Modulador IQ de baja potencia para comunicaciones digitales

Los moduladores IQ son bloques de construcción versátiles para sistemas de RF. La aplicación más común es la generación de señales de RF para sistemas de comunicación digital. Este artículo ilustra la precisión de modulación del modulador IQ de baja potencia LTC5599 y muestra con un ejemplo simple cómo integrar el dispositivo en un sistema de comunicación digital.

Un modulador IQ es un dispositivo que convierte información de banda base en señales de RF. Internamente, dos mezcladores balanceados dobles se combinan como se muestra a continuación. Al modular con entradas tanto en fase (I) como en cuadratura (Q), se puede seleccionar cualquier amplitud y fase de salida arbitrarias.

Al apuntar a puntos específicos en amplitud y fase, se crea una modulación de alto orden. A continuación se muestra 16-QAM. Hay cuatro valores I posibles, que se decodifican en dos bits. Lo mismo para el eje Q. Entonces, cada símbolo puede transmitir cuatro bits de información.

Prácticamente cualquier tipo de modulación de RF se puede generar con la modulación IQ, dentro de las capacidades de frecuencia central, ancho de banda y precisión del dispositivo modulador. La Tabla 1 muestra algunas de las aplicaciones del LTC5599.

Tabla 1. Algunas aplicaciones posibles para el modulador IQ de baja potencia LTC5599.

Solicitud	MOD ESTÁNDAR	Tipo de modulación(Referencia 1)	Ancho de banda RF máx.
Micrófonos inalámbricos digitales	Propiedad	QPSK, 16/32/64-DAPSK, Star-QAM	200kHz
Redes inalámbricas • Radios de espacio en blanco • Radio cognitiva	802.11af	OFDM: BPSK, QPSK, 16/64/256-QAM	Hasta 4 canales de 6 MHz
CATV aguas arriba	DOCSIS	MAQ-16	6 MHz
Radios militares (portátiles, manpack)	Disfraz	Amplio rango de programabilidad	—
Radios definidas por software (SDR)
Equipo de prueba portátil
Modulación analógica	—	AM, FM/PM, SSB, DSB-SC	—
radios bidireccionales • Comercial • Industriales • Seguridad Pública
	TETRA	π/4-DQPSK, π/8-D8PSK, 4/16/64-QAM	25kHz a 150kHz
	TETRAPOL	GMSK	10 kHz, 12,5 kHz
	P-25	C4FM, CQPSK	6,25 kHz a 12,5 kHz
	DMR	4FSK	6,25 kHz, 12,5 kHz

La magnitud del vector de error o EVM es una medida de la precisión de la modulación en los sistemas de comunicación por radio digital. La precisión de la modulación es importante porque cualquier error en la señal modulada puede causar dificultades de recepción o un ancho de banda demasiado ocupado. Si no se controla, el receptor podría exhibir errores de bits excesivos, la sensibilidad efectiva del receptor podría degradarse o la potencia del canal adyacente (ACP) de transmisión podría aumentar.

Un vector de error es un vector en el plano IQ entre el símbolo real recibido o transmitido y el símbolo de referencia ideal. EVM es la relación del promedio de la potencia del vector de error sobre la potencia del vector de símbolo de referencia ideal promedio. Con frecuencia se expresa en dB o en porcentaje.

La figura 1 es un ejemplo de configuración de prueba que muestra la precisión de modulación que se puede lograr con el modulador de cuadratura directa de baja potencia LT C5599. La figura 2 muestra los resultados. En esta prueba, el equipo de laboratorio de precisión genera una banda base de 16-QAM de 30k símbolos/segundo (120kbps) y una señal de entrada LO de 450MHz al modulador. Un analizador de señal vectorial (VSA) examina la salida del modulador.

En la Figura 2, los resultados de EVM frente al tiempo muestran EVM uniformemente bajo en todos los símbolos, mientras que el resumen de errores muestra EVM aproximadamente 0,24 % RMS y 0,6 % pico. De hecho, este es un rendimiento excelente, demostrado por una tasa de error de modulación (MER) de 49,6 dB.

