Высокочастотные преобразователи для беспроводных сетей нового поколения

Увеличение количества диапазонов в 10 раз и повышение частоты преобразования в 100 раз всего за 10 лет

Прошло уже более 10 лет с тех пор, как началась революция в области смартфонов, а именно когда в 2007 году компания Apple выпустила свой первый iPhone®. И спустя десятилетие после появления двух поколений стандартов беспроводной связи многое изменилось. Возможно, не так заметно, как завоевавшие популярность потребительские смартфоны, среди профессионалов именуемые пользовательским оборудованием, претерпели преобразования инфраструктурные базовые станции (eNodeB) сети радиодоступа (RAN), которые обеспечивают поток данных в наши подключенные к сети устройства. Количество диапазонов сотовой связи увеличилось в 10 раз, а частота дискретизации преобразователей данных повысилась в 100 раз. Что же это нам в итоге дает?

Многодиапазонные радиосистемы и эффективное использование спектра

За период, начиная с появления 2G GSM и заканчивая вводом в эксплуатацию 4G LTE, количество частотных диапазонов сотовой связи выросло в 10 раз — с четырех до более чем 40. С появлением сетей LTE производители базовых станций обнаружили, что множат варианты радиосистем. Усовершенствованная технология LTE ужесточила требования к многодиапазонным радиосистемам, добавив к ним необходимость объединения несущих, которое позволяет несмежный частотный спектр в одной полосе или, что более важно, в разных полосах объединять в модеме основной полосы частот в виде единого потока.

Тем не менее высокочастотный спектр является разреженным. На рис. 1 представлено несколько комбинаций диапазонов с объединением несущих, что показывает суть проблемы разреженного спектра. Зеленым цветом обозначены междиапазонные интервалы, а красным — интересующие диапазоны. Теория информации гласит, что система не должна тратить впустую энергию на преобразование нежелательного частотного спектра. Вследствие этого возникает необходимость в многодиапазонных радиосистемах с эффективными средствами преобразования разреженного спектра из аналоговой области в цифровую и обратно.

Рис. 1. Объединение несущих несмежного спектра показывает суть проблемы разреженного спектра. Красным цветом обозначены лицензионные диапазоны спектра. Зеленым цветом обозначены междиапазонные интервалы

Эволюция передатчика базовой станции в устройство прямого преобразования ВЧ-сигнала

С целью увеличения пропускной способности в сетях 4G LTE архитектура радиосистем базовых станций претерпела значительные изменения (рис. 2). Супергетеродинные, узкополосные радиосистемы с преобразованием ПЧ, а также смесители и одноканальные преобразователи данных были заменены архитектурами преобразования квадратурных (I/Q) сигналов, такими как архитектура с комплексной промежуточной частотой (СIF) и архитектура с нулевой промежуточной частотой (ZIF), которые позволяют удвоить полосу пропускания. Для приемопередатчиков с архитектурами CIF и ZIF требуются аналоговые IQ-модуляторы/демодуляторы с двух- и четырехканальными преобразователями данных. Впрочем, эти имеющие более широкую полосу пропускания приемопередатчики с архитектурой CIF/ZIF также страдают от утечки гетеродина и квадратурных ошибок, которые должны быть устранены.

Рис. 2. Архитектура беспроводных радиосистем эволюционировала с учетом растущих требований к полосе пропускания и в итоге стала характеризоваться более быстрой перестройкой частоты благодаря технологиям программно-определяемых радиосистем (SDR)

К счастью, за последние 10 лет частота дискретизации преобразователей данных также подверглась практически 100‑кратному увеличению. Например, в 2007 году она составляла в среднем 100 MSPS (млн выб/с), а в 2017 году уже превышала 10 GSPS. Такое увеличение частоты дискретизации привело к появлению высокоскоростных ВЧ-преобразователей с очень широкой полосой пропускания, благодаря которым полноценные программно-определяемые радиосистемы с быстрой перестройкой частоты могут наконец стать реальностью.

