Carlos Calvo, Analog Devices
אחד האתגרים העיקריים בתכנון מערכות תקשורת הוא ללכוד בהצלחה אותות בנאמנות הדרושה. במטרה למנוע השפעות החוסמים, עיוות האות והפחתת הרגישות, מערכות תקשורת סלולריות צריכות למלא את הדרישות המחמירות של התקנים הסלולריים, דוגמת ה-code division multiple access (CDMA) וה-CDMA בפס רחב (W-CDMA), בתחום דינמי רחב, ליניאריות מבוא גבוהה ורעש נמוך.
בעבר, סוגיות מעשיות גרמו לכך שהיתרונות הביצועיים של שרשראות אותות הפרשיות (differential) מלאות נוצחו על-ידי האפשרויות המוארקות (single-ended), אך התקדמות חדישה בטכנולוגיית מעגלי RF משולבים ובאבני הבניין של ה-RF ההפרשי האיכותי מאפשרת עתה לממש את הארכיטקטורה ההפרשית בתכנוני מקלטים איכותיים. מאמר זה מנתח את הביצועים והיתרונות של שרשראות אותות הפרשיים ביישומי אלחוט G3 ו-G4 .
שרשרת האותות במקלט
איור 1, המראה מקלט סופר-הטרודיני רגיל, יסייע בהבנת היתרונות של שרשראות אותות הפרשיים לעומת שרשראות אותות מוארקים. ללא תלות בטופולוגיה, המטרה היא לספק בהצלחה את האות הרצוי לממיר אנלוגי- לדיגיטלי (ADC) לשם הפיכתו לדיגיטלי. נתיב האות בנוי מגושי RF אחדים: אנטנה, מסננים, מגבר לרעש נמוך (LNA), ערבל, מגבר דוחף ADC, ו-ADC.
ה-LNA, שהוא המרכיב הראשון אחרי האנטנה, מגביר את האות מעל הרעש התרמי. הרעש בשלב זה הוא קריטי מאחר שהוא יקבע את רגישות המערכת, וההגברה מבטיחה שהערבלים והמגברים העוקבים לא יוסיפו רעש משמעותי. לאורך הנתיב, מסננים מעבירי- פס מדכאים אותות מחוץ לתחום ומקטינים את העיוותים והרעש שנתרמו על-ידי שלבים אחרים.
אחרי ה-LNA, תדר הערבל מתרגם את האות הדרוש, על-ידי המרה כלפי מטה של אות ה-RF בעל התדר הגבוה לתדר ביניים (IF) נמוך יותר ואשר קל יותר לטפל בו. המגבר הדוחף של ה- ADC והמסנן המבטל מדרוג העקומות (anti-aliasing filter – AAF) מכינים את האות להמרה לדיגיטלי. הדוחף מציע שבח וה-AAF מדכא אותות מחוץ לאזור Nyquist הראשון, הכוללים רעש ורכיבים מחוץ-לתחום לא רצויים אשר עשויים היו להגיע ל-ADC. בסיום נתיב האות האנלוגי, ה-ADC ממיר את מידע פס-הבסיס לדיגיטלי.
באופן אידיאלי, רק האותות המעניינים ( המוצגים בצבע כחול בצד שמאל של איור 1) יעוברו לתחום הדיגיטלי. דרושה מערכת איתנה לעיבוד האות הרצוי, אשר עשוי להיות קטן, תוך חסימת האותות המפריעים, העשויים להיות יותר גדולים. כדי לתכנן מערכת איתנה דרושה רגישות גבוהה, ליניאריות המבוא, ברירות (selectivity) וחסינות בפני רעש. על-פי היישום והארכיטקטורה, מפרטי הביצועים עשויים להשתנות, אך שיקולים משותפים כגון עיוותים, רצפת הרעש ותחום דינמי מכריעים במרבית מערכות התקשורת. בלימה מסדר שלישי (IP3) ונקודת הדחיסה 1-dB (P1dB) צריכות להיות גבוהות. שיקולים נוספים כוללי עלות נמוכה, הספק נמוך וממדים קטנים.
היתרון ההפרשי
איור 2 מציג את ההבדלים העיקריים בין אותות מוארקים והפרשיים. גוש שבח גנרי משמש כאן, אולם אותם המושגים יישומים בערבלים ובהתקנים אחרים בשרשרת האותות. בהשוואה בין אותות מוארקים והפרשיים, חשוב לזכור את ממדי הביצועים ברמת המערכת לשם תכנון כולל נאות של המקלטים.
אות מוארק, הבלתי-מאוזן בהגדרה, נמדד על-ידי ההפרש בין האות המעניין ונקודת ייחוס קבועה. נקודת הייחוס, שהיא לרוב האדמה, משמשת כנתיב חוזר לאות. עלולה להתעורר בעיה אם מוכנס כאן מקור שגיאה אל תוך נתיב האות. מאחר שייחוס האדמה לא יושפע על-ידי השגיאה המוכנסת, השגיאה תובל קדימה דרך האות. יהיה קשה לבטל כל שינוי באות הנוצר בשל התצורה המוארקת מבלי להשתמש בטכניקות ביטול מורכבות ביותר. אותות מוארקים הינם לכן חשופים יותר להפרעות של רעש וצימוד אלקטרו-מגנטי.