El LTC5599 tiene registros de recorte internos que facilitan los ajustes finos de la compensación de CC I y Q, el desequilibrio de amplitud y el desequilibrio de fase en cuadratura para optimizar aún más la precisión de la modulación; los resultados son aún mejores si se ajustan los registros de recorte.

En muchos sentidos, esta prueba demuestra la mejor caso capacidades del modulador sin optimización: el ancho de banda de banda base es grande, la precisión y resolución del DAC son excelentes y el filtrado digital es casi ideal.¹ Si bien estos resultados de prueba son útiles para medir el rendimiento real del modulador, las implementaciones prácticas inalámbricas de baja potencia requieren algunos compromisos, como se explica a continuación.

Muchos FPGA y dispositivos programables son compatibles con la funcionalidad del bloque de filtro digital (DFB), un componente esencial para las comunicaciones digitales. Los datos de transmisión sin procesar se mapean fácilmente con IQ y se filtran digitalmente. La Figura 3 muestra un ejemplo de cómo se puede utilizar un dispositivo como el Cypress PSoC 5LP para impulsar moduladores IQ como el LTC5599.

La interpolación digital se utiliza para aumentar la frecuencia del reloj del DAC y, por lo tanto, las frecuencias de imagen del DAC. Esto reduce el requisito de orden de filtro del filtro de reconstrucción LC, que sirve para atenuar las imágenes DAC a niveles aceptables, al tiempo que minimiza el error de fase y el ruido de banda ancha.

La figura 4 muestra el circuito completo. La unidad de banda base diferencial al modulador, a diferencia de la unidad de banda base de un solo extremo, ofrece la potencia de salida de RF más alta y el EVM más bajo. El amplificador de bajo ruido LTC6238, U2, convierte las salidas I y Q de terminación única del DAC en diferenciales.² La ganancia del amplificador de entrada U2 está diseñada para escalar el rango de voltaje de salida del DAC al rango de voltaje de entrada del modulador, después del efecto de atenuación 2:1 de las resistencias de terminación del filtro R_L(yo) y R_L(Q) es tomado en cuenta. El amplificador de entrada U2 también está diseñado para suministrar el voltaje de modo común de entrada requerido para el modulador IQ, lo cual es importante para mantener el punto de operación de CC y la linealidad del modulador.

Los métodos clásicos de síntesis de filtro LC se utilizan para el diseño del filtro de paso bajo (LPF) de reconstrucción DAC. Parte de la capacitancia de derivación del filtro se implementa como capacitores de modo común a tierra. Esto también reduce el ruido de modo común, que puede llegar a la salida del modulador. Si se utilizan filtros activos aquí, la etapa final del filtro antes del modulador debe ser un filtro de techo LC pasivo para el piso de ruido de RF de banda ancha más bajo.

Tabla 2. Rendimiento de EVM. Incluso con un diseño de filtro FIR de 63 toques y DAC duales de 8 bits, el logro de EVM de 0,8% RMS es completamente adecuado para la mayoría de las aplicaciones.

Diseño de filtro TX FIR	Factor de interpolación	Tasa de símbolos (ksps)	Velocidad de datos (kbps)	EVM (% RMS)	EVM (% PICO)	notas
RRC de 63 toques, α = 0,35	8	30	120
				0.8	2.0	LTC5599 sin ajustar (MER = 39,1 dB)
				0.8	1.8	LTC5599 ajustado (MER = 39,8 dB)

La Tabla 2, la Figura 5 y la Figura 6 muestran los resultados de rendimiento. En este caso, la EVM está limitada por la precisión digital de las formas de onda de la banda base, aquí determinada por el número de derivaciones del filtro FIR U1 (63) y por la resolución del DAC (ocho bits). Por esta razón, la EVM no mejora sustancialmente cuando se eliminan las deficiencias del modulador IQ, como se muestra en la Tabla 2. Para una EVM más baja, use más derivaciones de filtro FIR y DAC de mayor resolución.

Al comparar los resultados que se muestran en las Figuras 2 y 5, vemos el precio pagado por reemplazar un generador de señales de laboratorio de alta calidad con un circuito compuesto por lógica programable y filtros de amplificador operacional. EVM aumentó de 0,24 % RMS a 0,8 % RMS. El aumento de EVM se debe principalmente al hecho de que las formas de onda generadas por el IC lógico programable no son tan precisas como el instrumento de laboratorio. Tal es el caso en una implementación del mundo real, pero la Figura 5 muestra un diagrama de ojo bastante decente y una medida resumida que muestra que la precisión de la modulación es suficiente para la mayoría de las aplicaciones.

