Un minúsculo receptor de predistorsión digital RF integra un filtro y un ADC

el amplificador de potencia (PA) consume más energía eléctrica que cualquier otro bloque en una estación base celular y, por lo tanto, es un factor importante en los costos operativos del proveedor de servicios. La modulación digital compleja requiere una linealidad muy alta del PA, por lo que debe funcionar muy por debajo de la saturación cuando es más efectivo. Para mejorar la eficiencia de PA, los diseñadores utilizan técnicas digitales para reducir el factor de cresta y mejorar la linealidad de PA, lo que le permite operar más cerca de la saturación. La predistorsión digital (DPD) es el método preferido de revestimiento de PA. Se presta mucha atención al algoritmo DPD, pero otro elemento crítico es el receptor de retroalimentación de RF.

El receptor DPD convierte la salida PA de RF a digital como parte de un circuito de retroalimentación (consulte la Figura 1). Los principales requisitos de diseño son el rango de frecuencia de entrada y el nivel de potencia, la frecuencia intermedia y el ancho de banda a digitalizar. Algunos se derivan directamente de las especificaciones de PA, mientras que otros se optimizan en el momento del diseño.

La señal de transmisión de banda base se convierte en una frecuencia portadora y la frecuencia está definida por el estándar de interfaz aérea: WCDMA, TD-SCDMA, CDMA2000, LTE, etc. Dado que el propósito del bucle DPD es medir la función de transferencia PA, no es necesario separar las portadoras ni demodular los datos digitales. La no linealidad de PA produce productos de intermodulación de orden impar que representan un nuevo crecimiento espectral en caminos adyacentes y alternativos. Los productos de tercer orden aparecen en un rango de tres veces el ancho de banda del canal deseado (ver Figura 2). De manera similar, los productos de quinto orden aparecen en un rango de cinco veces el ancho de banda y los productos de séptimo orden en siete veces el ancho de banda. Por lo tanto, el receptor DPD debe recibir un múltiplo del ancho de banda de transmisión igual al orden de los productos de intermodulación lineal.

La tendencia en el desarrollo actual es mezclar el canal deseado en la frecuencia intermedia (IF) y capturar el ancho de banda completo de todos los productos de intermodulación. Se elige la FI exacta para facilitar el filtrado y evitar otras frecuencias ya establecidas de acuerdo con los requisitos de especificación. La tasa de muestreo se elige de manera similar como un múltiplo de la tasa de chip de modulación digital, por ejemplo, 3,84 MHz en WCDMA. Finalmente, el teorema de Nyquist establece que la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble del ancho de banda de muestreo. Aunque muchas configuraciones son aceptables, la que cumple con estas restricciones es una IF de 184,32 MHz, una frecuencia de muestreo ADC de 245,76 MHz y un ancho de banda de 122,88 MHz.

Para un PA de 20W, la potencia de salida promedio es de 43dBm. La relación pico a promedio (PAR) es de aproximadamente 15 dBm. Para establecer la potencia de entrada promedio del mezclador de la cadena de recepción en -15 dBm, la combinación de pérdida de inserción de acoplamiento y atenuador debe ser de 58 dB (consulte la Figura 1). El ruido en la banda PA está especificado por el estándar WCDMA en un máximo de −13dBm/MHz (−73dBm/Hz). Por lo tanto, la combinación de acoplamiento y atenuación (−58dB) y límite de ruido PA (−13dBm/MHz) da como resultado un nivel de sensibilidad del receptor inferior a −71dBm/MHz (−131dBm/Hz). Para tener suficiente headroom, es deseable un número de 6 dB a 10 dB más alto. Esto define el plan de frecuencias, el nivel de potencia y los requisitos de sensibilidad para el receptor DPD.

Una vez que se definen los requisitos del sistema, la tarea pasa a implementar el circuito utilizando un mezclador, un amplificador de FI, ADC, filtrado pasivo, redes de adaptación y derivación de potencia. Aunque los cálculos y las simulaciones son útiles, no hay sustituto para la evaluación del hardware real, que normalmente da como resultado iteraciones de la placa de circuito impreso (PCB). Sin embargo, existe una nueva clase de receptores integrados basados ​​en la tecnología lineal μModule.^® La tecnología de envasado simplifica enormemente esta tarea. El módulo receptor de predistorsión digital μ LTM9003 es un receptor DPD de RF a bit totalmente integrado en un solo dispositivo.

