I ricevitori a frequenza intermedia zero (Zero-IF) non sono certo una novità, sono ormai in uso da un certo tempo e trovano un’importante applicazione nei telefoni cellulari. Tuttavia, il loro impiego in ricevitori ad alte prestazioni, come quelli presenti nelle stazioni base wireless, ha avuto una riuscita modesta, principalmente a causa della loro limitata gamma dinamica e del fatto che le loro caratteristiche operative non sono comprese perfettamente. In questo articolo troviamo una soluzione.
Un nuovo demodulatore I/Q a IF zero e a larga banda aiuta a ridurre il problema della gamma dinamica e dell’insufficiente larghezza di banda, sia per i ricevitori principali che per quelli con predistorsione digitale (DPD), nonché a consentire alle stazioni base 4G di soddisfare a costi contenuti le esigenze di larghezza di banda sempre più ampia per l’accesso dei dispositivi mobili. Di seguito, illustreremo come sia possibile ottimizzare le prestazioni, riducendo al minimo la non linearità IM2 e l’offset DC che riducono la gamma dinamica dei ricevitori a IF nulla, offrendo così un’attuabile soluzione alternativa per un progetto che altrimenti potrebbe risultare molto complesso.
LARGHEZZA DI BANDA IN AUMENTO
Fino a poco tempo fa, la maggior parte delle stazioni base doveva funzionare con una larghezza di banda di canale pari a 20 MHz, in genere assegnata alle varie società di telefonia wireless. A questo canale da 20 MHz si accompagna un ricevitore DPD con una larghezza di banda pari a 100 MHz, per misurare le componenti spurie di distorsione da intermodulazione fino al 5° ordine e cancellare quindi efficacemente la distorsione. In genere, questi requisiti possono essere soddisfatti bene mediante ricevitori a elevata IF (eterodina). Ma oggi tali progetti vanno diventando molto più complessi poiché le tendenze del settore spingono all’utilizzo di stazioni base che consentano il funzionamento a tutte le frequenze delle bande di 60MHz. Ottenere questo risultato assicura notevoli contenimenti dei costi per l’intero modello di fabbricazione, installazione e implementazione dei sistemi wireless. Poiché la larghezza di banda triplica, la larghezza di banda del ricevitore con DPD deve aumentare da 100 MHz a 300 MHz, e raggiungere lo sbalorditivo valore di 375 MHz per le bande di 75 MHz. Il progetto di ricevitori in grado di funzionare con tale larghezza di banda non è semplice: il rumore aumenta a causa della più ampia larghezza di banda, diventa più difficile mantenere costante il guadagno e la frequenza di campionamento necessaria dei convertitori D/A aumenta drasticamente. Inoltre, il costo dei componenti con tale aumentata larghezza di banda è considerevolmente più alto. La modesta larghezza di banda di un tradizionale ricevitore ad alta IF non è più sufficiente per un segnale DPD a 300 MHz o più e variazione del guadagno pari in genere a ±0,5 dB. La larghezza di banda base di 300 MHz richiederebbe la scelta di una frequenza intermedia di almeno 150 MHz. Non è semplice individuare un convertitore A/D in grado di eseguire il campionamento a frequenza superiore a 600 Ms/s disponibile a un costo ragionevole, anche con risoluzione di 12 bit; potrebbe essere necessario accettare un compromesso e servirsi di un convertitore a 10 bit.
UN NUOVO DEMODULATORE I/Q CHE SEMPLIFICA I VINCOLI SULLA LARGHEZZA DI BANDA
Il demodulatore I/Q LTC5585 è stato progettato per supportare la conversione diretta, consentendo quindi a un ricevitore di demodulare il summenzionato segnale RF ad ampia banda - 300 MHz - direttamente in banda base. Le uscite I e Q sono demodulate in un segnale a larghezza di banda di 150 MHz, pari solo alla metà di quella di un ricevitore a IF elevata. Per ottenere una variazione del guadagno nella banda passante non oltre ± 0,5 dB, la frequenza di taglio (punto a -3dB) del dispositivo deve essere ben superiore a 500 MHz. L’LTC5585 supporta quest’ampia larghezza di banda tramite uno stadio di uscita in banda-base sintonizzabile. Le porte differenziali di uscita I e Q hanno un resistore di pull-up da 100 Ω a VCC in parallelo a una capacità del filtro pari a circa 6 pF (vedi Figura 1). Questa semplice rete R-C consente la formazione di reti filtranti passa-banda o passa-basso esterne al chip per rimuovere i segnali interferenti fuori banda di alto livello e l’equalizzazione del roll-off del guadagno nella catena di amplificatori in banda-base a valle del demodulatore. Con una resistenza di carico all’uscita differenziale pari a 100Ω, oltre ai resistori esterni di pull-up da 100 Ω, la larghezza di banda a -3 dB raggiunge 840 MHz.
ESTENSIONE DELLA LARGHEZZA DI BANDA IN BANDA-BASE
Si può usare un singolo filtro L-C per estendere la larghezza di banda dell’uscita in banda-base. La Figura 1 mostra il circuito equivalente in banda-base del chip con lo stadio di estensione della larghezza di banda.
Figura 1: Circuito equivalente di uscita in banda-base per l’estensione della larghezza di banda con L=18 nH e C=4,7 pF
Con un carico di 200 Ω, la larghezza di banda di -0,5 dB può essere estesa da 250 MHz a 630 MHz impiegando un’induttanza in serie da 18 nH e una capacità di shunt da 4,7 pF. La Figura 2 mostra le diverse risposte di uscita possibili con carichi differenti. Una risposta è rappresentata per resistenze di carico differenziali pari a 200 Ω e 10 kΩ. Con un carico di 10 kΩ, la larghezza di banda di -0,5 dB può essere estesa da 150 MHz a 360 MHz impiegando un’induttanza in serie da 47 nH e una capacità di shunt da 4,7 pF.
Figura 2: Guadagno di conversione in funzione della frequenza di banda-base, con estensione della larghezza di banda mediante circuito LC e resistenza di carico differenziale
