La eliminación del ruido de fase del transmisor informa sobre el posible rendimiento con un LO externo

Resumen

Las radios definidas por software son uno de los temas más candentes de la industria actual. La capacidad de rendimiento de la radio definida por software se ha visto impulsada por el lanzamiento de transceptores de radiofrecuencia (RF) que ofrecen soluciones de radio completas en circuitos integrados (CI) monolíticos. La cartera de transceptores de Analog Devices proporciona un CI habilitador, que prolifera en muchos diseños de radio totalmente controlados por software. Una de las áreas que aún no se ha explorado con estos dispositivos es el potencial de las aplicaciones de bajo ruido de fase. Este artículo evalúa el rendimiento del ruido de fase de estos circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC) altamente integrados, centrándose en los casos en los que se proporcionan frecuencias externas.

Las mediciones realizadas en el transceptor ADRV9009 de Analog Devices al utilizar un oscilador local (LO) externo indican que es posible una mejora significativa del ruido de fase cuando se utiliza un LO de bajo ruido. La arquitectura del transceptor se presenta desde el punto de vista de la contribución al ruido de fase. Mediante una serie de mediciones, se extrae el ruido de fase residual o aditivo en función de la frecuencia programada a la salida del DAC. Utilizando esta contribución de ruido junto con el ruido de fase de las frecuencias de entrada, LO y referencia, se puede estimar el ruido de fase total a la salida del transmisor. Estas estimaciones se comparan con los resultados medidos.

Introducción/Motivación

El ruido de fase es una de las métricas críticas de calidad de la señal que se caracterizan en los diseños de radio. Durante la fase de definición de la arquitectura se dedica mucho esfuerzo a garantizar que los requisitos de ruido de fase se cumplan de la manera más económica posible.

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Las mediciones realizadas en el transceptor ADRV9009 indican que existe una amplia gama de posibles resultados de rendimiento de ruido en función de la implementación elegida. Cuando se utiliza el LO interno, el ruido de fase viene determinado por el bucle interno de bloqueo de fase (PLL) y el oscilador controlado por tensión (VCO), basado en el circuito integrado. El LO interno ha sido diseñado para satisfacer la mayoría de las aplicaciones de comunicación. Para las aplicaciones que requieren un mejor rendimiento del ruido de fase, cuando se utiliza una fuente de bajo ruido de fase como LO externo, se puede conseguir una mejora significativa del ruido de fase.

La figura 1 demuestra una mejora potencial del ruido de fase de más de 40 dB en los desplazamientos de 10 kHz a 100 kHz del transceptor ADRV9009. Las condiciones en las que se realizaron estas mediciones son las siguientes: Para la medición del LO interno, la frecuencia del LO se ajusta a 2,6 GHz, con una salida DAC de 8 MHz. Para las mediciones del LO externo, se utilizó un Rohde & Schwarz SMA100B como fuente de LO. Hay un divisor de frecuencias interno en la trayectoria del LO, así que para una frecuencia de LO de 2,6 GHz, el generador se ajustó a 5,2 GHz. Las mediciones se realizaron con el analizador de ruido de fase Holzworth HA7402.

Figura 1: Mediciones del ruido de fase del transceptor ADRV9009. Cuando se utiliza el LO interno, el ruido de fase está limitado por el PLL/VCO del CI. Utilizando un LO externo de bajo ruido de fase, se puede conseguir una mejora significativa del ruido de fase.

Transceptor ADRV9009

El ADRV9009 es la última versión de la gama de transceptores de Analog Devices. La arquitectura del transceptor se muestra en la Figura 2. Los transceptores son radios de dos canales, con transmisión y recepción, implementados con arquitecturas de conversión directa,1 en circuitos integrados monolíticos. El procesamiento digital incluye algoritmos de corrección de errores de cuadratura, de desplazamiento de CC y de fuga de LO para conseguir el rendimiento obtenido en una arquitectura de conversión directa. El transceptor ofrece una funcionalidad completa de RF a digital. Se admiten frecuencias de RF de hasta 6 GHz y una interfaz JESD204B proporciona una interfaz de datos de alta velocidad a un procesador basado en ASIC o FPGA.

Figura 2. Diagrama de bloques del transceptor ADRV9009.

