סקירה של אפשרויות הארכיטקטורה של מקלטי RF רחבי-פס

מקלט איבוך אות (heterodyne) היה אפשרות הבחירה התקנית של מקלט במשך עשרות בשנים. בשנים האחרונות, הפיתוח המהיר של קצבי דגימה של ממירים אנלוגי לדיגיטלי (A/D), הוספת העיבוד הדיגיטלי המובנה ושילוב של ערוצים תואמים מציע עתה אפשרויות עבור ארכיטקט המקלטים שלא היו מעשיים רק לפני כמה שנים.
מאמר זה משווה את היתרונות והאתגרים של שלוש ארכיטקטורות המקלט, מקלט איבוך אות, מקלט דגימה ישירה ומקלט המרה ישירה. שיקול נוסף על רעש מערכת אקראי ותחום דינמי נדון גם. הכוונה איננה לקדם אפשרות אחת לעומת אחרת, אלא בעיקר לתאר את השיקולים בעד ונגד של האפשרויות ולעודד את המתכנן לבחור באמצעות תורת ההנדסה את הארכיטקטורה המתאימה ביותר עבור היישום.

השוואת ארכיטקטורות
טבלה 1 משווה את ארכיטקטורות איבוך האות, דגימה ישירה והמרה ישירה. הטופולוגיה הבסיסית מוצגת ביחד עם יתרונות ואתגרים של כל ארכיטקטורה. הגישה ההטרודינית (של איבוך אות) מוכחת היטב ומספקת ביצועים יוצאים מן הכלל. המימוש הוא לערב לתדר ביניים (intermediate frequency – IF). תדר ה-IF נבחר בתדר די גבוה כדי לאפשר למסננים מעשיים בתחום ההפעלה לספק דחיית תמונה טובה ובידוד LO. גם מקובל להוסיף דרגת עירוב נוספת כדי להנמיך את התדר בו זמינים A/Ds בעלי תחום דינמי מאוד גבוה. תכונה נוספת היא בשבח המקלט מחולק בתדרים שונים, ולכן הסיכון של תנודות במקלטי שבח גבוה ממוזער. באמצעות תכנון תדרים מתאים מקלט ההטרודינה ניתן להיעשות עם ביצועי תדרים אקראיים ורעש טובים מאוד. לרוע המזל, ארכיטקטורה זו היא המסובכת ביותר. היא דורשת לרוב את ההספק הגדול ביותר והעקבה הפיזית הגדולה ביותר ביחס לרוחב הפס הזמין. בנוסף, תכנון התדרים עשוי להיות די מאתגר ברוחבי פס חלקיים גדולים. אתגרים אלה משמעותיים בחיפוש החדשני לקראת גודל, משקל והספק (size, weight and power – SWAP) בשילוב עם הרצון לרוחב פס רחב והכוונות למתכננים השוקלים אפשרויות ארכיטקטורה אחרות כאשר הן אפשריות.
גישת הדגימה הישירה נשקלה ארוכות. המכשולים היו להפעיל את הממירים במהירויות התואמות דגימת RF ישירה והשגת רוחב פס מבוא רחב. ארכיטקטורה זו של שבח המקלט הייתה בתחום תדר הפעולה, כך שדרוש מערך זהיר אם מבוקש שבח מקלט גדול. כיום, ממירים זמינים עבור דגימה ישירה בתחומי Nyquist גבוהים יותר בתחומי L ו-S. ההתפתחויות נמשכות: דגימת בתחום C תהיה מעשית בהקדם, עם תחום דגימת ה-X שיעקוב אחריו.
ארכיטקטורות של המרה ישירה מספקת את השימוש היעיל ביותר של רוחב הפס של ממיר הנתונים. ממירי הנתונים פועלים ב-Nyquist הראשון בו הביצועים הם מיטביים וסינון המעביר נמוכים הוא הקל ביותר. שני ממירי הנתונים פועלים יחד לשם דגימה של אותות I/Q, ומגדילים בכך את רוחב הפס של המשתמש ללא האתגרים של סירוג (interleaving). האתגר העיקרי אשר פגע בארכיטקטורת ההמרה הישירה במשך שנים הייתה לשמור על מאזן I/Q לרמות סבירות של דחיית התמונה, זליגת LO והיסטי DC. בשנים האחרונות השילוב המתקדם של שרשרת האותות של ההמרה הישירה, בשילוב עם כיולים דיגיטליים, התגבר על אתגרים אלה וארכיטקטורת ההמרה הישירה מתאימה מאוד להיות הגישה המעשית במערכות רבות.

