Tood Nelson, Linear Technologies
קובי גלברג Avnet Israel
מקלט DPD זעיר משלב RF, מסנן ו-ADC
מגבר ההספק (PA) צורך יותר אנרגיה מכל בלוק או מעגל אחר בתחנת הבסיס הסלולרית, לכן הוא מהווה גורם משמעותי בהוצאות התפעול של ספקית השירותים. אפנון דיגיטלי מורכב דורש מה-PA ליניאריות גבוהה במיוחד לכן חשוב להביאו למצב נמוך בהרבה מזו של מצב הרוויה, שם הוא יכול להציע את הנצילות הגבוהה ביותר. כדי לשפר את נצילות ה-PA משתמשים בטכניקות דיגיטליות להקטנת אופציות לבצע CFR (הקטנת אמפליטודת השיא של האות) וכדי לשפר את הליניאריות של ה-PA, מה שיאפשר לו לעבוד בנקודה הקרובה יותר למצב רוויה. טכניקת ה-DPD (ביטול עיוות מראש) הולכת ומסתמנת כשיטה המועדפת לליניאריזציה של ה-PA. יש התמקדות רבה באלגוריתם ה-DPD אך חשוב לזכור שקיים אלמנט קריטי נוסף והוא מקלט משוב ה-RF.
דרישות מקלט ה-DPD
מקלט DPD ממיר את יציאת ה-PA מ-RF בחזרה לאות הדיגיטלי כחלק מלולאת המשוב (ראו איור 1). דרישות התכנון העיקריות הן של טווח תדר הכניסה ושל רמת ההספק, ויש לבצע דיגיטציה של תדר הביניים ושל רוחב הפס. חלק מהנתונים הללו נגזרים ישירות ממפרטי ה-PA וחלקם ממוטבים בזמן התכנון.
אות השידור של פס הבסיס מומר כלפי מעלה אל תדר הגל הנושא ומוגדר בתדר בהתאם לתקן ממשק האוויר: WCDMA, TD-SCDMA, CDMA2000, LTE וכיוב’. כיוון שמטרת לולאת ה-DPD היא למדוד את פונקצית ההעברה של ה-PA, לא הכרחי להפריד את הגלים הנושאים או לבצע דה-מודולציה של הנתונים הדיגיטליים. חוסר הליניאריות של ה-PA יוצר תוצרי אינטרמודולציה בסדר אקראי, שיוצרים גידול מחדש ספקטרלי בערוצים הסמוכים ובערוצי הסירוגין. תוצרים מסדר שלישי מופיעים בתוך טווח של פי שלושה מרוחב הפס של הערוץ הרצוי (ראו איור 2). בדומה, תוצרים מסדר חמישי מופיעים בתוך טווח של פי חמישה מרוחב הפס ותוצרים מסדר שביעי יהיו בתוך טווח של פי שבעה מרוחב הפס. על כן חייב מקלט ה-DPD להשיג מכפלה של רוחב פס השידור שתהיה שוות ערך לסדר הגודל של תוצרי האינטר-מודולציה שצריכים לעבור ליניאריזציה.
המגמה הרווחת היום בפיתוח היא לערבל את הערוץ הרצוי לתדר ביניים (IF) וללכוד את מלוא רוחב הפס של כל תוצרי האינטר-מודולציה. ה-IF המדויק נבחר באופן שיקל על הסינון ויעזור להימנע מתדרים אחרים שכבר נקבעו על סמך דרישות המפרט. בדומה, גם קצב הדגימה נבחר כמכפלה של קצב האפנון הדיגיטלי, לדוגמה, 3.84 מגהרץ ב-WCDMA. ולבסוף, בהתאם למה שמכתיב משפט הדגימה של נייקוויסט, קצב הדגימה חייב להיות לפחות פי שניים מרוחב הפס הנדגם. אמנם יש תצורות רבות אפשריות, אבל תצורה אחת המתגברת על כל המגבלות והאילוצים היא IF של 184.32 מגהרץ, קצב דגימה ADC של 245.76 מגהרץ ורוחב פס של 122.88 מגהרץ.