La radio se sincroniza con una entrada de frecuencia de referencia. Varios PLLs se sincronizan con la referencia, incluyendo los relojes del convertidor, el LO y los relojes digitales. Se proponen disposiciones para un LO externo que permita evitar el LO PLL interno. La ruta de LO tiene un divisor de frecuencia entre el PLL o la entrada de LO externa y los puertos del mezclador. Se utiliza para generar las señales de LO en cuadratura necesarias para la arquitectura de conversión directa. Los relojes del convertidor y el LO tienen un impacto directo en el ruido de fase alcanzable y se analizan con más detalle cuando se evalúan los contribuyentes al ruido de fase.

Revisión de los contribuyentes al ruido de fase

El ruido de fase en la salida de transmisión está compuesto por varios contribuyentes. La figura 3 muestra un diagrama de bloques simplificado de la arquitectura del generador de forma de onda de conversión directa utilizado y de los principales contribuyentes al ruido de fase.

Figura 3: Diagrama de bloques de conversión ascendente directa y contribuyentes de ruido de fase asociados.

Antes de diseccionar el ruido de fase del transceptor, conviene repasar algunos principios básicos. En un multiplicador o divisor de frecuencias, el ruido de fase es superior a 20logN, donde N es la relación de frecuencias entre la entrada y la salida.2 Esto también se aplica a un sintetizador digital directo (DDS), en el que la contribución del ruido del reloj escala más de 20logN con la frecuencia de salida del DDS. El segundo aspecto a considerar son las funciones de transferencia del ruido de fase en un PLL.3 Una frecuencia de referencia inyectada en un PLL escalará la salida en función de la relación de frecuencias (de forma similar a un multiplicador), pero tendrá un efecto de filtro de paso bajo aplicado en función del ancho de banda del bucle (BW) y del tipo de filtro de bucle elegido.

Aplicando estos principios al transceptor, podemos examinar varios contribuyentes. Hay dos frecuencias, la frecuencia LO y la de referencia, que se introducen en el transceptor. La frecuencia de LO tiene una contribución directa a la salida del ruido de fase, pero se reduce en 6 dB en el divisor de frecuencia interno utilizado para crear las señales de LO en cuadratura al mezclador. La contribución de la frecuencia de referencia viene determinada por varios factores. Se utiliza para crear el reloj DAC en el reloj PLL. El ruido en la salida del reloj debido a la frecuencia de referencia será escalado por la función de transferencia de ruido del PLL. Entonces esta contribución se escalará de nuevo por la relación entre el reloj del DAC y la frecuencia de salida del DAC. Este efecto puede simplificarse escalando la frecuencia de referencia a la frecuencia de salida del DAC con una función de transferencia de paso bajo aplicada en función del BW del PLL.

A continuación, considera la contribución del ruido de fase del CI transceptor. Hay ruido residual añadido por todos los componentes del circuito en la ruta de transmisión. Uno de los factores que contribuyen al ruido del CI es el ruido aditivo en la salida del DAC, que varía con la frecuencia de salida del DAC. Esto puede resumirse en dos términos de ruido de fase residual: una contribución de ruido dependiente de la frecuencia y una contribución de ruido independiente de la frecuencia. El ruido dependiente de la frecuencia escala más de 20logN con la frecuencia de salida del DAC. El ruido independiente de la frecuencia es fijo y determinará la contribución del suelo de ruido de fase del CI transceptor.

Para extraer la contribución de ruido residual del CI en función de los contribuyentes dependientes e independientes de la frecuencia, se realizó una serie de mediciones de ruido de fase, como se muestra en la figura 4.

(a). La frecuencia de referencia y la frecuencia LO.

(b). Ruido de fase de la salida del transceptor.

(c). Ruido de fase residual del transceptor.

Figura 4: Mediciones de ruido de fase utilizadas para extraer los distintos contribuyentes al ruido de fase.

Las configuraciones de prueba utilizadas para las mediciones del ruido de fase se muestran en la Figura 5. Para las entradas de frecuencia de LO y de referencia del transceptor, se utilizó un SMA100B y 100A de Rohde & Schwarz, respectivamente. Se utilizó el Holzworth HA7402C como equipo de prueba de ruido de fase. Para medir el ruido de fase absoluto, la salida de transmisión del transceptor se introduce en el equipo de prueba. Para las mediciones de ruido de fase residual, se necesitan tres transceptores, y utilizando los transceptores adicionales como puerto LO del mezclador en el equipo de prueba, se puede eliminar de la medición la contribución de ruido de la frecuencia de referencia y de la frecuencia LO.

(a). Medición del ruido de fase absoluto.

(b). Medición del ruido de fase residual.

Figura 5: Dispositivos de prueba utilizados para medir el ruido de fase.