Возможно, «святым Граалем» архитектуры базовых станций, работающих на частотах ниже 6 ГГц, уже давно является прямое преобразование и синтез ВЧ-сигнала. Использование архитектуры прямого преобразования устраняет потребность в устройствах аналогового преобразования частоты, таких как частотные смесители, I/Q‑модуляторы и I/Q‑демодуляторы, сами по себе являющиеся источником многих нежелательных паразитных сигналов. Вместо этого преобразователь данных непосредственно преобразует ВЧ-частоты, и в данном случае любое смешение частот может выполняться в цифровом виде с помощью встроенных цифровых преобразователей с повышением/понижением частоты.

Многодиапазонная эффективность передачи достигается за счет возможностей ЦОС, встроенных в ВЧ-преобразователи ADI, которые позволяют осуществить цифровое разделение каналов только на желаемые диапазоны спектра, при этом предоставляя доступ ко всей полосе частот. Используя параллельные преобразователи с повышением или понижением частоты, имеющие в своем составе интерполяционные/децимирующие дискретизаторы с повышением/понижением частоты, полуполосовые фильтры и генераторы с цифровым управлением, можно в цифровой форме составлять и разделять интересующие частотные диапазоны перед выполнением преобразования.

Архитектура с параллельным цифровым преобразователем с повышением/понижением частоты позволяет распределять диапазоны желаемого спектра (обозначены красным цветом на рис. 1) и не тратить впустую ценные циклы на преобразование неиспользуемого междиапазонного спектра (обозначен зеленым цветом на рис. 1). Эффективное многодиапазонное разделение каналов предоставляет возможность смягчить требования к частоте дискретизации преобразователей данных, а также к количеству линий последовательной передачи данных, необходимых для передачи по шине JESD204B. За счет уменьшения частоты дискретизации системы можно добиться снижения стоимости и энергопотребления процессора обработки сигналов несущей частоты и упростить его систему управления температурным режимом, а значит, и сократить капитальные и эксплуатационные затраты всей системы базовой станции. И по настоящее время является верным то, что реализация возможностей ЦОС с механизмом разделения каналов в виде специализированной КМОП-микросхемы (ASIC) намного энергоэффективнее, чем реализация на основе стандартной FPGA, даже если FPGA имеет меньшие размеры.

Передатчик прямого преобразования ВЧ-сигнала с приемником с цифровым внесением предыскажений (пример)

ВЧ-ЦАП успешно заменил ПЧ-ЦАП в этих многодиапазонных радиосистемах базовых станций следующего поколения. На рис. 3 показан пример передатчика прямого преобразования на основе 16‑разрядного ВЧ-ЦАП AD9172 со скоростью преобразования 12 GSPS, который поддерживает трехдиапазонное разделение каналов с тремя параллельными преобразователями с повышением частоты, благодаря чему удается легко размещать несущие в полосе пропускания 1200 МГц. Следующий за этим ВЧ-ЦАП в тракте передачи усилитель с переменным коэффициентом усиления ADL5335 обеспечивает усиление 12 дБ и затухание 31,5 дБ в диапазоне до 4 ГГц. Затем выходной сигнал этого приемопередатчика может быть подан на усилитель мощности в зависимости от требований к выходной мощности базовой станции eNodeB.

Рис. 3. Приемопередатчик прямого преобразования ВЧ-сигнала. Высокочастотные ЦАП, такие как AD9172, имеют в своем составе сложные блоки ЦОС с параллельными разделителями каналов с повышением частоты для обеспечения эффективной передачи в различных диапазонах

Рассмотрим диапазон 3 и диапазон 7, показанные на рис. 4. Для прямого преобразования потока данных в ВЧ-сигнал можно использовать два разных подхода. Первый подход (широкополосный подход) предусматривает синтез диапазонов без разделения на каналы, для чего требуется частота передачи данных 1228,8 МГц. 80% этой полосы пропускания дает синтезированную полосу пропускания с цифровым внесением предыскажений 983,04 МГц, достаточную для передачи обоих диапазонов и их междиапазонного разнесения 740 МГц. Преимущество подхода заключается в применении систем с цифровым внесением предыскажений, которые позволяют вносить предыскажения не только в случае с внутридиапазонными интермодуляционными искажениями каждой отдельной несущей, но и в случае других нежелательных нелинейных излучений между интересующими диапазонами.

