Vga a controllo digitale

IC ANALOGICI –

Il miglioramento degli amplificatori a guadagno variabile con controllo digitale aumenta le prestazioni delle stazioni radio base e abbatte i costi di sistema.

Le prestazioni delle stazioni base delle reti radiomobili e di altre infrastrutture wireless dipendono da quanto bene i sistemi riescono a ricevere i segnali wireless provenienti dai numerosi smartphone e dispositivi collegati a un'unica torre. Migliorando il rapporto segnale/rumore del ricevitore e ampliando la dinamica di controllo del guadagno, le stazioni base hanno la possibilità di fornire prestazioni uniformi, riducendo al minimo le interruzioni dei collegamenti dovute alla perdita del segnale o al rumore.
Nelle stazioni base delle reti radiomobili, la demodulazione e la decodifica del segnale a frequenza intermedia può essere effettuata nel dominio analogico oppure in quello digitale. I miglioramenti della tecnologia digitale e dei convertitori analogico-digitali ad alta velocità permettono oggi ai canali di ricezione di utilizzare un tipo di approccio con conversione IF direttamente in digitale. Solitamente definito come sottocampionamento a frequenza intermedia (IF sub-sampling), questo metodo di conversione può significativamente ridurre il numero dei componenti del ricevitore, il consumo di potenza e il costo rispetto ai ricevitori che utilizzano la demodulazione analogica. I sistemi di sottocampionamento a IF sono composti tipicamente da un amplificatore a guadagno variabile con controllo digitale che comanda un filtro anti-aliasing e che, a sua volta, alimenta un convertitore analogico-digitale ad alta velocità. L'uscita dell'Adc viene elaborata digitalmente in un segnale misto posto in retroazione al Vga per fornire una regolazione del guadagno in base all'intensità del segnale. La retroazione proveniente dal Dsp regola il guadagno per mantenere il segnale nel punto ottimale in grado di massimizzare il rapporto segnale/rumore e ridurre al minimo la distorsione. Al cuore dell'approccio con sottocampionamento a IF vi è l'amplificatore Vga digitale. Esistono diversi fornitori di Vga con controllo digitale, i cui vari modelli sono ottimizzati per differenti intervalli di frequenze IF. Per questo articolo utilizzeremo il dispositivo F1200, di recente commercializzazione, a titolo di esempio di ciò che la tecnologia odierna è in grado di offrire. L'F1200 è il primo di una serie di Vga a controllo digitale offerti da IDT e possiede un intervallo di frequenze IF che va da 40 a 160 MHz. I futuri dispositivi della serie, F1206 e F1207, offriranno rispettivamente intervalli di frequenze da 150 a 260 MHz e da 230 a 300 MHz.

Caratteristiche innovatibìve
L'F1200 possiede un'interfaccia di controllo a 7 bit (rispetto ai 5 o ai 6 bit dei Vga digitali di altri produttori) che permette di impostare il guadagno con incrementi di 0,25 dB in una gamma dinamica da -1 a +22 dBm. Questa maggiore finezza di regolazione consente ai progettisti di ottimizzare meglio le prestazioni del sistema. Anche gli intervalli di guadagno sono molto precisi, con una variabilità inferiore a 0,1 dB. Inoltre, il chip garantisce una cifra di rumore di soli 2,6 dB, che è considerevolmente più bassa della cifra di rumore delle soluzioni concorrenti. Quest'ultima caratteristica aiuta a semplificare il progetto del sistema, in quanto il guadagno può essere così impostato a un valore leggermente inferiore, che quindi si traduce in una minore distorsione del segnale. Il chip stesso offre una distorsione molto bassa: il punto di intercetta del terzo ordine (IP3) è a +48 dBm. La diminuzione della cifra di rumore e del grado di distorsione, a loro volta, permettono di realizzare filtri post-Vga più semplici, riducendo il numero dei componenti e il costo. Inoltre, il basso grado di distorsione fornisce una più ampia dinamica priva di componenti spurie, che rende il circuito valido per una vasta gamma di applicazioni. Il grafico in Fig. 2 mostra le tipiche prestazioni di un canale analogico utilizzato nei sistemi di comunicazione cellulari 2G e 3G. Nel grafico, sono mostrate le uscite corrispondenti a ingressi di tipo 2G (GSM). Il guadagno viene regolato in modo da amplificare i segnali 2G appena al di sotto del livello massimo consentito dall'Adc. L'intermodulazione di questi segnali genera dei prodotti di intermodulazione del terzo ordine su entrambi i lati dei segnali amplificati in uscita. Nella fascia di frequenze più elevate compaiono i prodotti di intermodulazione del secondo ordine. Il rumore in uscita è rappresentato in azzurro. I prodotti del secondo ordine e il rumore devono essere filtrati prima di entrare nell'Adc, al fine di evitare problemi di sovrapposizione (aliasing) nella banda di segnale desiderata. La distorsione IM2 e il rumore additivo sono molto bassi nell'F1200, per cui il filtraggio richiesto è minimo. I prodotti del terzo ordine e il rumore in banda non possono essere filtrati, pertanto è fondamentale scegliere un Vga a IF come F1200, caratterizzato da una distorsione del terzo ordine molto bassa. In un circuito di ricezione reale, il segnale ricevuto passa tipicamente attraverso un mixer che converte la frequenza a valori inferiori e poi attraverso un filtro Saw (Surface acoustic wave) per eliminare componenti spurie indesiderate. Il segnale risultante attraversa quindi il Vga a controllo digitale. L'ingresso dell'F1200 possiede un'impedenza di ingresso bilanciata (simmetrica) da 200 Ohm, il che costituisce un buon adattamento per il resto del sistema ed elimina la necessità di utilizzare componenti esterni per l'adattamento dell'impedenza. L'impedenza differenziale in uscita di 200 ohm fornisce un buon adattamento all'interfaccia dell'Adc e la natura differenziale del dispositivo elimina le componenti spurie di ordine pari. Le armoniche di ordine superiore vengono facilmente eliminate dal filtro anti-aliasing prima di entrare nell'Adc. Quando il segnale modificato è stato convertito dall'Adc, esso viene in genere inviato a un processore host oppure a un processore di segnali digitali che eseguono diversi algoritmi per ottimizzare ulteriormente la retroazione al fine di impostare il guadagno ottimale sul Vga. Nel progettare una scheda per il Vga, le piste possiedono tipicamente un'impedenza caratteristica di 100 ohm e, tenendole le più corte possibili e della stessa lunghezza, è possibile ottimizzare il rumore, la banda e le perdite di segnale. Il consumo di potenza di soli 500 mW del dispositivo F1200 semplifica di molto il progetto delle schede e la definizione del percorso termico. Il contenitore privo di piombo comprende una pellicola termica esposta in grado di dissipare il calore attraverso il rame presente sulla scheda del pc, eliminando la necessità di aggiungere un dissipatore.

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