Evaluando los datos medidos en la Figura 4, se extrajeron los contribuyentes de ruido de fase dependientes e independientes de la frecuencia del CI transceptor. Las estimaciones se presentan en la Figura 6. Las estimaciones se derivaron tanto de los ajustes de las curvas a los datos medidos como de los ajustes de los umbrales aplicados al suelo de ruido de fase en las frecuencias de desplazamiento superiores a 1 MHz.

Figura 6. Contribuyentes de ruido de fase residual del transceptor. Estas curvas se extrajeron de los datos medidos en la Figura 4

Mediciones del ruido de fase absoluto frente a las predicciones

Evaluando las distintas contribuciones de ruido de fase como se ha descrito, es posible calcular predicciones basadas en la frecuencia de salida del DAC y en los osciladores utilizados para el LO y la referencia. Los resultados medidos frente a las predicciones se muestran en la figura 7.

(a). Salida del DAC = 12,5 MHz.

(b). Salida del DAC = 25 MHz.

(c). Salida del DAC = 50 MHz.

(d). Salida del DAC = 100 MHz.

Figura 7. Ruido de fase medido y previsto con un LO externo. El LO se ajustó a 5,2 GHz para una frecuencia central del transceptor de 2,6 GHz. La frecuencia de salida del DAC se cambió de 12,5 MHz a 100 MHz. Los resultados son predecibles e indican que el método de análisis puede ampliarse a otras frecuencias.

Los contribuyentes se calcularon de la siguiente manera:

  • Contribución del ruido de fase del LO: Se utilizó el ruido de fase del LO medido en la Figura 4 y se redujo en 6 dB para tener en cuenta el divisor de frecuencia dentro del CI del transceptor.
  • Contribución del ruido de fase de referencia: Se utilizó como punto de partida el ruido de referencia medido en la figura 4. El PLL del reloj del transceptor tiene un ancho de banda de bucle de varios cientos de kHz, por lo que se aplicó al ruido de referencia un filtro de paso bajo de segundo orden con un ancho de banda similar. A continuación, el ruido se escaló por el logaritmo de la relación entre la frecuencia de salida del DAC y la frecuencia de referencia.
  • Contribución del CI: Se utilizaron las curvas de la figura 6.

Los resultados medidos se ajustan muy bien a las predicciones y los gráficos indican qué contribuyentes dominan en las distintas frecuencias de desplazamiento. A frecuencias de desplazamiento inferiores a ~5 kHz, domina el primer LO. A frecuencias de desplazamiento superiores a ~1 MHz, domina el ruido residual del CI. A frecuencias de desplazamiento medias, entre ~10 kHz y ~500 kHz, la frecuencia de salida del DAC se convierte en un factor. A frecuencias de salida del DAC más altas, domina el ruido dependiente de la frecuencia del CI. A medida que se reduce la frecuencia de salida del DAC, la contribución del CI disminuye hasta un punto en el que la frecuencia del LO vuelve a dominar el rendimiento.

Consideraciones sobre la LO externa

Merece la pena señalar algunas consideraciones prácticas para los diseños que exploran el uso de una LO externa. Hay dos elementos particulares que pueden constituir una limitación.

  • Con el divisor de frecuencia interno, hay ambigüedad de fase en el arranque o al conmutar el LO externo. Se incluye una función de sincronización de fase de RF con el LO interno, que aún no está disponible con el LO externo.
  • Cuando salta un LO externo, hay un tiempo de preparación del algoritmo QEC que puede afectar espuriamente a las imágenes durante los momentos que siguen directamente a un cambio de frecuencia.

Ambas cosas conducen a una complicación en los sistemas multicanal, el salto dinámico sobre bandas de operación mayores que el ancho de banda instantáneo del transceptor. Para futuros transceptores, estas limitaciones pueden superarse, pero en el momento de escribir este artículo, estas complicaciones existen para el ADRV9009 cuando se utiliza con un LO externo.

A pesar de estas complicaciones, hay una gran variedad de aplicaciones que podrían aprovechar la fase mejorada de un LO externo. Entre ellos se encuentra cualquier sistema de un solo canal o de pocos canales con requisitos de salto dinámico menos estrictos o cualquier sistema multicanal con una frecuencia de LO fija.

Una aplicación concreta que podría beneficiarse del rendimiento del ruido de fase del LO externo es un conjunto en fase de banda relativamente estrecha. En esta aplicación, es conveniente utilizar transceptores para un diseño genérico de generador y receptor de forma de onda que admita una amplia selección de frecuencias de funcionamiento, y luego, durante el funcionamiento final del LO o la implementación, se elige una banda concreta.

