Diseño de transmisor multibanda y multiestándar con el RF DAC

Introducción

Las redes de comunicación inalámbrica están evolucionando rápidamente. La rápida expansión de la demanda de servicios de datos por parte de los consumidores exige una cobertura más amplia y un ancho de banda cada vez mayor, mientras coexisten múltiples estándares de aire. Las diferentes tecnologías de radio y el aumento de las asignaciones de frecuencia hacen que sea más complejo controlar las redes y reducir los costos. Los proveedores de servicios inalámbricos buscan soluciones que no solo protejan sus inversiones existentes, sino que también simplifiquen los sistemas para futuras actualizaciones de red y expansión de capacidad.

Satisfacer todas estas demandas requiere una solución eficiente y comparativamente económica al problema de construir estaciones base de radio multibanda y multiestándar (MB-MSR). Uno de los avances tecnológicos que respalda esta evolución del diseño de la estación base es la nueva generación de convertidores de digital a analógico (RF DAC) de radiofrecuencia, como el AD9129 de Analog Devices. En este artículo, examinamos los principales aspectos que deben tenerse en cuenta en el diseño de un transmisor MB-MSR que utilice DAC de RF.

Arquitecturas de transmisores tradicionales

La figura 1(a) muestra una arquitectura que está ampliamente implementada en el diseño de transmisores de estaciones base inalámbricas. Los datos de entrada en fase (I) y en cuadratura (Q) se modulan digitalmente y se convierten en el DAC en un par de señales de salida I y Q a una frecuencia intermedia (IF). El IF debe seleccionarse correctamente para que sea lo suficientemente alto para que el filtro de paso de banda rechace la imagen de modulación, pero lo suficientemente bajo para que el DAC mantenga un buen rendimiento de salida. Esta arquitectura se ha implementado con éxito en diseños de radio de banda única durante varias generaciones. Las ventajas y las compensaciones de diseño son bien conocidas. Sin embargo, existen algunas limitaciones inherentes asociadas con esta arquitectura que harían más difícil planificar las frecuencias en un diseño de radio multibanda. La figura 1(b) ilustra una de las limitaciones que se encuentran a menudo cuando se aplica directamente esta arquitectura a un diseño multibanda. En una radio de banda única, los armónicos de la señal en la salida del DAC generalmente se tratan como señales espurias fuera de banda y son rechazadas por el filtro de paso bajo que sigue al DAC. En la aplicación de doble banda, estos armónicos pueden entrar en banda y caer dentro de la banda de transmisión más alta. Esta limitación se evita en el enfoque que se muestra en la Figura 1(c). Las dos bandas de señal se colocan centradas alrededor de dc en el dominio complejo. Los armónicos quedan fuera de banda y se pueden filtrar. Este enfoque también tiene un requisito más bajo para la frecuencia de muestreo del DAC y el ancho de banda del filtro de paso bajo debido a su ancho de banda de señal real más estrecho. El problema con este plan de frecuencias, sin embargo, ocurre en la salida del modulador. Dependiendo de la distancia de cada banda al oscilador local (LO), la imagen de modulación de cada señal tiende a caer en la vecindad de la otra banda. Aunque es posible que un sofisticado algoritmo de corrección de errores de cuadratura (QEC) pueda ayudar a suprimir las imágenes, puede agregar una carga adicional al motor de procesamiento de señales de banda base porque las técnicas de filtrado analógico no están disponibles cuando las imágenes están en banda.

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Figura 1. Ejemplo de planes de frecuencias de un radio de doble banda (Banda 1 y Banda 3) en una arquitectura de transmisor tradicional; a) alineación de la cadena de señales del transmisor; b) conversión de FI; c) conversión directa.

Arquitecturas de transmisor directo a RF

Desde la perspectiva de la arquitectura, el DAC juega un papel fundamental en un sistema de transmisión de radio. Su velocidad y rendimiento determinan qué tan cerca de la antena se puede realizar la conversión de digital a analógico. El RF DAC amplía el alcance del procesamiento de señales digitales más allá del dominio de banda base hasta la antena. Permite la síntesis de la señal digital de banda base directamente en la frecuencia de salida final, que esencialmente absorbe la operación de conversión ascendente analógica de la arquitectura tradicional al dominio digital. La conversión de frecuencia digital proporciona una mayor flexibilidad y un mayor rendimiento en términos de planificación de frecuencia y ruido. Esto es especialmente atractivo para el diseño MB-MSR.