מאידך, אותות הפרשיים מורכבים מזוגות של אותות מאוזנים הנעים באמפליטודות שוות אך הפוכות מסביב לנקודת ייחוס. ההפרש בין האותות המאוזנים החיוביים והשליליים מתאים לאות ההפרשי המורכב. אם מוכנסת שגיאה לתוך נתיב מערכת הפרשית, הוא יתווסף באורח שווה לכל אחד משני האותות המאוזנים. מאחר שנתיב החזרה איננו מהווה נקודת ייחוס קבועה, השגיאה תבוטל באות ההפרשי. לכן שרשראות האותות ההפרשיים רגישות פחות לרעש ולהפרעות. ביטול שגיאות טבעי זה מספק גם יחס דחיית מוד משותף (common mode rejection ratio – CMRR) ויחס דחיית מקור ההספק (power supply rejection ratio – PSRR).
לשרשראות אותות הפרשיים יתרון נוסף לעומת שרשראות מוארקות, כאשר ניד (swing) האות המורכב יכול להיות כפליים הניד של האות המוארק באותו ספק כוח, בהגדילו את היחס אות-לרעש. לחילופין, מרווח הגובה headroom)) של המגבר ניתן להגדלה באותו ספק כוח, בהקטינו את העיוות; או שניתן להשתמש במתח ספק כוח נמוך יותר כדי לספק את אותו ניד האות, בהקטינו את פיזור ההספק.
איור 2 גם מבליט את הביטול האינהרנטי של הרמוניות בסדר זוגי במערכת הפרשית. התקנים לא-ליניאריים, במקרה זה מגבר מוארק והפרשי, ניתנים לתיאור על-ידי פונקציות מעבר של הרחבה בעלות סדרת הספק עם מבואות סינוסיים. בגירסה המוארקת, ערך קבוע נקשר לכל מכפל תדר של המוצא, הן בסדר זוגי והן באי-זוגי. במרכיב ההפרשי, אי-ליניארויות מסדר זוגי מבוטלות בהיענות המוצא המורכב. התקנים מעשיים לא ישיגו ביטול מושלם, אך הם ייהנו מהרמוניות מסדר זוגי נמוכות יותר.
איור 3 מראה את העיוות ההרמוני של מגבר הפרשי בעל עיוות נמוך ביותר ורעש נמוך הממוטב עבור דחיפת ADCs מהירים 8 עד 16 ביט. העקומה מציגה את ההרמוניות בעלות סדר שני ושלישי כאשר ההתקן מעוצב עבור טופולוגיות מוארקת והפרשית. אם כי העיוות במוד המוארק נמוך מאוד, עם ערכי HD2 של “82 dBc ב-100 מגה-הרץ, ביצועי הסדר הזוגי בפעולה ההפרשית הם אף טובים יותר, עם ערכי HD2 פחות מ-”100 dBc באותו התדר. בשרשרת האותות, ניתן לצפות לשיפור של 6 dB ב-P1dB ו-IP3 עבור טופולוגיה הפרשית על אותם פסי הספק.
שרשרת האותות ההפרשית
עם התפתחות המקלטים, רכיבים הפרשיים משמשים יותר ויותר כדי לספק רמות ביצועים גבוהות יותר. ההתפתחות החלה ב-ADC והיא נעה בהדרגה אחורה דרך שרשרת האותות.
בעבר, סוגיות יישומי האותות ואבני בנייה RF הפרשיות מוגבלות הובילו לשרשראות אותות מוארקות או הפרשיות במידה מוגבלת. דוגמה אחת של שרשרת אותות הפרשית מוגבלת מתעלמת מדחיף ה-ADC ההפרשי, ומשתמשת במקומו בהתקנים מוארקים ובשנאי כדי לדחוף את ה-ADC. אם כי הדבר מהווה פיתרון פשוט, דרישות הביצועים פשוט מוגברות יותר. בנוסף לצריכת הספק מוגברת, מגברי דחיפה מוארקים נוטים להיות בעלי עיוותים בסדר זוגי, CMR ו- PSR גרועים יותר.
כמוצג באיור 1, הארכיטקטורה המשמשת לרוב עבור המקלטים היא בעלת מבוא RF מוארק ומוצא הפרשי. קו הגבול בין הפעולה המוארקת וההפרשית נקבע כנראה על-ידי הערבל, כאשר רכיבי RF דוגמת ה-LNA עדיין מוצעים כרכיבים מוארקים. רוב מסנני ה-SAW וליבות הערבלים הם מעגלים הפרשיים מטבעם, אך הם מומרים למוארקים למטרות יישומיות.
במשך שנים, טופולוגיות ערבל מאוזנות אומצו עבור יישומים סלולריים בשל ליניאריותן הגבוהה. לרוע המזל, רשתות השנאים המסורתיות המשמשות לצימוד האותות אל ליבת הערבול צורכות מקום רב על הכרטיס ומוסיפות עלות משמעותית לתכנון. רכיבי RF חדשים יותר, דוגמת משפחת ה-ADL535x, משלבים בלונים (baluns) ושנאים, ויוצרים רכיבי RF נוחים לשימוש בעלי מבואות RF מוארקים ומוצאי IF הפרשיים.
איור 4 מראה שכל שלוש הפתחות של הערבל הן הפרשיות במלואן באופן פנימי. לשם קלות השימוש, פתחות ה-RF וה-LO מחוברות לעולם החיצון בעזרת שנאים, המאפשרים ממשק מוארק. בניגוד לכך, פתחת המוצא IF הכוללת מגבר דוחף בעל עכבת מוצא של 200 אוהם, נשארת הפרשית כדי להקל על החיבור למסנן SAW הפרשי. השילוב של בלוני LO ו-RF מגביל את תדר הפעולה של הערבלים, ודורש לכן משפחת התקנים המוגדרת עבור פעולה בתחומי התדרים הסלולריים.
