Check-list per ricevitori per campionamento Rf

Da tempo i progettisti di sistemi di numerosi importanti produttori di apparecchiature terminali erano in attesa di un moderno e avanzato convertitore di dati per il campionamento in radiofrequenza. Fra tali produttori si annoverano costruttori di infrastrutture per comunicazioni, Software-Defined Radio, sistemi radar o prodotti per test e misurazioni. I convertitori di dati introdotti di recente offrono il campionamento a range dinamico elevato in modo paragonabile ai convertitori di dati per campionamento in frequenza intermedia ad alte prestazioni. Inoltre, questi convertitori integrano il filtraggio digitale on-chip, che riduce la velocità dei dati di output dalla frequenza di campionamento a 3-4 Gsps a un livello più gestibile simile ai tradizionali convertitori di dati per campionamento in If. Sono due i fattori principali che spingono verso una rapida adozione di questi convertitori di dati ad altissima velocità. Il continuo aumento della domanda di banda larga richiede per sua natura frequenze di campionamento più veloci, mentre una maggiore densità e integrazione si ottengono, ad esempio, eliminando dal ricevitore uno stadio di conversione verso il basso. Le moderne Sdr o le stazioni base cellulari devono essere in grado di coprire più bande di frequenza contemporaneamente, ad esempio per supportare l’aggregazione di operatori su più bande Lte in licenza per consentire un traffico dati più veloce. Anziché fare ricorso a un singolo sistema radio per ciascuna banda, i progettisti puntano a ridurre il fattore di forma del prodotto e costruire una radio con supporto multibanda. Il convertitore di dati per campionamento Rf rimuove lo stadio a frequenza intermedia risparmiando spazio sul circuito stampato e diminuendo il consumo energetico, mentre il suo ampio diagramma di Nyquist consente di campionare più bande contemporaneamente. I progettisti di sistemi che intendono passare dal campionamento If al campionamento Rf devono affrontare quattro sfide principali nella loro check-list: sensibilità del ricevitore, prestazioni radio in presenza di fonti di interferenza in banda, requisiti di filtraggio per fonti di blocco fuori banda, prestazioni della fonte del clock di campionamento. A seconda dell’applicazione, alcuni aspetti potrebbero essere più critici di altri. Di seguito verranno esaminate tali sfide utilizzando due diversi tipi di convertitori analogico/digitali e confrontandone i risultati. Il primo convertitore di dati è l’ADS4249, un convertitore analogico/digitale a 14 bit da 250 Msps di Texas Instruments utilizzato per un sistema di campionamento If. Il secondo è l’ADC32Rf45, un Adc a 14 bit da 3 Gsps, sempre di TI, per un sistema di campionamento Rf.

Sensibilità del ricevitore

Un indicatore fondamentale delle prestazioni del ricevitore è la sua sensibilità, ossia la potenza di segnale più bassa che è in grado di recuperare ed elaborare correttamente. I segnali di input deboli non possono essere demodulati se il rumore del ricevitore all’interno della larghezza di banda demodulata è maggiore del segnale ricevuto stesso. Il rumore di fondo del ricevitore viene solitamente espresso come cifra di rumore in decibel, oppure come differenza rispetto al rumore termico assoluto normalizzato alla larghezza di banda di 1 Hz. Il metodo più comune per migliorare la cifra di rumore di un Adc è aggiungere un amplificatore a monte dell’Adc.  Mentre le cifre di rumore di entrambi i convertitori sono simili, il convertitore di dati per campionamento If ha un guadagno esterno significativo dal mixer e dall’amplificatore a guadagno variabile digitale in If, riducendo così sensibilmente l’impatto della cifra di rumore dell’Adc fino alla sensibilità del ricevitore. Pertanto, l’Adc per campionamento Rf richiede anche un guadagno front-end aggiuntivo per minimizzare il suo impatto sulla sensibilità del ricevitore.

