כל תכנון שרשרת אותות אלחוטיים מתחיל בבחירת שרשרת האותות. לאחר שמהנדס המערכת החליט על ארכיטקטורה של שרשרת אותות (לדוגמה איבוכי – סופרהטרודיני, IF אפס, דגימת IF וכד’), יש לבחור את הרכיבים. בהתקן דיסקרטי, בחירת רכיבים בעלי מפרטים דומים היא קריטית. כאשר בוחרים, התהליך איננו פשוט כמו לבחור רכיבים בעלי רמה מזערית של ביצועים. ההשפעה של רעש ועיוותי ההתקן על כלל שרשרת האותות היא פונקציה אמיצה של השבח והמיקום שלו בשרשרת האותות. לדוגמה, הרעש של דרגה ראשונה במגבר בעל רעש נמוך ישפיע חזק על ספרת הרעש הכוללת, בעוד שלרעש של מגבר בעל תדר ביניים תהיה השפעה פחותה.
כדי להבין כיצד רכיבים פרטניים תורמים לביצועים הכלליים, מהנדסי המערכות משתמשים בארבע המשוואות הקלאסיות המוצגות באיור 1, התקפות כאן עבור שרשרת אותות בעלת שלוש דרגות.
איור 1 משוואות גורם הרעש בקסקדה, IP3, שבח ו-P1dB עבור שרשרת אותות אלחוטיים בעלת 3 דרגות.
איור 2 שימוש ב-ADIsimRF כדי לתכנן רמה של משדר דיסקרטי Zero IF.
את השבח ניתן לחשב בקלות בתחום הליניארי על-ידי הכפלת השבחים הפרטיים או בתחום הלוגריתמי על-ידי סיכום יחד של שבחי ה-dB. אולם, יש לחשב IP3 מורכב, דחיסת 1dB וספרת הרעש במישור הליניארי על-ידי המרת P1dB ו-IP3 לואטים והמרת ספרת הרעש לגורם הרעש (ספרת הרעש=גורם הרעש 10log).
מהנדסי מערכת משתמשים בד”כ בגיליונות אלקטרוניים מפותחים בחברה או בכלי הדמיית RF כדי לבצע חישובים אלה. מגבלה בולטת של משוואות אלו היא בכך שהן מניחות שרשרת אותות מותאמת בשלמותה ללא אי-רציפות בעכבה בין הרכיבים. במערכות מעשיות, אי-התאמות בעכבה בין הדרגות אינן נדירות, ובמקרים מסוימים קיים חוסר התאמה מתוכנן בין-דרגות.
איור 2 מראה תצוגת מסך של ®ADIsimRF, מחשבון שרשרת אותות RF שניתן לקבל ללא תמורה מ-Analog Devices. בעיקרו, כלי זה מממש את המשוואות בקסקדה עבור השבח, ספרת הרעש, IP3 ו-P1dB המוצגים באיור 1 יחד עם צריכת ההספק. מספר הדרגות ניתן לשינוי דינמי עד ל-15. דרגות נוספות אפשר לשלב בכל נקודה בשרשרת האותות וניתן לבטל או לנטרל זמנית דרגות אחדות.
ADIsimRF כולל בסיס נתונים מובנה של הרכיבים הדיסקרטיים של ADI. ניתן לגשת בנקל לבסיס נתונים זה, הכולל גם דגמים של רכיבים פסיביים כגון בלונים (baluns) ומסנני SAW תוך שימוש בתפריטים להורדת הערך כמתואר באיור 2. נתוני התקנים (IP3 ,P1dB, שבח וספרת רעש) מאוכסנים בבסיס הנתונים בתוספי תדר שונים. כאשר בוחרים בתדר מסוים, המחשבון משתמש בנקודת הנתונים בתדר הקרוב ביותר בבסים הנתונים. ניתן לרשום נתונים מבסיס הנתונים הפנימי על הפנל הקדמי של המחשבון וניתן ליצור ולשמור על התקנים מיוחדים.
ביצוע תכנון רמה על רכיבים שאינם התקני -50אוהם ושתי פתחות (port), עשוי להיות מאתגר. לדוגמה, למאפנן IQ שלושה מבואות I ,Q ו-LO. דבר זה מעורר את השאלה כיצד להגדיר את השבח שלו. בנוסף, למבואות I ו-Q התנגדות מבוא גבוהה, דבר המרמז על שבח הספק גבוה ביותר.
מאפנן IQ מוזן לרוב על-ידי DAC כפול בעל מסנן Nyquist ביניהם. מסנן זה מסוים בשני נגדים מצידיים (shunt) במבואות I ו-Q. נגדים אלה הם לרוב בעלי ערכים של 100 ו-1000 אוהם, כאשר ערך הנגד משנה את מתח ה-DAC כלפי מעלה או מטה. במטרה להעניק למאפנן ה-IQ שבח הספק יעיל, ADIsimRF מתייחס לנגדים אלה כחלק ממאפנן ה-IQ. כתוצאה, שבח מאפנן ה-IQ ב-ADIsimRF מוגדר כהפרש בין ההספק המסופק לכל אחד מנגדי המיצד והספק המוצא RF. במקרה של מאפנני IQ אחדים, מסופקים בבסיס הנתונים של ה-ADIsimRF דגמים מרובים בעלי התנגדות מבוא שונה. עם התנגדות מוצא של 50 אוהם ונגד סיומת במבוא הנע בין 100 ל-1000 אוהם, שבח ההספק ושבח המתח של המאפנן IQ יהיו שונים.
