Convertitori A/D per applicazioni Sdr

Come suggerisce il nome stesso, la tecnologia Software Defined Radio per le radio è caratterizzata dalle funzionalità chiave, che vengono definite via software e non attraverso un hardware appositamente dedicato. L’utilizzo di un’architettura di questo tipo comporta numerosi vantaggi tra cui una riduzione sia delle dimensioni sia dei consumi, la facilità di aggiornamento e contenimento dei costi per quel che concerne lo sviluppo dell’hardware e il re-design. Le architetture Sdr richiedono la presenza di convertitori A/D con prestazioni particolarmente spinte, nonché amplificatori e circuiti di temporizzazione di precisione. In questo articolo verranno evidenziate le modalità di utilizzo di una nuova famiglia di convertitori A/D a 12 bit in numerose applicazioni quali radar militari, telecomunicazioni e set-top-box via cavo al fine di evidenziate i numerosi vantaggi delle radio Sdr e verranno descritte le soluzioni di temporizzazione e gli amplificatori differenziali più adatti per questo tipo di applicazioni.

Architettura Hardware Defined Radio tradizionale
Esistono numerose e ben conosciute architetture di ricevitore: eterodina, omodina e low-IF, ciascuna delle quali evidenzia pregi come pure qualche difetto. Tutte queste architetture condividono caratteristiche comuni e il loro principio di funzionamento si basa sulla miscelazione (mixing) o sulla traslazione verso il basso (down conversion) di segnali RF in frequenza intermedie inferiori e più facilmente gestibili in un’architettura di conversione singola o doppia. La traslazione verso il basso di segnali RF in segnali IF o in banda base nel dominio analogico si è spesso resa necessaria a causa dei limiti intrinseci dei convertitori A/D. Fino a poco tempo fa, le specifiche in termini di frequenza di campionamento dei convertitori A/D disponibili, ampiezza di banda dell’ingresso analogico e rumore a banda larga dei campionatori (track&hold) di ingresso non hanno permesso la realizzazione di un gran numero di applicazioni Sdr. Sia che la conversione di frequenza venga eseguita in due stadi (eterodina) o in uno stadio (omodina), è necessario effettuare operazioni particolarmente complesse in termini di condizionamento dei segnali. Le architetture Hdr richiedono la presenza di mixer a elevare prestazioni con eccellenti specifiche in termini di adattamento di ampiezza e fase, oscillatori locali a bassa perdita e filtri a bassa perdita di inserzione ed elevato fattore di merito Q (pre-selezione, reiezione della frequenza immagine, anti-aliasing). Componenti di questo tipo evidenziano problematiche in termini di perdita, errore di offset in continua, rumore di tipo 1/f (flicker noise), disadattamento I/Q e distorsione armonica. La progettazione di sistemi RF e analogici è molto complessa: onde stazionarie, distorsioni armoniche e riflessioni provocate da impedenze, disadattamento I/Q e perdite nei dispositivi sono difficili da misurare, mentre i loro effetti non sono quantificabili con precisione. A parte le problematiche di natura tecnica legate alla realizzazione di architetture Hdr, esse presentano numerosi svantaggi. I progetti che prevedono una forte componente analogica, oltre a essere complessi, sono contraddistinti da consumi elevati e occupano uno spazio significativo sulla scheda. Solitamente è richiesta la schermatura in radiofrequenza per ridurre gli effetti delle interferenze elettromagnetiche, con conseguente aumento delle dimensioni del sistema. L’elevato consumo comporta l’insorgere di problematiche di natura termica e la necessità di adottare idonee misure per la dissipazione del calore. Architetture di questo tipo sono onerose da realizzare dal punto di vista economico e il costo aumenta al crescere del numero di canali. Un ulteriore svantaggio di notevole entità delle architetture Hdr è legato alla rigidità della loro struttura che deriva dall’avere un piano di frequenze fisso. I parametri del sistema (numero di canali, ampiezza di banda del canale e così via) sono fissati a livello hardware, ragion per cui ogni modifica o re-design del sistema comporta l’impiego di notevoli risorse – in termini di tempo e denaro – nelle attività di ricerca e sviluppo.

