Los convertidores de RF permiten radios multibanda eficientes para estaciones base inalámbricas de última generación

Resumen

Para respaldar la creciente demanda de datos inalámbricos, se están diseñando radios de estaciones base modernas para admitir múltiples bandas E-UTRA, así como técnicas de agregación de portadoras. Estas radios multibanda emplean ADC y DAC de RF GSPS de próxima generación que permiten técnicas de muestreo y síntesis de señales de RF directas y ágiles en frecuencia. Para hacer frente a la naturaleza escasa del espectro inalámbrico de RF, se utiliza DSP sofisticado para procesar eficientemente los bits de datos a RF y viceversa. Se describe un ejemplo de transmisor de RF directo para una aplicación multibanda, teniendo en cuenta las configuraciones de DSP y el equilibrio entre potencia y ancho de banda.

Introducción: 10 años, 10 × bandas, 100 × velocidades de datos

Han pasado 10 años desde que comenzó la revolución de los teléfonos inteligentes, cuando Apple lanzó el iPhone original® en 2007. 10 años y dos generaciones de estándares inalámbricos después, muchas cosas han cambiado. Tal vez no tan glamorosa como los teléfonos inteligentes de los consumidores que acaparan los titulares, conocidos como equipos de usuario (UE), la estación base de infraestructura (eNodeB) de la red de acceso de radio (RAN) ha pasado por su propia transformación para permitir la avalancha de datos de nuestro ahora siempre conectado mundo. Las bandas celulares aumentaron 10 veces, mientras que las frecuencias de muestreo del convertidor de datos aumentaron 100 veces. ¿Dónde nos deja esto?

Figura 1. La agregación de portadores de espectro no contiguo destaca el problema del espectro disperso. En rojo se muestran las bandas de espectro con licencia. En verde se muestra el espacio entre bandas.

Radio Multibanda y Uso Eficiente del Espectro

Desde 2G GSM hasta 4G LTE, la cantidad de bandas de frecuencia celular se ha multiplicado por 10, de cuatro a más de 40. Con la aparición de las redes LTE, los proveedores de estaciones base se han encontrado multiplicando las variantes de radio. LTE-advanced aumentó los requisitos de las radios multibanda al agregar la agregación de portadoras a la mezcla, por lo que el espectro de frecuencias no contiguas dentro de la misma banda o, lo que es más importante, en diferentes bandas, podría agregarse en el módem de banda base como un solo flujo.

Sin embargo, el espectro de RF es escaso. La Figura 1 muestra varias combinaciones de bandas agregadas de portadoras que resaltan el problema del espectro disperso. En verde está el espacio entre bandas y en rojo la banda de interés. La teoría de la información dicta que el sistema no desperdicia energía al convertir el espectro de frecuencia no deseado. Se necesitan radios multibanda con medios eficientes para convertir espectro disperso entre dominios analógicos y digitales.

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Evolución del transmisor de estación base a RF directa

Para facilitar el mayor consumo de datos de las redes 4G LTE, la estación base de área amplia ha experimentado una evolución en la arquitectura de radio. Las radios superheterodinas, de banda estrecha, de muestreo de FI con mezcladores y convertidores de datos de un solo canal han sido reemplazadas por arquitecturas basadas en I/Q que duplican el ancho de banda, como IF compleja (CIF) y IF cero (ZIF). Los transceptores ZIF y CIF requieren moduladores/demoduladores I/Q analógicos con convertidores de datos de dos y cuatro canales. Sin embargo, estos transceptores CIF/ZIF de mayor ancho de banda también sufren de fuga de LO e imágenes de error de cuadratura que deben corregirse.

Figura 2. La arquitectura de radio inalámbrica ha evolucionado para adaptarse a los crecientes requisitos de ancho de banda y, a su vez, volverse más ágil en frecuencia a través de técnicas SDR.

Afortunadamente, las tasas de muestreo del convertidor de datos también han aumentado de 30 a 100 veces en los últimos 10 años, de 100 MSPS en 2007 a 10 GSPS+ en 2023. Este aumento en la tasa de muestreo ha dado lugar a convertidores de RF GSPS con anchos de banda muy amplios, lo que permite una frecuencia ágil. radio definida por software para finalmente convertirse en una realidad.

Figura 3. Un transmisor de RF directo. RF DACS como el AD9172 incluyen sofisticados bloques DSP con canalizadores de conversión ascendente digitales paralelos para permitir una transmisión multibanda eficiente.

Quizás, el santo grial de la arquitectura BTS de radio sub-6 GHz ha sido durante mucho tiempo el muestreo y la síntesis de RF directos. Las arquitecturas de RF directa eliminan la necesidad de dispositivos de traducción de frecuencia analógica, como mezcladores, moduladores I/Q y demoduladores I/Q, que en sí mismos son la fuente de muchas señales espurias no deseadas. En su lugar, el convertidor de datos interactúa directamente con las frecuencias de RF y cualquier mezcla se puede realizar digitalmente mediante convertidores ascendentes/descendentes digitales integrados (DUC/DDC).