La planificación de frecuencias es más flexible con el RF DAC porque la modulación digital es ideal y no genera imágenes de modulación que puedan interferir con las señales. La frecuencia del reloj de muestra del DAC es la única variable de diseño que debe determinarse en la planificación de la frecuencia. La Figura 2 muestra la arquitectura de la síntesis de RF directa con un DAC de RF y su capacidad para admitir aplicaciones de doble banda sin tener problemas con la arquitectura tradicional. En este ejemplo, la señal de doble banda se sintetiza directamente en las frecuencias de la banda de transmisión final. La frecuencia del reloj de muestra del DAC se elige de modo que los armónicos de las señales se salgan de la banda de interés y puedan filtrarse antes de que la señal pase a la siguiente etapa de RF.

Figura 2. Ejemplo de planes de frecuencia de una radio de doble banda (Banda 1 y Banda 3) en una arquitectura de transmisor directo a RF; a) alineación de la cadena de señales del transmisor; b) conversión directa a RF.

El rendimiento de ruido en la arquitectura directa a RF es mejor por dos razones. El primero es la eliminación de la etapa de conversión ascendente analógica. En las arquitecturas tradicionales, la figura de ruido general de la cadena de la señal de transmisión suele estar dominada por el ruido del modulador, ya que el ruido aportado por el DAC en la salida del modulador suele ser inferior al ruido de fondo referido a la salida del modulador. La eliminación de la etapa de modulación permite que el diseñador del sistema reduzca la cifra de ruido del sistema aprovechando el piso de bajo ruido del DAC y la alta ganancia del amplificador de RF. La segunda razón para un mejor nivel de ruido es la reducción de la pérdida de inserción de la antena cuando se transmite en bandas múltiples, ya que no se necesita un combinador. La capacidad del RF DAC para sintetizar múltiples bandas mejora el rendimiento general del sistema además de reducir la complejidad y, por lo tanto, el tamaño y el costo.

Consideraciones de diseño de placa para la arquitectura Direct-to-RF

Los sistemas de comunicación multibanda típicos incluyen lógica de interfaz de datos, una matriz de puertas programables en campo (FPGA) o ASIC especializado, DAC, filtros, bloques de ganancia y amplificadores de potencia de RF. Dentro de una tarjeta de canal, el DAC actúa como interfaz entre la lógica digital y la red de conducción de salida analógica de RF. El DAC juega un papel importante en el sistema, ya que su rendimiento, frecuencia de muestreo y ancho de banda influyen en la arquitectura y el diseño del sistema.

Algunos circuitos clave, como la ruta de salida del DAC, el circuito del reloj, las líneas de transmisión, la fuente de alimentación y las rutas de retorno, necesitan especial atención para garantizar que sus diseños sean correctos para un rendimiento óptimo. Es posible que se necesite el análisis y la simulación de estos bloques, así como de la placa de circuito impreso (PCB) del DAC.

Además, el enrutamiento de la fuente de alimentación puede ser un desafío. La lógica digital incluye E/S y fuentes de alimentación de lógica central, mientras que la red de salida de RF puede incluir hasta cuatro o cinco fuentes de alimentación adicionales. Los dominios de potencia deben estar aislados entre sí y las rutas de retorno de la señal deben administrarse cuidadosamente para garantizar que no haya interferencias entre los dominios de suministro. Mantener las fuentes de alimentación aisladas entre sí es crucial para un rendimiento con bajo nivel de ruido.

El reloj DAC principal es una de las señales más críticas en la tarjeta del sistema. El reloj DAC es una señal diferencial y está aislado de otras señales a través de vallas. Además, las rutas de retorno se controlan para garantizar que no haya acoplamiento ni diafonía. Cualquier señal que se acople al reloj aparecerá directamente en la salida del DAC. Las señales digitales que corrompen el reloj reducen el margen de ruido en el sistema. Incluso se debe evitar que las salidas del DAC se acoplen al reloj, ya que esto hará que aparezcan segundos armónicos y potencialmente otros armónicos en el espectro de salida. Es preferible mantener el controlador del reloj lo más cerca posible del DAC para reducir el ruido y otros problemas de acoplamiento. Las salidas del DAC están conectadas a su carga mediante líneas de transmisión. La impedancia de estas líneas de transmisión se controla cuidadosamente según la carga para garantizar un comportamiento predecible de las señales de salida del DAC. La impedancia de salida del RF DAC está relacionada tanto con el paquete como con la matriz, por lo que los efectos del laminado deben incluirse en el análisis y la simulación de la etapa de salida. La impedancia coincidente entre el DAC y la carga es fundamental para maximizar la transferencia de energía desde el DAC al destino y también para minimizar la reflexión desde el destino hacia el DAC. El diseño adecuado de la línea de transmisión mejora la relación señal-ruido (SNR), que es necesaria para un buen sistema de comunicación multibanda.