Il confronto con le architetture Sdr
Il concetto di radio Sdr non è nuovo. Sebbene il termine “Software Defined Radio” sia stato coniato nel 1991 da Joseph Mitola, che per primo ha pubblicato un documento sull’argomento l’anno successivo, le prime radio definite via software sono state concepite negli anni 70 in ambito militare. Lo scopo era quello di sviluppare architetture radio flessibili e programmabili che potessero essere adattate con facilità per far fronte alla evoluzione dinamica delle condizioni sul terreno: per tale motivo le caratteristiche della radio dovevano essere definite via software e non attraverso l’hardware. Gli sviluppatori di infrastrutture wireless hanno ben presto compreso i vantaggi delle architetture Sdr e ne hanno sfruttato il potenziale per ridurre i costi di sviluppo hardware e aumentare la profittabilità. Una stazione base programmabile via software può essere adattata con estrema semplicità per supportare gli standard emergenti (come ad esempio WiMax, Umts, MC-Gsm) senza dover procedere ad aggiornamenti hardware e senza incorrere nelle spese legate all’invio di personale tecnico nel luogo dove è situata la radio. Le caratteristiche della radio vengono quindi definite nel dominio digitale e non più in quello analogico. Al fine di implementare un approccio di questo tipo la fase di digitalizzazione deve essere spostata in prossimità dell’antenna. Le operazioni di condizionamento del segnale analogico prima della fase di conversione A/D sono ridotte al minimo. Il convertitore A/D richiede un generatore di clock di precisione, il quale deve soddisfare a requisiti che possono essere molto più stringenti rispetto a quelli richiesti nel caso di architetture Hdr qualora il convertitore effettui direttamente il campionamento alle frequenze RF. Nel caso di adotti questo approccio l’intera banda di segnale desiderata può essere digitalizzata senza la necessità di ricorrere a complessi mixer analogici lineari, oscillatori locali e filtri (IF e in banda base): il condizionatore di segnale viene trasferito nel dominio digitale dove può essere eseguito a costi inferiori, con minori consumi, migliori prestazioni e una flessibilità decisamente superiore. A questo punto val la pena sottolineare che un’architettura Sdr impone requisiti molto severi sui componenti del front end (vedi box).

I vantaggi dell’architettura Sdr
I vantaggi dell’architettura Sdr compensano di fatto gli svantaggi delle architetture Hdr. Un minor numero di componenti analogici significa ridotta complessità della sezione analogica, mentre il minor onere di elaborazione del segnale RF comporta una contemporanea diminuzione delle esigenze di schermatura RF. In questo modo è possibile sviluppare progetti più piccoli e compatti contraddistinti da minor consumi, con benefici immediati in termini di costi di sviluppo e della componentistica hardware. In ogni caso, il principale vantaggio delle architetture Sdr rispetto alle Hdr è la flessibilità intrinseca delle prime. Mediante filtri digitali o la programmazione via software è possibile modificare o cambiare completamente le specifiche radio in brevissimo tempo direttamente da una postazione remota senza apportare alcuna modifica a livello hardware. Le stazioni base per le telecomunicazioni possono essere aggiornate direttamente dalle sedi dell’operatore di rete per garantire la compatibilità con i nuovi standard 3G o 4G. I fornitori di servizi televisivi via cavo e via satellite possono aggiornare le funzionalità dei Set-Top-Box dei loro clienti senza dover procedere all’aggiunta di nuovi sintonizzatori. Anche i produttori di sistemi radar possono trarre notevoli vantaggi dalla selezione di frequenza programmabile in modo digitale. I servizi possono essere migliorati e i risparmi operativi conseguiti dagli operatori trasferiti agli utenti finali. La diffusione delle architetture Sdr non significa la fine dell’analogica. Al contrario, per realizzare architetture di questo tipo è indispensabile ricorrere, oltre ai convertitori A/D, a circuiti per il condizionamento del clock, sintetizzatori di frequenze e amplificatori con prestazioni particolarmente spinte.