גם הגדרת ספרת הרעש של מאפנן IQ איננה פשוטה. אם מגדירים את שבח ההספק של המאפנן IQ כמקודם, אזי ניתן להגדיר את ספרת הרעש כהפרש בין הרעש התרמי (-173.8dBm/Hz) ורעש המוצא של מאפנן ה-IQ פחות שבח ההספק. כך שספרת הרעש של מאפנן IQ בעל רצפת רעש של -158dBm/Hz ושבח הספק של 3dB שווה ל-13dB (כלומר -158.2dBm/Hz=-173.8+3+13).
שילוב רכיבי אות-מעורב כגון ממירי אנלוגי לדיגיטלי ודיגיטלי לאנלוגי (ADCs, DACs) בחישוב שרשרת אותות RF טיפוסית הוא אף יותר מאתגר. זאת משום של-DAC אין שבח ברור ומאחר שהרעש והעיוות של DAC משתנה עם קצב הדגימה, קצב שרבוב (interpolation) הנתונים ורמת ההזנה של ה-dBFS.
בכלי ה-ADIsimRF, ה”שבח” של DAC מוגדר כ-0dB עבור רמת הזנה של 0dBFS כאשר המוצא נמצא בפס הבסיס, כלומר ממורכז על 0 הרץ. כאשר נבחרת רמה נמוכה יותר של dBFS (לדוגמה -6dBFS), השבח יהיה נמוך יותר בערך זה. כמו כן, ככל שתדר המוצא של ה-DAC עולה, השבח יופחת בשעה שה-DAC עוקב אחר פונקציית ה-Sin(x)/x.
כדי לענות לתצורות DAC שונות, בסיס הנתונים של ADIsimRF כולל מספר “גרסאות” עבור כל DAC (לדוגמה AD9122V1, AD9122V2 וכד’). כל גרסה מתאימה לתצורות תפעול שונות, הכוללות רמות הזנה dBFS, קצבי דגימה וקצבי שרבוב שונים.
ה-DACs הכפולים, דיפרנציאליים ומהירים המשמשים להזנת מאפנני IQ מסתיימים לרוב בארבעה נגדי -50אוהם לאדמה. זרם המוצא של ה-DACs זורם דרך נגדים אלה ביחד עם הנגד המיצדי במבואות מאפנן ה-IQ. ב-ADIsimRF, רמת הספק המוצא של ה-DAC היא ההספק המסופק אל נגדי המיצד במאפנן ה-IQ.
איור 3 מראה תמונה של מסך בתכנית רמה עבור מקלט דגימה IF 2.5 גיגה-הרץ. במקלט זה, אות המבוא מוגבר ומעורב מטה אל 140 מגה-הרץ לפני תת-דגימה על-ידי ה-ADC. דרגות ה-IF כוללות את מזין ה-ADC AD8375, כאשר שבחו ניתן לקבוע בקפיצות של 1dB מ-4dB- עד +20dB. ניתן להשתמש בתפריט עם בחירה כלפי מטה כדי לבחור כל אחד מ-25 השבחים הקיימים כמתואר באיור 3.
כמו ב-DACs, התאמה של ADC לתוך מחשבון שרשרת האותות איננה טריוויאלית. אחת הבעיות הנפוצות נובעת מהעובדה שעכבות המבוא של ה-ADCs ושל המגברים המזינים אותם אינן תמיד תואמות. במקרה של ADC AD9430, עכבת המבוא הפנימית של 3 קילו-אוהם הייתה מופחתת ל-200 אוהם בעזרת נגד חיצוני המחובר על המבואות הדיפרנציאליים (הדגם המאוכסן בבסיס הנתונים של ADIsimRF עבור ADC זה משתמש בעכבת מבוא של 200 אוהם). אולם במקרה זה קיים עדיין חוסר תאום בין עכבת המבוא של ה-ADC והתנגדות המוצא של מזין ה-ADC והמסנן נגד מדרוג העקומות (anti-aliasing). ה-ADIsimRF מביא בחשבון אי-התאמה זו ומתאים את תוצאות הקסקדה בהתאם.
סיכום
ADIsimRF הוא כלי לתכנון רמות נוח לשימוש שיכול להחליף גיליונות אלקטרוניים מתוצרת-בית. בנוסף לחישוב השבח, ה-IP3, ה-P1dB וספרת הרעש, הוא גם מחשב צריכת הספק ומפרטים רבים במישור המתח דוגמת מתח המוצא rms ושיא-לשיא. המשימה של הכללת DACs ו-ADCs בחישובים נעשית קלה יותר על-ידי הכללת נתוני דגם ה-RF עבור התקנים אלה ובעזרת תמיכה עבור הפסד אי-התאמת העכבה בין הדרגות.
ה-ADIsimRF פועל על חלונות XP, חלונות Vista וחלונות 7. ניתן להורידו מהאתר.
Eamon Nash הוא מנהל הנדסת יישומים בקבוצת המוצרים של Analog Devices. הוא עובד ב-ADI מזה 20 שנה, ראשית מהנדס יישומי שדה, המכסה מוצרי אותות מעורבים ו-DSP, לאחר מכן כמהנדס יישומים המתמחה ברכיבי RF דיסקרטיים עבור יישומי אלחוט. הוא בעל תואר B.Eng באלקטרוניקה מאוניברסיטת Limerick, אירלנד.
מאת: Eamon Nash,
Analog Devices, Inc.