הפרספקטיבה במישור התדר
איור 1 מציג דיאגרמות מלבניות ודוגמאות במישור התדר של שלוש הארכיטקטורות. איור 1a הוא דוגמה של מקלט הטרודיני בעל LO בצד החיובי המערב את תחום הפעולה לאזור Nyquist השני של ממיר ה-A/D. האות הוא מכונה בהמשך ל-Nyquist הראשון לשם עיבוד. איור 1b מציג דוגמה של מקלט בעל דגימה ישירה. תחום הפעולה מודגם באזור Nyquist בשלישי, מועבר ל-Nyquist הראשון, ולאחר מכן NCO ממוקם במרכז התחום הממיר כלפי מטה דיגיטלית לתחום הבסיס, ולאחר מכן סינון ו-decimation המפחית את קצב הנתונים בהתאם לרוחב הפס של הערוץ. איור 1c הוא דוגמה של ארכיטקטורה של המרה ישירה. על-ידי עירוב של ה-A/D הכפול עם ערוץ 1 מפענח ניצב דוגם את אות ה-1 (במופע) וערוץ 2 דוגם את האות הניצב. ממירי A/D חדשניים רבים תומכים בכל שלוש הארכיטקטורות. לדוגמה, ה-AD9680 הוא A/D כפול 1.25GSPS עם המרה כלפי מטה דיגיטלית ניתנת לתכנות. A/D כפול מסוג זה תומך בהטרודינה בעלת שני ערוצים וארכיטקטורות בעלות דגימה ישירה, או שהממירים יכולים לפעול כזוג בארכיטקטורה של המרה ישירה.
אתגרי דחיית התמונה של ארכיטקטורת ההמרה הישירה עשויים להיות קשים להתגברות במימוש דיסקרטי. עם שילוב נמשך משולב עם עיבוד מכון דיגיטלית, ערוצי ה-I/Q ניתנים לתאום טוב ויגרמו לדחיית תמונה משופרת בהרבה. חלק המקלט של ה-AD9371 שהושק לאחרונה הוא מקלט בעל המרה ישירה כמוצג באיור 2.; ראה את הדמיון עם איור 1c.

תדרים כוזבים
כל תכנון בעל תרגום תדר דורש מאמץ רב כדי למזער תדרים בלתי-רצויים הנמצאים בתוך התחום. זוהי האומנות של תכנון התדר ומכילה קובץ של רכיבים ניתנים להשגה ותכנון מעשי של מסננים. חלק מהדאגות של קיפול הכזבים נדונים בקצרה והמתכנן מופנה ליייחוסין לשם הסבר נוסף.
איור 3 מראה את קיפול תדר המבוא של ה-A/D ואת שתי ההרמוניות הראשונות כפונקציה של תדר המבוא ביחס לתדרי תחום ה- Nyquist. עבור רוחבי פס של ערוצים הרבה פחות מרוחב הפס של ה-Nyquist, משימה עבור מתכנן המקלט היא לבחור נקודות הפעלה המציבות את ההרמוניות המקופלות מחוץ לרוחב הפס של הערוץ.
לערבל בעל ההמרה כלפי מטה של המקלט יש גם סיבוכים נוספים. כל ערבל יוצר הרמוניות בתוך ההתקן. הרמוניות אלה מעורבות יחד ויוצרות תדרים נוספים. התוצאה מוצגת באיור 4.
איור 3 ואיור 4 כוללים רק תדרים כוזבים עד לסדר השלישי. למעשה אלה תדרים כוזבים נוספים בעלי בדר גבוה יותר היוצרים תחום דינמי חופשי מכוזבים עבור המתכנן. עבור רוחבי פס שבורים צרים, תכנון תדרים מדויק יכול להתגבר על בעיות התדרים הכוזבים של הערבל. עם עליית רוחב הפס, בעיית הכוזבים של הערבל הופכת למכשול עיקרי. כאשר תדרי הדגימה של ה-A/D עולים, יותר מעשי לעתים עבור ארכיטקטורה של דגימה ישירה להיות בעלת ביצועי כוזבים נמוכים יותר.