במקרה של 20W PA, הספק המוצא הממוצע הוא 43dBm. יחס השיא לממוצע (PAR) הוא בערך 15dBm. כדי להגדיר את הספק הכניסה הממוצע למערבל של שרשרת הקליטה לערך של -15dBm, השילוב של הפסד ההחדרה של המנחת והמצמד חייב להיות 58dB (ראו איור 1). הרעש בתוך הפס (in-band) של ה-PA מוגדר על-ידי תקן ה-WCDMA למקסימום של -13dBm/MHz (-73dBm/Hz). לכן, השילוב של המצמד והמנחת (-58dB) ומגבלת הרעש של ה-PA (-13dBm/MHz) מוביל לרמת רגישות מקלט שחייבת להיות פחות מ—71dBm/MHz (-131dBm/Hz). כדי להשיג שוליים מספקים יש להגיע לנתון שיהיה טוב לפחות ב-6dB עד 10dB מהנתונים הללו. צורך זה הוא למעשה מה שמכתיב את דרישות תוכנית התדרים, רמת ההספק והרגישות עבור מקלט ה-DPD.
ברמת הלוח, מארז ה-µModule משלב את כל רכיבי המפתח בתוך שטח קטן, לרבות המסנן הפסיבי ורכיבי נטילת הצימוד. המארז יכול לחסוך שטח לוח ניכר, להפוך את המערך לפשוט יותר ולשפר את רמת הביצועים
מקלט DPD משולב
משהוגדרו דרישות המערכת מתמקדת המשימה ביישום המעגל תוך שימוש במערבל, מגבר IF, ADC, סינון פסיבי, רשתות תואמות ומעקף הספק. חישובים וסימולציות אכן יכולים לעזור, אך אין תחליף של ממש לאבלואציה של חומרה אמיתית, מה שמוביל בדרך כלל לכמה וכמה איטרציות של ה-PCB. עם זאת, סוג חדש של מקלטים משולבים המבוססים על טכנולוגיית המארז של חברת ליניאר טכנולוג’י – ה-µModule – עוזר להפוך את המשימה להרבה יותר פשוטה. מקלט ה-LTM 9003 DPD µModule הוא מקלט DPD משולב לגמרי – למעשה הוא סוג של RF-to-bits בהתקן יחיד.
ה-LTM9003 מורכב ממערבל אקטיבי ליניארי ביותר, ממגבר IF, ממסנן פס מעבד מסוג L-C ומ-ADC מהיר (ראו איור 3). מכלול השבב ה”ערום” המחובר בתהליך wire-bonding מבטיח גורם צורה כללי קומפקטי ביותר, אך בה בעת מאפשר השמה של קבלי מעקף הספק ושל הייחוס קרוב יותר לשבב ממה שאפשרו המארזים המסורתיים. תכונות אלה מקטינות את האפשרות שהרעש יפגע ברמת הדיוק של ה-ADC. רעיון זה מתרחב גם לטכניקות של מערכי התדר הגבוה שבהן משתמשים בכל שרשרת הקליטה של ה-LTM9003.
האינטגרציה מבטלת רבים מהאתגרים הכרוכים בהנעת ADCs במהירות גבוהה. ניתוח מעגלים ליניאריים לא יכול להסביר את פולסי הזרם הנובעים מפעולת מיתוג ה”דגימה והחזקה” של ה-ADC. מערך המעגל המסורתי מצריך כמה איטרציות כדי להגדיר רשת כניסה הסופגת את הפולסים הללו, כזו שתהיה סופגת מתוך הפס, ועם זאת תוכל לעבוד בצורה חלקה ו”נטולת תפר” עם המגבר הקודם. מגבר ה-IF חייב גם להיות מסוגל להניע את הרשת הזו מבלי להוסיף עיוות. נראה כי תרומתו החשובה ביותר של מקלט ה-LTM9003 µModule היא העובדה שהוא מספק פתרון לאתגרים הללו.
המסנן הפסיבי של פס המעבר הוא מסנן מסדר שלישי עם פס מעבר שטוח מאוד. במרכז הפס, ב-25 מגהרץ, ישנה אדווה של פחות מ-0.1dB, ואילו על-פני כל ה-125 מגהרץ של פס המעבר האדווה היא רק 0.5dB. תצורת הסדר השלישי מבטיחה שה”שוליים” של תגובת התדר יהיו מונוטוניים – תכונה חשובה עבור אלגוריתמי DPD רבים.
ברמת התכנון, ה-LTM9003 חוסך זמן. תכנון המסנן והתאמת הרכיבים מצריכים איטרציות של PCB כדי להגיע לתוצאה הנכונה. מאתגר במיוחד לתכנן מסנן שאיננו מבוזר על-ידי פעולת המיתוג של מעגלי הדגימה והחזקה ב-ADC. אפילו ההשמה של קבלים לנטילת צימוד בספק משפיעה על רמת הביצועים הכוללת ויכולה להוביל לשינויים וניסויים חוזרים ונשנים במערך הלוח.