La ganancia de eficiencia multibanda se presenta en forma de DSP sofisticado incluido en los convertidores de RF de ADI que permiten la canalización digital de solo las bandas de espectro deseadas al mismo tiempo que dan acceso al ancho de banda completo de RF. Usando DUC o DDC paralelos, que combinan muestreadores ascendentes/descendentes interpoladores/diezmadores, filtros de media banda y osciladores controlados numéricamente (NCO), las bandas de interés pueden construirse/desconstruirse digitalmente antes de la conversión entre analógico y digital. dominios

La arquitectura de convertidor ascendente/descendente digital en paralelo le permite canalizar múltiples bandas del espectro deseado (que se muestra en rojo en la Figura 1) y no desperdiciar ciclos valiosos convirtiendo el espectro entre bandas no utilizado (que se muestra en verde en la Figura 1). La canalización multibanda eficiente tiene el efecto de reducir las frecuencias de muestreo requeridas de los convertidores de datos, así como la cantidad de carriles en serie necesarios para el transporte a través del bus de datos JESD204B. La reducción de las frecuencias de muestreo del sistema reduce los requisitos de costo, energía y administración térmica en el procesador de banda base, lo que ahorra CAPEX y OPEX del sistema de estación base total. Sigue siendo cierto que la implementación de DSP de canalización en un proceso CMOS ASIC altamente optimizado es mucho más eficiente desde el punto de vista energético que la implementación en una estructura FPGA generalizada, incluso si la FPGA se encuentra en geometrías más pequeñas.

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Transmisor RF directo con receptor DPD: un ejemplo

El RF DAC ha logrado reemplazar al IF DAC en estas radios BTS multibanda de próxima generación. La Figura 3 muestra un ejemplo de transmisor de RF directo con el AD9172, 16 bits, 12 GSPS RF DAC que admite canalización tribanda con tres DUC paralelos, lo que permite la colocación flexible de subportadoras en un ancho de banda de 1200 MHz. Siguiendo al RF DAC, el ADL5335 Tx VGA proporciona 12 dB de ganancia y 31,5 dB de rango de atenuación hasta 4 GHz. La salida de este transmisor DRF puede entonces impulsar un amplificador de potencia de elección dependiendo de los requisitos de potencia de salida del eNodeB.

Considere el escenario de Banda 3 y Banda 7 que se muestra en la Figura 4. Se pueden emplear dos enfoques diferentes para convertir el flujo de datos a RF directamente. El primer enfoque (un enfoque de banda ancha) sintetizaría las bandas sin canalización, lo que requeriría una velocidad de datos de 1228,8 MHz. El 80% de este ancho de banda produce un ancho de banda sintetizado DPD (predistorsión digital) de 983,04 MHz, suficiente para transmitir ambas bandas y sus 740 MHz de espacio entre bandas. La ventaja de este enfoque es para los sistemas DPD, que permite la distorsión previa no solo de los IMD intrabanda de cada portadora individual, sino también de otras emisiones no lineales no deseadas entre las bandas deseadas.

Figura 4. Escenario de doble banda: Banda 3 (1805 MHz a 1880 MHz) y Banda 7 (2620 MHz a 2690 MHz).

El segundo enfoque es sintetizar versiones canalizadas de estas bandas. Dado que cada banda es de solo 60 MHz y 70 MHz, respectivamente, y dado que los operadores solo tendrán licencias para un subconjunto de este ancho de banda, no es necesario transmitir todo y, en consecuencia, incurrir en altas tasas de datos. En su lugar, utilicemos una velocidad de datos más baja y más adecuada de 153,6 MHz, el 80 % de la cual da como resultado un ancho de banda DPD de 122,88 MHz. Si un operador posee licencias para 20 MHz en cada banda, todavía hay suficiente ancho de banda DPD para 5el-Corrección de orden de IMD intrabanda para cada banda, respectivamente. Este modo puede ahorrar hasta 250 mW de energía en el DAC desde el enfoque de banda ancha anterior y mucho más ahorro de energía/térmico en el procesador de banda base, así como reducir el número de carriles en serie, lo que permite implementaciones de FPGA/ASIC más pequeñas y de menor costo.

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Figura 5. Transmisión LTE de Banda 3 y Banda 7 a través del transmisor de RF directo utilizando el AD9172 RF DAC.

Los receptores de observación para DPD también han evolucionado a arquitecturas DRF (RF directa). El AD9208 de 14 bits, 3 GSPS RF ADC también admite la canalización multibanda a través de DDC paralelos. La combinación de RF DAC y RF ADC en el subsistema DPD del transmisor tiene muchos beneficios, incluidos los relojes convertidores compartidos, la cancelación de ruido de fase correlacionada y la simplificación general del sistema. Una de esas simplificaciones es la capacidad del AD9172 RF DAC, con su PLL integrado, para generar un reloj de hasta 12 GHz a partir de una señal de referencia de baja frecuencia, lo que elimina la necesidad de enrutar relojes de alta frecuencia alrededor de la placa de radio. Además, el RF DAC puede emitir una versión dividida coherente de fase de su reloj para el ADC de retroalimentación. Estas características del sistema realmente mejoran el sistema BTS DPD al crear un chipset de transmisor multibanda optimizado.

Figura 6. Un receptor de observación de RF directa utilizado para predistorsión digital. Los ADC de RF de banda ancha como el AD9208 pueden digitalizar de manera eficiente múltiples bandas en un ancho de banda de 5 GHz.

Resumen

Diez años después de la revolución de los teléfonos inteligentes, el negocio celular tiene que ver con el rendimiento de datos. Las radios de banda única ya no pueden satisfacer los requisitos de capacidad de los consumidores. Para aumentar el rendimiento de datos, se debe hacer accesible más ancho de banda de espectro a través de la agregación de portadores de múltiples bandas. Los convertidores de datos de RF pueden acceder a todo el espectro celular sub-6 GHz y se reconfiguran rápidamente para varias combinaciones de bandas, lo que hace que la radio definida por software sea una realidad. Estas arquitecturas de RF directas ágiles en frecuencia reducen el costo, el tamaño, el peso y la potencia. Este hecho ha convertido al transmisor RF DAC y al receptor RF ADC DPD en la arquitectura ganadora elegida para estaciones base multibanda sub-6 GHz.

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