Ejemplo de diseño de banda base para el modulador IQ de bajo consumo LTC5589/LTC5599

Introducción

Este modulador básico de baja potencia se describió en el artículo del LT Journal de noviembre de 2015. En esta entrada del blog, mostraremos cómo :

• Utilizar la simulación para validar el diseño del filtro, y
• Reduce las desviaciones de CC utilizando amplificadores diferenciales para la conducción de la banda base.

También encontrarás algunos consejos diversos que te ayudarán a completar el diseño.

Para generar una modulación compleja, se necesitan dos canales idénticos (I y Q). Para simplificar, aquí sólo se muestra un canal.

Parámetros de modulación

En este ejemplo de diseño, las especificaciones del sistema son las siguientes

• Tasa de símbolos= 30 ksps
• Filtro digital alfa= 0,35

El siguiente paso es determinar los requisitos del filtro de banda base:

• El ancho de banda total de la señal = 30*1,35= 40,5 kHz, es decir, 20,25 kHz para cada canal I y Q. Esto determina el ancho de banda del filtro.
• El ancho de banda del filtro viene determinado en gran medida por la velocidad de actualización del DAC, en este caso 240 ksps, o sea 8 veces la interpolación por símbolo.

Pasemos ahora rápidamente al circuito completo, seguido de la descripción. Ten en cuenta que, para simplificar, sólo se muestra uno de los dos canales I y Q idénticos:

Figura 1. El circuito de accionamiento de banda base convierte el DAC de un solo extremo en diferencial. Se recomienda un filtro pasivo de reconstrucción del DAC para obtener un bajo nivel de ruido.

Entrada y referencia del DAC

Son preferibles las salidas DAC diferenciales. Pero cuando se utilizan salidas DAC de una sola fuente y de un solo extremo, se necesita una Vref fija, que puede provenir de un tercer DAC, o de la V_REF de los DAC de señal. Vref es simplemente la referencia cero de los DAC, y puede compartirse entre los canales I y Q, pero asegúrate de que tiene una baja impedancia de fuente, para una mínima diafonía entre los canales I y Q. Tampón V_REF con un seguidor de tensión LTC6246 si es necesario.

En este ejemplo, los DAC I y Q no equilibrados están configurados para una salida de 0 a +1,024 V. Ten en cuenta que el controlador digital del DAC debe escalarse para utilizar todos los bits disponibles del DAC, pero sin tocar nunca los extremos de la escala completa.

Las resistencias opcionales R5 y R6 se eligen para conseguir una corriente continua media baja para los DAC. En este ejemplo, la tensión de modo común de entrada se reduce a 0,512 V para que coincida con el centro del rango de tensión de salida del DAC.

Conductor diferencial unidireccional

Es muy preferible utilizar señales de banda base diferenciales para accionar el modulador, en lugar de un accionamiento de banda base de un solo extremo. El accionamiento diferencial ofrece 6dB más de potencia de salida de RF, y la menor magnitud del vector de error (EVM).

Elegir un amplificador con entrada y salida diferencial también simplifica el diseño, porque

1. La simetría del diseño reduce el error de desplazamiento de CC de la salida, lo que reduce el avance del LO y mejora la precisión de la modulación.
2. La tensión de modo común de salida (V_OCM) pueden modificarse de forma independiente para satisfacer los requisitos del modulador, y
3. La ganancia puede modificarse de forma independiente sin afectar a V_OCM.

Figura 2. Un controlador diferencial simplifica el diseño al proporcionar un ajuste independiente de la ganancia y la tensión de modo común de salida.

El LTC6362 se selecciona para esta aplicación porque sólo consume 1mA de corriente de alimentación y el ruido es bastante bajo. El bajo ruido del amplificador es importante para los diseños en los que la fuente de la señal de banda base tiene una baja densidad de ruido cercana, lo que significa que se utiliza un filtro de banda base digital de orden muy alto, así como DAC de alta resolución. No queremos que el amplificador agrave esta relación S/N cercana.

Los condensadores C10 y C11 se eligen para limitar el ruido de radiofrecuencia y proporcionar una contribución insignificante (<0,1 dB) al error de amplitud en la frecuencia de banda base más alta. La simulación LTspice es muy útil para este fin.

Filtro de recomposición DAC LC

El filtro de reconstrucción del DAC es importante para suavizar la salida escalonada del DAC, que reduce las imágenes de Nyquist de alta frecuencia. Otra función importante es minimizar el suelo de ruido de banda ancha en la salida del modulador.

Figura 3. Filtro LC reconstruido. Este diseño es para terminaciones de fuente y carga de 266 ohmios.

Utiliza las herramientas CAD de diseño de filtros convencionales para sintetizar estos valores de elementos LC para tu diseño. Para una mayor precisión de la modulación, elige la respuesta FPL de Bessel para la fase lineal. En este ejemplo, la esquina de -3dB se fija en 50 kHz, lo que es bueno para velocidades de símbolo de hasta ~30 ksps.

La amplitud de los destellos de la imagen del DAC, en relación con la señal deseada, puede estimarse mediante SIN(x) / x, donde x = π f / f_CLKpara el plan de frecuencias de este diseño, podemos esperar una atenuación de la imagen de 25dB a 220kHz. Añade a esto la atenuación que ofrece el filtro de reconstrucción LC del DAC a 220 kHz (45dB), para estimar el rechazo total de la imagen de Nyquist en 70dB.

