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.
L’IMPORTANZA DELLE COMPONENTI SPURIE DELLA DISTORSIONE DA INTERMODULAZIONE DEL SECONDO ORDINE
In un ricevitore a conversione diretta, i prodotti della distorsione da intermodulazione del secondo ordine (IM2) ricadono direttamente in banda alle frequenze della banda-base. Si considerino, ad esempio, due segnali RF di uguale potenza, f1 e f2, a una distanza di 1 MHz fra di loro, a 2140 MHz e 2141 MHz, rispettivamente, mentre la frequenza dell’oscillatore locale (LO) ricade a 10 MHz di distanza, a 2130 MHz. La componente spuria IM2 che ne risulta ricadrebbe a f2 - f1 ovvero 1 MHz. L’LTC5585 ha una funzionalità esclusiva di riduzione al minimo delle componenti spurie IM2, realizzata in modo indipendente sui canali I e Q mediante tensioni di controllo esterne. La Figura 1 mostra una configurazione tipica per la misurazione e calibrazione dell’IIP2.
Figura 1: Configurazione di test per la calibrazione dell’IIP2 con filtri passa-basso da 1 MHz per selezionare la componente IM2
Le uscite in banda-base differenziali vengono combinate mediante un balun e la componente alla frequenza differenza IM2 di 1 MHz viene selezionata con un filtro passa-basso per impedire che i forti toni principali a 10 MHz e 11 MHz comprimano il front-end dell’analizzatore di spettro. Senza il filtro passa-basso, per ottenere misurazioni soddisfacenti sull’analizzatore di spettro è necessaria un’attenuazione da 20 a 30 dB e lunghi tempi medi di misura. Come mostrato nello spettro di uscita della Figura 2, la componente IM2 ricade prevedibilmente in banda a 1 MHz.
Figura 2: Spettro di uscita senza filtro passa-basso
La curva mostra anche il prodotto IM2 prima e dopo la regolazione, quando il livello della componente spuria è stato ridotto di circa 20 dB, a -81,37 dBc, regolando le tensioni di controllo sui pin IP2I e IP2Q. Con questa funzionalità di ottimizzazione dell’IIP2, si possono considerare due strategie alternative di calibrazione. Una può consistere in una fase di calibrazione “imposta e dimentica” eseguita in fabbrica; in questo caso, è sufficiente un semplice potenziometro per ciascun pin di regolazione, come illustrato nella Figura 1. In alternativa, si può implementare tramite software un algoritmo di calibrazione ad anello chiuso, automatico, che consente di calibrare periodicamente l’apparecchiatura. Per ricevitori con DPD che monitorano già l’uscita dei loro trasmettitori, ciò è semplicissimo poiché i trasmettitori possono generare facilmente due toni di test. Per ricevitori principali, questa calibrazione può comportare l’uso di ulteriori dispositivi per rinviare lungo l’anello i due toni di test al canale del ricevitore. Comunque, queste operazioni possono essere tutte eseguite durante un ciclo di calibrazione off-line. Un tale approccio terrebbe conto degli effettivi fattori ambientali di funzionamento che possono influire sulle prestazioni della stazione base.
L’AZZERAMENTO DELL’OFFSET DC AIUTA A OTTIMIZZARE LA GAMMA DINAMICA DEL CONVERTITORE A/D
Un’analoga funzionalità di regolazione è altrettanto integrata nel chip per annullare la tensione di uscita DC delle componenti I e Q. La tensione di offset DC, che risulta dal disadattamento interno e dall’automiscelazione dei segnali di dispersione d’ingresso RF e LO, può ridurre la gamma dinamica del convertitore A/D quando la catena del segnale è accoppiata in DC per l’intero percorso. Per illustrare ciò, da una modesta tensione di offset DC di 10 mV all’uscita che si propaghi attraverso uno stadio di guadagno da 20 dB deriverebbe una tensione di offset DC di 100 mV all’ingresso del convertitore A/D. Con un intervallo d’ingresso di 2 Vp di un convertitore A/D a 12 bit, questo valore di offset DC rappresenta 205 LSB di riduzione di capacità, ossia una riduzione effettiva di 0,9 dB della gamma dinamica del convertitore A/D. Per ridurre al minimo la dispersione tra gli ingressi LO e RF, occorre prestare attenzione a isolare questi due segnali. Nel layout della scheda di circuiti, separare l’una dall’altra le piste di questi due segnali per prevenire fenomeni di accoppiamento incrociato. Il segnale LO, anche se esiste una dispersione misurabile verso la porta RF, si automiscela per formare una componente di offset DC all’uscita. Fortunatamente il livello LO è generalmente costante, per cui la tensione di offset DC è altrettanto costante e può essere annullata facilmente tramite la regolazione. Più problematico è l’ingresso RF, con livelli del segnale ampiamente variabili. Un’eventuale dispersione del segnale verso l’ingresso LO si automiscelerebbe e produrrebbe una tensione di offset DC dinamica mentre il segnale varia; ne conseguirebbe una distorsione del segnale demodulato, per cui mantenere bassa la dispersione aiuterà a ridurre al minimo l’offset DC.
POTENZIALI VANTAGGI ECONOMICI NELL’USO DI RICEVITORI A CONVERSIONE DIRETTA
Un ricevitore a IF nulla è particolarmente interessante a causa dei possibili vantaggi economici. Come menzionato in precedenza, il segnale RF viene demodulato in una banda-base a bassa frequenza; a frequenze inferiori, il progetto del filtro diventa più facile. Inoltre, la demodulazione a zero-IF non produce alcuna immagine nella banda-base, eliminando così la necessità di un filtro SAW relativamente costoso. L’aspetto forse più interessante in assoluto è che la frequenza di campionamento del convertitore A/D può essere ridotta notevolmente. Nell’esempio precedente, si può far fronte efficacemente al problema della larghezza di banda in banda-base delle componenti I e Q a 150 MHz mediante un convertitore A/D da 310 Ms/s come l’LTC2258-14, senza bisogno di servirsi di un convertitore A/D a frequenza di campionamento più alta, molto più costoso.
IN CONCLUSIONE
All’aumentare della larghezza di banda e delle prestazioni dei ricevitori wireless, un nuovo demodulatore in quadratura a larga banda può offrire un approccio alternativo, che aiuta a far fronte alle limitazioni sull’architettura del ricevitore e ne aumenta i livelli prestazionali, assicurando al tempo stesso un’interessante riduzione dei costi.