En la Figura 6 vemos que el espectro de salida es bastante limpio. La amplitud de los estímulos de la imagen DAC, relativa a la señal deseada, se estima mediante sin(x)/x, donde x = πf/f_CLK, más la atenuación proporcionada por el filtro de reconstrucción DAC LC. Para la potencia de canal adyacente más baja, es esencial un filtro FIR largo (muchas derivaciones), al igual que un LO de bajo ruido de fase.

Los barridos de intervalo de frecuencias más altas no muestran productos espurios visibles, excepto los armónicos de la portadora, que deben filtrarse como de costumbre.

El piso de ruido de salida bajo también es importante en muchos casos, como cuando un transmisor y un receptor están dúplex o ubicados en el mismo lugar, cuando se usa una alta ganancia de megafonía o cuando varios transmisores funcionan simultáneamente. La Tabla 3 muestra la densidad de ruido de salida medida para el sistema de la Figura 3, mientras transmite a una frecuencia portadora modulada de 460 MHz. El bajo ruido del amplificador operacional U2, combinado con la atenuación progresiva de quinto orden del filtro de reconstrucción LC, mantiene la contribución del ruido de banda base lo más baja posible.

Tabla 3. Niveles de densidad de ruido de salida de aproximadamente 17dB sobre kTB.

Compensación de frecuencia (MHz)	Densidad de ruido de salida de RF (dBM/Hz)
+6	−156,7
+10	−156,8
+20	−156,8

El consumo de corriente total a 3,3 V mide 96 mA, como se resume en la Tabla 4. La mayor parte de la alimentación de CC la consume U1, el dispositivo lógico programable, para el cual se especifica que cada DFB consume normalmente 21,8 mA a la frecuencia de reloj de 67 MHz de esta aplicación .³ En resumen, los DFB representan el 81% del consumo de energía digital. Claramente, la clave para reducir el consumo de corriente para la sección digital es la optimización de la arquitectura DFB, que está más allá del alcance de este artículo.⁴

Tabla 4. Consumo total de energía

Escenario	Descripción	CCI (mA)	Potencia (mW)
U1	Sistema programable CY8C58LP en chip	54	178
U2	Amplificador operacional cuádruple LT6238	13	43
U3	Modulador IQ de baja potencia LTC5599	29	96
	Total:	96	317

El modulador LTC5599 IQ de Linear Technology es un bloque de construcción de RF versátil que ofrece bajo consumo de energía, alto rendimiento, amplio rango de frecuencia y capacidades de optimización únicas. Simplifica el diseño del transmisor de radio sin sacrificar el rendimiento o la eficiencia.

¹ Los filtros FIR del equipo de prueba se sintetizan en el software, por lo que cientos o miles de derivaciones de filtro son factibles y preferibles, ya que la calidad de la señal es lo más importante y el retraso es intrascendente. Por el contrario, una aplicación inalámbrica en tiempo real generalmente requiere compensaciones entre la demora del filtro y EVM/ACP.

² Para aplicaciones con una tasa de símbolos más baja, el amplificador/controlador de entrada/salida totalmente diferencial de baja potencia LTC1992 también podría usarse para este propósito, ofreciendo una precisión de CC mejorada y un menor consumo de energía de CC a cambio de un piso de ruido de transmisión más alto dentro de la banda de paso del canal.

³ En este ejemplo, la frecuencia de reloj DFB mínima = tasa de símbolo de 30 kHz • interpolación 8x • 63 derivaciones de filtro FIR • 2 ciclos para multiplicar y acumular (MAC) • 2 ciclos para lógica aritmética (ALU) = 60,5 MHz.

⁴ Los DFB que son más rápidos y más optimizados están disponibles en Altera y Xilinx.

Circuito de referencia

¹"Modulación digital en sistemas de comunicaciones: una introducción", Nota de aplicación 1298, Keysight Technologies