El LTM9003 consta de un mezclador activo de alta linealidad, un amplificador de FI, un filtro de paso de banda LC y un ADC de alta velocidad (consulte la Figura 3). El conjunto de matriz de alambre desnudo garantiza que el factor de forma general sea muy compacto, pero también permite que los capacitores de suministro y derivación de referencia se coloquen más cerca de la matriz de lo que permite el empaque tradicional. Esto reduce el riesgo de que el ruido degrade la fidelidad del ADC. Esta idea se extiende a las técnicas de diseño de alta frecuencia utilizadas en toda la cadena del receptor LTM9003.

La integración elimina muchos de los desafíos de impulsar las TIC a altas velocidades. El análisis de circuito lineal no puede tener en cuenta los pulsos de corriente que resultan de la acción de conmutación de muestra y base del ADC. El diseño del circuito tradicional requiere varias iteraciones para definir una red de entrada que absorba estos pulsos, absorba fuera de banda y funcione a la perfección con el preamplificador. El amplificador de FI debe ser capaz de impulsar esta red sin agregar distorsión. Resolver estos desafíos puede ser la mayor característica oculta del receptor del módulo LTM9003 μ.

El filtro de paso de banda pasivo es un filtro de tercer orden con un paso de banda extremadamente plano. Los 25 MHz centrales de la banda tienen menos de 0,1 dB de ondulación y, en todo el ancho de banda de 125 MHz, la ondulación es de solo 0,5 dB. La configuración de tercer orden asegura que los hombros de la respuesta de frecuencia sean monótonos, lo cual es importante para muchos algoritmos DPD.

El rendimiento general del LTM9003 supera los requisitos del sistema descritos anteriormente. Con un solo tono a −2,5 dBm, lo que equivale a −1 dBFS en un ADC, la relación señal/ruido (SNR) suele ser de −145 dBm/Hz. Esta cifra es mucho más baja que el valor objetivo de -131dBm/Hz definido por el estándar WCDMA. Los armónicos más desfavorables son 60 dBc. Una cifra IIP3 de 25,7 dBm significa que el LTM9003 podría admitir una ACPR de 87 dBc si el PA fuera lo suficientemente lineal. En comparación con los requisitos del sistema y las capacidades de los mejores amplificadores de potencia disponibles, el LTM9003 supera con creces los requisitos. Toda la cadena consume aproximadamente 1,5 W de un suministro de 3,3 V y un suministro de 2,5 V, pero requiere un área de PCB de solo 11,25 mm × 15 mm.

La tecnología μModule también ofrece un nivel inesperado de flexibilidad. Al cambiar los valores de los componentes pasivos o reemplazar los circuitos integrados optimizados como grupo, el LTM9003 puede estar disponible en versiones específicas de la aplicación sin pérdida de rendimiento ni mayor complejidad.

Por ejemplo, el LTM9003-AA utiliza un mezclador activo de silicio-germanio de baja potencia que funciona con un suministro de 3,3 V. El producto 2 × RF - 2 × LO da como resultado un segundo armónico de 60 dBc, que es el peor pulso del espectro. . . Esto se puede mejorar a expensas del consumo de energía reemplazando el mezclador con una parte similar de 5V. Luego, el segundo armónico se mejora en 4 dB en el LTM9003-AB. Asimismo, la frecuencia de muestreo se puede reducir reemplazando un ADC de 210 Msps que consume menos energía y los valores del filtro LC se pueden cambiar para lograr un ancho de banda de filtro diferente sin dejar de lograr un excelente balance de banda y están pasando.

Los beneficios de usar el LTM9003 para el revestimiento de PA se encuentran en varios niveles. A alto nivel, DPD te permite ejecutar AP con menos retroceso. El resultado es que el LCP es más eficiente y, por lo tanto, consume menos energía para ese nivel de potencia de salida.

A nivel de placa, el paquete μModule integra todos los componentes principales en un área pequeña, incluidos los componentes de cruce y desacoplamiento. Esto ahorra mucho espacio en el mapa, simplifica el diseño y mejora el rendimiento. La integración puede habilitar un cabezal de radio remoto (RRH) de alto rendimiento.

en un nivel técnico, el LTM9003 ahorra tiempo. El diseño del filtro y el emparejamiento de componentes de la PCB requieren iteración para hacerlo bien. Es extremadamente difícil diseñar un filtro que no se vea afectado por la acción de conmutación del circuito de muestreo y retención del ADC. Incluso la colocación de un condensador para desacoplar la fuente de alimentación afecta el rendimiento general y puede dar lugar a una revisión del diseño de la placa. Estas tareas pueden requerir meses de tiempo de ingeniería para depurar cada revisión y evaluar los cambios. Con el LTM9003, este trabajo ya se ha realizado.

Aunque los algoritmos digitales para DPD están recibiendo mucha atención, el diseño de receptores analógicos es igualmente exigente. El receptor LTM9003 µ Module simplifica este diseño al integrar todo el receptor en un paquete diminuto.