Prestazioni di blocco in banda

A volte le fonti di interferenza riescono a penetrare nella banda passante del filtro front-end. Le prestazioni di blocco in banda del ricevitore sono una misura della capacità del ricevitore di demodulare segnali deboli in presenza di tali fonti di interferenza in banda. Il controllo automatico di guadagno del ricevitore assicura che il livello di potenza della fonte di interferenza rimanga al di sotto dell’intera scala di input dell’Adc per evitare la saturazione. Tuttavia, le armoniche di blocco generate all’interno dell’Adc durante il processo di campionamento possono comunque ricadere sui deboli segnali utili, riducendo la capacità di demodulazione del ricevitore. Poiché la frequenza di input è molto più bassa, il convertitore di dati per campionamento If offre prestazioni armoniche di ordine basso notevolmente migliori come mostrato nella Tab. 2. Tuttavia, i progettisti di sistemi traggono beneficio dall’elevata frequenza di campionamento dei convertitori per campionamento Rf. I progettisti possono scegliere il range di frequenza d’ingresso (ad esempio, Sdr militari funzionanti in banda L) oppure la frequenza del clock di campionamento (come le infrastrutture di comunicazione con bande di frequenza Rf fisse) al fine di evitare la ricaduta all’interno della banda di armoniche di ordine basso. Le prestazioni di distorsione di ordine alto dei moderni convertitori per campionamento Rf sono pressoché paragonabili a quelle di convertitori per campionamento If ad alte prestazioni. Questo metodo è noto anche come pianificazione frequenziale. Il concetto di pianificazione frequenziale è illustrato in Fig. 3. Un ampio spettro a 60 MHz viene centrato su una If di 180 MHz con un Adc da 250 Msps. Le armoniche della fonte di interferenza in banda non possono essere evitate. Al contrario, gli stessi 60 MHz centrati su 1,75 GHz campionati a 3 Gsps forniscono un range dinamico privo di spurie in banda che risulta privo di armoniche di ordine basso e spurie interposte.

Requisiti di filtraggio per fonti di blocco esterne

Indipendentemente dall’architettura, l’input dell’Adc deve essere protetto da grandi fonti di interferenza fuori banda, in quanto tale situazione causerebbe l’aliasing della banda interna facendo superare la scala completa dell’Adc e saturando il ricevitore, oppure comporterebbe la generazione di armoniche che si sovrapporrebbero a un piccolo segnale utile in banda. I sistemi di campionamento in frequenza intermedia presentano un diagramma di Nyquist relativamente piccolo, pertanto le bande di aliasing e le immagini sovrapposte sono piuttosto vicine. Dal momento che è difficile progettare un filtro Rf con un netto roll-off, l’attenuazione del filtro è tipicamente ripartita fra filtri passa banda Rf e If. La progettazione di filtri per sistemi di campionamento Rf è leggermente più semplice se si applica la pianificazione frequenziale. Non vi sono immagini sovrapposte o spurie di oscillatori locali di cui preoccuparsi, ma occorre comunque tenere conto delle armoniche di ordine basso o delle spurie interposte di fonti di interferenza fuori banda.

Requisiti prestazionali per il clock di campionamento

Il clock di campionamento per l’Adc Rf è equivalente all’oscillatore locale di un ricevitore a eterodina. I requisiti di rumore della fase di clock dipendono in larga misura dall’applicazione. In generale, conviene specificare il rumore di fase a frequenze di offset specifiche dell’applicazione anziché integrare il rumore della fase di clock sull’intero diagramma di Nyquist (piuttosto grande) per un numero di jitter rappresentativo del clock. Inoltre, il clock è ora un segnale Rf e si trova ad affrontare ulteriori sfide, come una maggiore attenuazione dell’ampiezza con una frequenza maggiore. Gli Adc richiedono che l’ampiezza del clock sia la più alta possibile per ridurre al minimo il rumore di fondo e per una difficile gestione dello skew in sistemi multicanale. Analogamente agli Adc idonei per il campionamento Rf e If, sono disponibili meno soluzioni di clocking a basso rumore di fase e ad alta qualità per frequenze di clock superiori a 1 Gsps. Pertanto, i progettisti di sistemi potrebbero trovarsi a dover ricorrere a oscillatori locali a basso rumore di fase, quali il LMX2582, come fonte di clock per l’Adc Rf.

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