Hoy en día, los sistemas de comunicación multibanda típicos incluyen múltiples cadenas de RF que consisten en DAC de FI, moduladores de cuadratura, filtros de paso de banda, amplificadores de potencia de RF y una etapa de filtro final antes de la antena. Esta arquitectura requiere un espacio de placa significativo para adaptarse a múltiples bandas de frecuencia en un solo transmisor. Esta gran cantidad de componentes consume cantidades significativas de energía y genera una buena cantidad de calor que requiere la eliminación a través de un disipador de calor o un ventilador, lo que agrega complejidad y costo al diseño general del sistema. Dado que los DAC de RF tienen suficiente ancho de banda para sintetizar múltiples bandas de RF, se pueden usar para crear un solo transmisor con una salida de múltiples bandas. Por ejemplo, un transmisor de triple banda que puede requerir tres pares de DAC de FI, tres moduladores y tres filtros de paso de banda puede reemplazarse por un único DAC de RF y filtro de salida que genera las tres bandas. A medida que los diseños de amplificadores de potencia migran a anchos de banda más amplios, se pueden lograr ahorros aún mayores en el espacio de la placa, ya que la cantidad de componentes en distintas cadenas de RF se reduce a los necesarios solo después del amplificador de potencia. Por lo tanto, se podría implementar un transmisor de banda múltiple con un DAC de RF, un filtro de salida entre el DAC y el amplificador de potencia, un amplificador de potencia y filtros de salida entre el amplificador de potencia y la antena.

Resultados de la medición

Cadena de señal

La figura 3 muestra la salida del AD9129 RF DAC a una frecuencia de muestreo de 2764,8 MSPS utilizando un modo seleccionable en el DAC que permite el uso de la segunda zona de Nyquist. Se sintetizaron ocho canales W-CDMA de 5 MHz de ancho en tres bandas diferentes. Se crearon dos canales de 1825 MHz a 1835 MHz, otros dos canales de 1845 MHz a 1855 MHz y cuatro canales de 2130 MHz a 2150 MHz. Las señales se generaron en una matriz de puertas programables (FPGA) y luego se sintetizaron directamente por el RF DAC.

Figura 3. Gráficos del analizador de espectro medido de una salida DAC de RF AD9129 a una frecuencia de muestreo de 2764,8 MSPS; a) ocho canales W-CDMA de 5 MHz de ancho en la segunda zona de Nyquist; b) dos canales W-CDMA de 5 MHz de ancho a 1825 MHz a 1835 MHz; c) dos canales W-CDMA de 5 MHz de ancho a 1845 MHz a 1855 MHz; d) brecha de dos canales entre canales W-CDMA; e) cuatro canales W-CDMA de 5 MHz de ancho a 2130 MHz a 2150 MHz.

La figura 4 muestra la salida del AD9129 a una frecuencia de muestreo de 2764,8 MSPS utilizando un modo que permite la síntesis en la primera zona de Nyquist. Se sintetizaron cuatro canales W-CDMA de 5 MHz de ancho con cuatro canales LTE descendentes en dos bandas diferentes. Se crearon cuatro canales W-CDMA de 871 MHz a 891 MHz y cuatro canales LTE descendentes de 729 MHz a 749 MHz.

Figura 4. Gráficos del analizador de espectro medido de una salida DAC de RF AD9129 a una frecuencia de muestreo de 2764,8 MSPS; a) canales W-CDMA de cuatro MHz de ancho y cuatro canales LTE de 5 MHz en la primera zona de Nyquist; b) cuatro canales LTE de 5 MHz de ancho a 729 MHz a 749 MHz; c) cuatro canales W-CDMA de 5 MHz de ancho a 871 MHz a 891 MHz.

Resumen

Las redes de comunicaciones inalámbricas modernas exigen estaciones base multibanda y multiestándar flexibles y fáciles de actualizar. La arquitectura de transmisor directo a RF proporciona una solución rentable/rendimiento para el diseño de transmisor de radio multibanda y multiestándar. El avance de la tecnología RF DAC, como el AD9129 de Analog Devices, ha ayudado a reducir el umbral de un diseño de radio multibanda y multiestándar y ha mostrado una tendencia prometedora de tener más diseños que utilicen la arquitectura directa a RF en el futuro.

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