רמת הביצועים הכוללת של ה-LTM9003 עולה בהרבה על דרישות המערכת המתוארות לעיל. עם טון יחיד ב—2.5dBm, שהוא שווה ערך ל—1dBFS ב-ADC, יחס האות לרעש (SNR) האופייני הוא -145dBm/Hz. ספרה זו היא נמוכה בהרבה מערך היעד של -131dBm/Hz המוגדר על-ידי תקן ה-WCDMA. ההרמוניות במקרה הגרוע ביותר הן 60dBc. ספרת ה-IIP3 של 25.7dBm משמעה שה-LTM9003 מסוגל לתמוך ב-ACPR של 87dBc בהנחה שה-PA יהיה מספיק ליניארי. באופן יחסי לדרישות המערכת וליכולות של מגברי ההספק הטובים ביותר הקיימים היום בשוק, ה-LTM9003 עולה באופן ניכר על הדרישות. כל השרשרת צורכת כ-1.5W מספק של 3.3V ו-2.5V, ועדיין מצריכה שטח לוח מעגל של 11.25×15 מ”מ בלבד.
תצורות חלופיות
טכנולוגיית ה-µModule מציעה גם רמה לא צפויה של גמישות. באמצעות שינוי הערכים של הרכיבים הפסיביים או החלפת מעגלים משולבים הממוטבים כקבוצה אפשר להציע את ה-LTM9003 בגרסאות ספציפיות ליישום, מבלי לפגוע ברמת הביצועים ומבלי להעלות את רמת המורכבות.
לדוגמה, ה-LTM9003-AA משתמש במערבל אקטיבי דל הספק מסיליקון גרמניום הפועל מספק 3.3V. מוצר ה-2XRF-2XLO מעניק הרמוניה שנייה של 60dBc, כלומר הטון הטפילי (spur) הגרוע ביותר בספקטרום. את זה אפשר לשפר על חשבון צריכת ההספק באמצעות החלפת המערבל בחלק דומה של 5V. החלפה כזו תשפר את ההרמוניה השנייה ב-4dB כפי שעושה התקן ה-LTM9003-AB. בדומה, ניתן להקטין את קצב הדגימה באמצעות החלפה של 210Msps ADC אשר צורך פחות הספק וערכי מסנן ה-L-C יכולים להשתנות כדי לממש רוחב פס מסנן שונה ועדיין להשיג שטיחות פס מעבר מצוינת.
יתרונות גדולים במארז קטן
יתרונות השימוש ב-LTM9003 לצורך ליניאריזציה של ה-PA מושגים בכמה רמות. ברמה העליונה, ה-DPD מאפשר לכם להריץ את ה-PA עם פחות back-off. התוצאה היא שה-PA יעיל יותר ולכן צורך פחות הספק עבור אותה רמת הספק מוצא.
ברמת הלוח, מארז ה-µModule משלב את כל רכיבי המפתח בתוך שטח קטן, לרבות המסנן הפסיבי ורכיבי נטילת הצימוד. המארז חוסך שטח לוח משמעותי, מפשט את המערך ומשפר את הביצועים. האינטגרציה יכולה לאפשר RRH (remote radio head) ברמת ביצועים גבוהה.
ברמת ההנדסה, ה-LTM9003 חוסך זמן. תכנון המסנן והתאמת הרכיבים מצריכים איטרציות של ה-PCB כדי להשיג את התוצאה הרצויה. מאתגר במיוחד לתכנן מסנן שאיננו מבוזר על-ידי פעולת המיתוג של מעגל הדגימה וההחזקה של ה-ADC. אפילו ההשמה של קבלים לנטילת צימוד בספק משפיעה על רמת הביצועים הכוללת ויכולה לגרום לשינויים וניסויים חוזרים ונשנים במערך הלוח. המשימות הללו גוזלות חודשים של תכנון וניפוי שגיאות בכל חזרה ואבלואציה של השינויים. עם ה-LTM9003, כל העבודה הזו כבר בוצעה.
מסקנות
בעוד שהאלגוריתמים הדיגיטיליים עבור DPD דורשים תשומת לב מרובה, תכנון המקלט האנלוגי הוא לא פחות תובעני. מקלט ה-LTM9003 µModule הופך את התכנון הזה לפשוט יותר תודות לשילוב של כל המקלט בתוך מארז זעיר אחד.