Рис. 4. Пример с двумя диапазонами: диапазон 3 (1805–1880 МГц) и диапазон 7 (2620–2690 МГц)

Второй подход состоит в синтезе канальных версий этих диапазонов. Поскольку по ширине каждый диапазон составляет всего 60 и 70 МГц соответственно и поскольку операторы будут иметь лицензии только для работы с некоторой частью этой полосы пропускания, нет необходимости передавать все и, следовательно, нет необходимости в высоких скоростях передачи данных. Вместо этого лучше использовать более подходящую, более низкую частоту передачи данных 153,6 МГц, 80% которой дает полосу пропускания с цифровым внесением предыскажений, равную 122,88 МГц. Если оператор имеет лицензии на работу с 20 МГц в каждом диапазоне, полосы пропускания с цифровым внесением предыскажений по-прежнему будет достаточно для коррекции внутридиапазонных интермодуляционных искажений 5‑го порядка для каждого диапазона соответственно. Этот режим обеспечивает энергопотребление ЦАП на 250 мВт меньше по сравнению с широкополосным подходом, описанным выше, и предусматривает значительное снижение энергопотребления и тепловыделения процессора обработки сигналов несущей частоты, а также сокращение количества требуемых линий интерфейса передачи данных, что в конечном итоге позволяет использовать более компактные и недорогие FPGA или ASIC.

Приемники тракта наблюдения для систем цифрового внесения предыскажений тоже эволюционировали в архитектуру с прямым преобразованием. 14‑разрядный ВЧ-АЦП AD9208 со скоростью преобразования 3 GSPS также поддерживает многодиапазонное разделение каналов благодаря использованию параллельных преобразователей с понижением частоты. Сочетание ВЧ-ЦАП и ВЧ-АЦП в подсистеме цифрового внесения предыскажений передатчика дает много преимуществ, в том числе использовать одни и те же тактовые частоты преобразователя, обеспечивает подавление коррелированного фазового шума и упрощает структуру системы. К примерам подобного упрощения можно отнести возможность ВЧ-ЦАП AD9172 (рис. 5) с интегрированным ФАПЧ генерировать тактовую частоту до 12 ГГц от низкочастотного опорного сигнала, благодаря чему устраняется необходимость в маршрутизации дорожек высокочастотного тактового сигнала по всей радиоплате. Кроме того, ВЧ-ЦАП может выдавать уменьшенную по частоте фазово‑когерентную версию своих тактовых импульсов для АЦП с обратной связью. Такие особенности действительно улучшают систему с цифровым внесением предыскажений за счет применения оптимизированного набора микросхем для многодиапазонного передатчика (рис. 6).

Рис. 5. Сигналы передачи в диапазоне 3 и диапазоне 7 сети LTE, полученные с помощью передатчика прямого преобразования на основе ВЧ-ЦАП AD9172

Рис. 6. Приемник прямого преобразования с трактом наблюдения, используемый для внесения цифрового предыскажения. Широкополосные ВЧ-АЦП, такие как AD9208, могут эффективно оцифровывать несколько диапазонов в полосе пропускания 5 ГГц

Заключение

По прошествии десяти лет после революции смартфонов основным фактором успешности бизнеса в области сотовой связи стала пропускная способность для передачи данных. Однодиапазонные радиосистемы уже больше не могут соответствовать предъявляемым потребителями требованиям к скорости передачи. Чтобы увеличить пропускную способность для передачи данных, необходимо расширить доступную полосу частот за счет объединения несущих нескольких диапазонов. Высокочастотные преобразователи данных могут работать с сигналами всего спектра сотовой связи вплоть до 6 ГГц, быстро перенастраиваясь для взаимодействия с различными комбинациями диапазонов, что позволяет создавать полноценные программно-определяемые радиосистемы. Эти архитектуры с прямым преобразованием ВЧ-сигнала с быстрой перестройкой частоты способствуют уменьшению стоимости, размера, веса и энергопотребления системы. Благодаря этому факту комбинация из передатчика на основе ВЧ-ЦАП и приемника с цифровым внесением предыскажений на основе ВЧ-АЦП стала идеальной архитектурой для создания многодиапазонных базовых станций, работающих на частотах до 6 ГГц.