Componenti per architetture Sdr
Il convertitore A/D ADC12D1800 di National Semiconductor dispone di due canali che possono operare in maniera interallacciata o come canali indipendenti, garantendo velocità di campionamento fino a 3,6 Gsps oppure di 1,8 Gsps (su due canali). Quando opera a 3,6 GSPS, esso è più veloce di un fattore 3,6 rispetto a ogni altro dispositivo a 12 bit del mercato. L’ampiezza di banda di ingresso analogica di questo nuovo convertitore A/D che arriva a 2,8 GHz e le sue prestazioni dinamiche – rumore di fondo di 149 dBm/Hz, Npr (Noise Power Ratio) di 48,5 dB e distorsione di intermodulazione o Imd (InterModulation Distorsion) di -61dBFS – consentono di soddisfare le specifiche delle radio Sdr in numerosissime applicazioni. Il convertitore richiede una singola alimentazione a 1,9V, è realizzato in tecnologia Cmos “pura” da 0,18 μm e dissipa solamente 2.05 W per canale. Esso integra un circuito per la sincronizzazione multi-chip, mentre l’offset e il guadagno sono programmabili per ogni singolo canale. L’amplificatore track-and-hold interno e lo schema di auto calibrazione garantiscono una risposta estremamente piatta di tutti i parametri dinamici per frequenze di ingresso superiori a 2 GHz, assicurando nel contempo un tasso di errore del codice di soli 10-18. Oltre alle eccellenti specifiche in termini di rumore di fondo, Npr e Imd, il convertitore può vantare le seguenti caratteristiche: SNR di 58,6 dB, Sfdr pari a 67 dBc ed Enob di 9,2 a 125 MHz. Le uscite Lvds possono essere configurate in modalità 1:1 o 1:2 demux mentre vengono forniti appositi test pattern per il debugging del sistema. LMX2541 è un sintetizzatore di frequenza a bassissimo rumore che integra un Pll N-frazionario di tipo delta-sigma ad alte prestazioni, un Vco con circuito LC parallelo (tank) e un divisore di frequenza opzionale. Tra le caratteristiche di rilievo da segnalare un rumore di fondo normalizzato di -225 dBc/Hz e la possibilità di generare frequenze da 31,6 MHz a 4 GHz. Quando abbinato a un oscillatore di riferimento di elevata qualità, LMX2541 genera un segnale estremamente stabile a bassissimo rumore, facendone quindi la sorgente di clock ideale per il convertitore ADC12D1800. LMH6554 è un amplificatore contraddistinto da un’ampiezza di banda per piccoli segnali di 2,8 GHz (a guadagno unitario) e permette il funzionamento a guadagni superiori all’unità senza penalizzare le prestazioni in termini di piattezza della risposta, ampiezza di banda, distorsione armonica o rumore di uscita. Piattezza del guadagno di 0,1 dB fino a 830 MHz, figura di rumore di 8 dB e distorsione di intermodulazione di -99 dB a 150 MHz sono alcune delle specifiche di rilievo. Per applicazioni con accoppiamento in continua, LMH6554 dispone di un pin per la tensione di uscita di modo comune che consente di impostare correttamente la tensione di modo comune dei componenti la serie ADC121X00.

Nuove applicazioni per il Sdr
Tra i sistemi che possono trarre significativi benefici dall’adozione dell’architetture Sdr si possono menzionare strumenti di test (analizzatori di spettro e oscilloscopi digitali), radar, apparati di telecomunicazione (stazioni base, satelliti, backhaul a microonde, connessioni ottiche), Stb a più canali, apparecchiature per la rivelazione di segnali elettronici (signal intelligence) e Lidar (Light Detecting And Ranging). Sistemi di questi tipo finora venivano implementati mediante architetture Hdr. L’adozione dell’architettura Sdr permette, in ognuno dei dispositivi appena menzionati, di ridurre il numero di componenti richiesti e i costi, le dimensioni della soluzione finale e dei consumi, garantendo nel contempo tutti i vantaggi legati alla flessibilità e alla programmabilità. La possibilità di effettuare aggiornamenti mediante il riutilizzo di moduli di front end analogici comuni contribuisce infine a ridurre le spese di ricerca e sviluppo.

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