רעש המקלט
מאמץ תכנוני רב של המקלט מוקדש למזעור ספירת הרעש (noise figure –NF). ספירת הרעש היא מדידה של ההפחתה ביחס אות לרעש.
ההשפעה של סיפרת הרעד של רכיב או תת-מערכת היא שהספק רעש המוצא מוגדל מעל רמת הרעש התרמי ושבח על-ידי סיפרת הרעש.

הספק רעש במוצא=
-17dBm/Hz+Gain(dB) + NF (dB)
סיפרת הרעש המדורגת מחושבת כ:-

בחירת שבח המקלט לפני ה-A/D וקביעת ה-SNR של ה-A/D היא מאזן של סיפרת הרעש הכוללת של המקלט והתחום הדינמי הרגעי. איור 5 מספק הצגה של הפרמטרים שיש להתחשב בהם. למטרות תצוגה, רעש המקלט מוצג כמעוצב על-ידי המסנן המבטל מדרוג לפני ה-A/D, רעש ה- A/D מוצג כרעש לבן שטוח והאות בעל העניין מוצג כצליל CW ב-1 dBFs.
ראשית, יחידות משותפות של ה-dBm או dBFs דרושות. ההמרה של רעש ה-A/D מ-dBFs ל-dBm ידועה מרמת הממיר בסקלה מלאה וצפיפות רעש הממיר.

A/D Noise(dBm)=A/D Full Scale (dBm) + A/D Noise Density (dBFs/Hz)
הרעש הכולל מחושב כ-

דבר זה מוביל למושג של הפסד הרגישות של ה-A/D. הפסד הרגישות של ה-A/D הוא מדידה של התדרדרות רעש המקלט בשל ה-A/D. כדי למזער התדרדרות זו, רצוי שרעש המקלט יהיה הרבה יותר מעל רעש ה-A/D. המגבלה באה בצורה של תחום דינמי ושבח מקלט גדול היותר מגביל את האות המרבי הנקלט ללא רוויית ה-A/D. אם כן נתכנו המקלט ניצב בפני אתגר קבוע של איזון התחום הדינמי כנגד סיפרת הרעש.
סיכום
הדגימה הישירה ההטרודינית וארכיטקטורות המקלט להמרה ישירה נסקרו תוך התחשבות ביתרונות והאתגרים של כל ארכיטקטורה. מגמות ושיקולים חדשים בתכנון המקלטים הוצגו גם. עם הדרישה העולמית ליתר רוחב פס, משולבת עם התקדמות ממירי הנתונים GPS, מצפים שתכנוני מקלטים רבים ושונים יופיעו בעתיד הקרוב..

סימוכין
1. McClaning, Vito, “Radio Receiver Design,” New York, Noble Publishing, 2000.
2. “Fundamentals of RF and Microwave Noise Figure Measurements,” Keysight Application Note
3. Razavi, “Design Considerations for Direct-Conversion Receivers,” IEEE, 1997
4. Delos, “Receiver Design Considerations In Digital Beamforming Phased Arrays,” Microwaves and RF, 2014
5. Henderson, “Mixers in Microwave Systems” WJ Tech-Note, 1990.
6. Harris, “What’s up with Digital Downconverters” Part 1 and 2, Analog Dialogue, 2016
7. Kester, “Analog-Digital Conversion,” Analog Devices, 2004

Peter Delos הוא Technical Lead
ב-.Analog Devices, Inc,
the Aerospace and Defense Group.