלבנית של ארכיטקטורת IF ישיר

איור 4. דיאגראמה מלבנית מפורטת של ה-QDUC AD9957

QDUC מקבל נתוני I ו-Q בפס הבסיס הדיגיטלי, הממופה באפנון ומעוצב-פולסים. במקרה של ה-AD9957, מילות-הנתונים I ו-Q מסופקות בצורה סרוגה בזמן (מילת I, מילת Q וכו’) בקצב של עד 250 מגה-מילים בשנייה. דבר זה מאפשר ל-AD9957 להמיר לתדר עולה אותות בעלי רוחב-פס רחב ביותר, דוגמת אלה הדרושים במערכות מיקרוגל נל”ן. נתוני פס-בסיס דיגיטליים אלה מפוענחים ב-QDUC על-ידי שרשרת של מסנני אינטרפולציה של מחצית-פס ולאחריה מסנן CCI. האות הדיגיטלי בפס-בסיס שעבר דגימה בתדר עולה מזין אפנן ניצב דיגיטלי. אות ה-LO עבור האפנן הדיגיטלי מגיע מ-NCO ניצב בעל מילת כיוונון תדר של 32 ביט.

המוצא של האפנן הדיגיטלי הוא נשא דיגיטלי מאופנן בתדר שנקבע ע”י ה-NCO. האפנן הדיגיטלי מזין מסנן סנכרון הפוך (inverse sinc) אופציונלי, אשר מפצה עבור אפיון של היענות התדר sin(x)/x של ה-DAC. מסנן הסנכרון ההפוך מספק שטיחות שבח לאורך רוחב-פס ה-Nyquist של ה-DAC, הדרוש כדי שהאותות המאופננים בפס-רחב ישמרו על ביצועי ה-EVM. מעגל הגדלת אמפליטודה דיגיטלי במבוא ה-DAC מספק בקרת שבח דיגיטלי של אות האפנון הדיגיטלי. אולם יש להעיר שהשימוש בשינוי גודל דיגיטלי כדי להנחית את אות המוצא יוצר הקטנה של התחום הדינמי. ה-DAC המהיר ממיר את אות ה-IF הדיגיטלי לאות IF אנלוגי. ל-DAC מנגנון כיוונון שבח נפרד. הוא מאפשר בקרה של זרם השיא במוצא ה-DAC, אשר קובע את רמת הספק ה-RF במוצא ה-DAC. ה-AD 9957 יכול לתמוך בשעון מערכת וקצב דגימת DAC עד 1 גיגה-הרץ.

מסנן שחזור במוצא ה-AD9957 מסנן את תמונות ה-Nyquist הכרוכות במוצא ה-DAC. האות המסונן מזין מערבל לשם המרה עולה עד תדר הנשא RF הסופי. מסנן השחזור ניתן למימוש כמסנן מעביר-נמוכים דיסקרטי בעל תכנון אליפטי טיפוסי של סדר חמישי עד שביעי. תדר הקטעון עבור מסננים אלה נקבע בד”כ ב-40% עד 45% מקצב הדגימה של ה-DAC. ה-AD9957 יכול אם כן ליצור אותות IF המתקרבים ל-400 מגה-הרץ. מסנן SAW מחליף לעתים קרובות בארכיטקטורה זו את מסנן השחזור מעביר הנמוכים. כמו במקרה של האיבוך, IF גבוה מקל על סינון תמונת ה-RF.

ארכיטקטורה זו מתאימה מאוד למערכות מיקרוגל נל”ן מאחר שתדרי הנשא הסופיים במערכות אלו יכולים להשתרע בין 6 גיגה-הרץ עש 11 גיגה-הרץ עבור טווחים בינוניים עד ארוכים ועד 23 גיגה-הרץ עבור טווחים קצרים יותר. תדרי נשא אלה דורשים המרה כלפי מעלה נוספת גם עבור שיטות ההמרה הישירה הזמינים כיום.

יתרון-מפתח של גישת ה-RF הישיר הממשי הוא שניתן להשיג התאמות I ו-Q מאוד מדויקות מאחר שהאפנון הניצב מתרחש בשלמותו בתוך המישור הדיגיטלי. בדומה, בשל המימוש הדיגיטלי, זליגת ה-LO או הנשא בדרגת ה-IF היא מאוד נמוכה, כ-75 dBc-.

יתרון אחר של ארכיטקטורת ה-RF הישיר הממשי הוא הרזולוציה בעלת הכיוונון העדין ביותר ב-IF בשל ה-NCO. דבר זה מוסיף גמישות לתכנון תדר המשדר. בהתאם ליישום, ניתן לבצע כיוונון ערוצי ה-RF הממשי על-ידי כיוונון הנשא ל-IF (דרך ה-NCO) לעומת כיוונון ה-RF LO. דבר זה מספק בקרת תדר ומופע מאוד עדינה כמו גם קפיצות תדר (frequency hopping) מהירות ביותר, אם הדבר דרוש.

איורים 5, 6 ו-7 מראים מדידות שנלקחו במוצא הAD9957- הכוללות בהתאמה תרשים ספקטראלי של אות בעל רוחב של 56 מגה-הרץ 256-QAM הממורכז ב-350 מגה-הרץ, את גרף הקונסטלציה הנוצר, ואת תוצאות האפנון הנלוות (כגון EVM). ה-EVM של 0.9% בלבד הוא עדות לתאום Q/I מצוין. הקונסטלציה היא ממורכזת היטב, הוכחה להיסט Q/I נמוך וזליגת LO מזערית. מדידה ישירה של זליגת ה-LO משתמשת בנשא מודבר (suppressed) בעל פס-צד יחיד SSB-SC)) כמבוא ל-AD9957. מדידת הזליגה של ה-LO מופיעה בגרף של איור 8, המראה את ספקטרום ה-SSB-SC הממורכז ב-350 מגה-הרץ וזליגת LO של -76 dBc.

במשדרי מיקרוגל נל”ן, ה-IDU מפיק לרוב IF של כ-350 מגה-הרץ. הוא מחובר ליחידה החיצונית דרך כבל בעל אורך מרבי של 100 feet. אפשר להשתמש באות IF גבוה או RF בתחום הגיגה-הרץ, כמו זה המושג במשדרים בעלי המרה ישירה, אך הדבר דורש חיבור כבלים יקר יותר ל-ODU כדי למנוע ניחות אות מופרז. העלות הנוספת של הכבל עלולה להיות משמעותית, עד כדי פי שלושה מעלות הכבל של ה-IF ב-350 מגה-הרץ. הפקת IF ישיר דרך ה-AD9957 מהווה יתרון של תאום ניצב מצוין, זליגת נשא נמוכה וגמישות בתדר בעזרת תוספת חומרה קטנה והשפעה מזערית על העלות.

איור 5. ספקטרום של אות256-QAM רוחב-פס 56 מגה-הרץ