Deduciendo el valor de VOCM Fuente

Cuando V_CC está bien regulada, V_OCM puede derivarse de un simple divisor de resistencias Vcc. En caso contrario, V_OCM se deriva eficazmente de un regulador de tensión ajustable LT3009, que admite una corriente de divisor de resistencias tan baja como 1µA. A V_OCM es esencial para establecer el punto de funcionamiento correcto del modulador IQ.

Figura 4. El sencillo LT3009 proporciona un Vocm bien regulado y de bajo ruido, con un gasto mínimo de corriente.

Nota: Los LTC6362 tienen una tensión interna de V_OCM divisor de tensión a V_CC/2, por lo que siempre que Vcc supere los 2,8V, V_OCM necesita un pull-down para mantenerse a 1,4V. Este es el objetivo de R3.

Escala de ganancia

Normalmente, para muchas aplicaciones del LTC5589 y del LTC5599, un nivel de accionamiento diferencial de unos 330mV_RMS es un buen punto de partida, medido diferencialmente en las entradas I y Q del modulador IQ. Debido a las pérdidas del filtro LC, el comando a la entrada del filtro LC suele ser ligeramente superior, unos 358mV_RMS en cada salida del amplificador diferencial. Debe utilizarse un analizador de espectro para confirmar que se alcanza la pureza espectral deseada de la salida de RF del modulador.

Acciona el modulador IQ con un V_RMS para una mayor potencia de salida, o V_RMS para reducir la IMD y mejorar la precisión de la modulación. Las resistencias de retroalimentación del amplificador pueden ajustarse para este fin.

Resultados de la simulación

La síntesis del filtro ya debería ser correcta. Sin embargo, al tener que convertir el diseño del filtro de monofónico a diferencial, hay cierto margen para que se produzcan errores de diseño. Otra fuente de error puede ser el retardo de los amplificadores, que se convierte en un factor para velocidades de símbolo más altas. Una rápida simulación LTspice puede ser útil para comprobar que estas dos fuentes de error siguen siendo benignas.

Empieza examinando las respuestas de la banda pasante y de la banda de parada por separado:

Figura 5: Respuesta global de paso de banda del circuito. Aquí buscamos una disminución mínima de la ganancia y un cambio mínimo del retardo de grupo en la frecuencia de señal más alta (20,25 kHz en este ejemplo de diseño).

Observa que la caída de la respuesta a la frecuencia de señal más alta, 20,25 kHz, es de sólo 0,5 dB. Menos de 1dB es un buen objetivo. Y el retardo de grupo es tan plano que necesitarás un marcador delta para medirlo en el gráfico de simulación anterior. Es sólo 3,7ns, una cantidad insignificante comparada con un periodo de símbolo de 1/30k, o sea 33,3us. Menos de un porcentaje de un periodo de símbolo es un buen objetivo. La variación del retardo de grupo es muy buena en este caso, gracias al filtro de Bessel.

Figura 6. Respuesta global de la banda de parada del circuito. Aquí buscamos una atenuación suficiente en la frecuencia de imagen de Nyquist (220 kHz en este ejemplo de diseño).

En este ejemplo vemos una atenuación de 46dB en la frecuencia de la imagen. Combinado con los 25dB sin(x) / x, esto supone 71dB. Un buen objetivo en este caso es de unos 70 dB o más. En el caso de las aplicaciones inalámbricas, entran en juego los requisitos de los organismos reguladores.

Ten en cuenta que las pérdidas de los elementos filtrantes no siempre son fáciles de simular con precisión. Su efecto se pondrá de manifiesto en el siguiente tema:

Resultados de las pruebas

Para la modulación digital, la prueba definitiva de la precisión del modulador es el EVM.

Figura 7. La medición del EVM del LTC5599 de 0,8% rms es la esperada. Todos los registros SPI tienen los valores por defecto, excepto la frecuencia LO que está ajustada a 450MHz.

Dado que este sistema utiliza DAC de 8 bits, no es de extrañar que el EVM mida alrededor del 0,8%, ya que fundamentalmente es el mejor resultado posible, dado que el ENOB será inferior a 8 bits :

Figura 8. ¡Consigue gratis tu traductor de precisión de tecnología lineal! En este caso, muestra cómo la resolución efectiva del DAC puede limitar la precisión de la modulación.

Los resultados de las pruebas de EVM coinciden con las mediciones publicadas anteriormente y son, sin duda, lo suficientemente buenos para la mayoría de las aplicaciones de modulación digital.

Para mejorar aún más el EVM se necesitarían más tomas del filtro FIR, DACs de mayor resolución y quizás una compensación del filtro digital para el roll-off de sin(x)/x y el roll-off del filtro de recomposición del DAC.

Figura 9. Espectro de salida de RF a una potencia de salida de -4dBm. Ten en cuenta que la imagen del DAC en el peor caso es de unos -70dBc, lo que es suficiente para la mayoría de las aplicaciones.

Observando el espectro de salida, la densidad espectral del ruido cercano viene determinada por varios factores: el orden del filtro FIR, el ruido de fase del LO y el nivel de accionamiento del modulador.

Conclusión

Este blog ilustra técnicas de diseño detalladas para utilizar moduladores IQ de baja potencia como el LTC5599 y el LTC5589. Para conseguir la mayor precisión de modulación, el menor ruido y el menor consumo de corriente continua, el diseñador debe considerar cuidadosamente cada bloque del circuito, como se muestra aquí como ejemplo.