En los sistemas phased array cuyas bandas de funcionamiento están dentro del ancho de banda instantáneo del transceptor, el LO externo podría ser de una sola frecuencia y el uso de transceptores en un phased array con un LO externo en este caso podría ser una opción muy práctica. Al evaluar el ruido de fase del sistema, el oscilador fuente de la frecuencia de referencia puede elegirse de forma que la contribución del ruido de la frecuencia de referencia sea mucho menor que la contribución del ruido del LO. Si hay un LO común distribuido a un conjunto de transceptores, a medida que aumenta la cantidad de transceptores combinados coherentemente en un sistema, la contribución de ruido del CI disminuirá hasta un nivel en el que el sistema esté dominado por el LO externo. Esta conclusión simplifica el análisis del ruido de la ingeniería de sistemas. Cuando el ruido está dominado por un LO común, los esfuerzos de ingeniería pueden centrarse en el equilibrio óptimo entre coste y rendimiento del diseño del LO central.

Resumen

Se ha proporcionado un método para predecir el ruido de fase del transceptor ADRV9009 cuando se utiliza un LO externo. El método rastrea las contribuciones del oscilador de referencia, la fuente de LO y el transceptor en función de la frecuencia de salida del DAC. Los resultados medidos y predichos coinciden bien, lo que indica que el enfoque puede ampliarse para analizar la capacidad del transceptor cuando se utiliza con otras fuentes de frecuencia. El planteamiento también es bastante general y podría extenderse a cualquier diseño de generador de forma de onda.

El rendimiento del ruido de fase medido con un LO externo ofrece una importante ventaja de rendimiento una vez que se hace un esfuerzo por crear una fuente de LO de bajo ruido de fase. Nuestra intención es ofrecer un abanico de opciones a los diseñadores de sistemas cuando se evalúan las opciones de arquitectura. Para los diseños que utilizan transceptores en aplicaciones de bajo ruido de fase con una entrada LO externa, la descripción proporciona una base para evaluar el ruido de fase a nivel del sistema en diversas condiciones.

Para evaluar el ruido de fase del sistema, el oscilador fuente de la frecuencia de referencia puede elegirse de forma que la contribución del ruido de la frecuencia de referencia sea mucho menor que la contribución del ruido del LO. Si hay un LO común distribuido a un conjunto de transceptores, a medida que aumenta la cantidad de transceptores combinados coherentemente en un sistema, la contribución de ruido del CI disminuirá hasta un nivel en el que el sistema esté dominado por el LO externo. Esta conclusión simplifica el análisis del ruido de la ingeniería de sistemas. Cuando el ruido está dominado por un LO común, los esfuerzos de ingeniería pueden centrarse en el compromiso óptimo de coste/rendimiento del diseño del LO central

El rendimiento del ruido de fase medido con un LO externo ofrece una ventaja de rendimiento significativa una vez que se han hecho esfuerzos para crear una fuente de LO de bajo ruido de fase. Nuestra intención es ofrecer un abanico de opciones a los diseñadores de sistemas cuando se evalúan las opciones de arquitectura. Para los diseños que utilizan transceptores en aplicaciones de bajo ruido de fase con una entrada LO externa, la descripción proporciona una base para evaluar el ruido de fase a nivel del sistema en diversas condiciones.

Referencias

1 Peter Delos. "Revisión de las opciones de arquitectura del receptor de RF de banda ancha" Analog Devices, Inc, febrero de 2017.

2 "Multiplicadores y divisores activos para simplificar los sintetizadores" Revista de microondasjunio de 2007.

3 Peter Delos. "Funciones de transferencia de ruido del bucle de bloqueo de fase." Electrónica de alta frecuenciaenero de 2016.

Breitbarth, Jason. "Correlación cruzada en el análisis del ruido de fase." Revista de microondasfebrero de 2011.

Breitbarth, Jason y Joe Koebal. "Medición del ruido de fase aditivo (residual) de amplificadores, divisores de frecuencia y multiplicadores de frecuencia." Revista de microondas, 2008.

"Motor analizador de ruido de fase HA7402C." Holzworth Instrumentation, Inc, junio de 2018.

Walls, Warren F. "Mediciones de ruido de fase por correlación cruzada." Actas del Simposio del IEEE sobre Control de la Frecuencia de 1992, mayo de 1992.

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