Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. In questa Rubrica del blog EOS abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi passati ancora di interesse per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. Per ridurre la complessità e le dimensioni del sistema, i ricevitori MIMO hanno bisogno di circuiti integrati in grado di gestire più canali. Tali componenti sono noti come mixer passivi. Vediamoli in dettaglio.
Introduzione
La tecnologia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) è sempre più diffusa nei sistemi di trasmissione dati ad alta velocità (esempio Wi-Fi e cellulari 3G/4G). Le maggiori velocità di trasmissione dei sistemi MIMO garantiscono una maggiore capacità del sistema e livelli di efficienza migliori. Per ridurre la complessità e le dimensioni del sistema, i ricevitori MIMO hanno bisogno di circuiti integrati in grado di gestire più canali. Per questo i mixer down converter passivi a due canali della famiglia LTC559x (che comprende LTC5590, LTC5591, LTC5592 e LTC5593) offrono un range di frequenze compreso tra 600MHz e 4,5GHz. Nella Tabella 1 sono indicati il range di frequenze e le prestazioni tipiche a 3,3V di questi mixer che offrono un guadagno di conversione elevato, una cifra di rumore (NF) bassa e un’elevata linearità con un basso consumo di corrente. Il guadagno di conversione tipico è di 8dB con un valore IIP3 (Input Third-Order Intercept Point) di 26dBm, una cifra di rumore pari a 10dB e un consumo di 1,3 W. La famiglia LTC559x di mixer a due canali e prestazioni elevate è perfetta per i ricevitori MIMO delle infrastrutture wireless. Questo tipo di soluzione comporta una riduzione del numero delle parti, facilita l’instradamento dei segnali LO e occupa meno spazio sulla scheda. Inoltre, ogni prodotto della serie LTC559x è dotato di trasformatori balun RF e LO, mixer a doppio bilanciamento, amplificatori separatori LO e amplificatori IF differenziali che contribuiscono a ridurre le dimensioni, la complessità e il costo della soluzione.
DESCRIZIONE DEL MIXER
Lo schema a blocchi semplificato della Figura 1 mostra la topologia per mixer a due canali che utilizza core del mixer passivo a doppio bilanciamento che controllano amplificatori di uscita IF. I core del mixer sono quad a MOSFET commutato con una perdita di conversione tipica di circa 7dB. In questo caso, però, la perdita viene più che compensata dal guadagno degli amplificatori IF successivi, per cui si ottiene un guadagno complessivo di circa 8dB. L’uscita IF differenziale è stata ottimizzata per carichi da 200Ω. Il percorso dell'LO usa un balun condiviso per convertire l’ingresso single ended in un LO differenziale e controlla gli amplificatori separatori indipendenti per ciascun canale. Per evitare il load pull del VCO, viene mantenuto un buon adattamento di impedenza dell'LO in tutte le modalità operative. L’esempio della Figura 2 mostra il return loss d’ingresso dell'LO dell’LTC5591 in condizioni operative diverse. Grazie a questa funzione non occorre uno stadio separatore esterno all'LO. Nelle stazioni base tradizionali, che mantengono un ambiente a temperatura controllata, i componenti funzionano con temperature fino a +85°C. Invece le celle più piccole e le unità RRH (Remote Radio Head) offrono un ambiente più difficile e i componenti devono operare con temperature fino a +105°C. I mixer LTC559x sono stati progettati e testati a +105°C proprio per soddisfare questa esigenza. I mixer LTC559x sono alloggiati in un package QFN-24 da 5mm x 5mm le cui dimensioni sono solo uno degli aspetti che contribuiscono a contenere l’ingombro della soluzione totale. L’elevato livello di integrazione consente di diminuire il numero di componenti esterni (circa 19), con conseguente riduzione dello spazio occupato, della complessità e del costo della scheda.
Figura 1: Schema a blocchi del mixer a due canali
Figura 2: Return loss LO dell’LTC5591 nelle diverse modalità operative
APPLICAZIONE DI RICEVITORE
Nella Figura 3 è rappresentato lo schema funzionale di un mixer LTC559x in un ricevitore a due canali. I segnali RF single-ended vengono amplificati e filtrati prima di essere applicati agli ingressi del mixer. In questo esempio si vedono percorsi del segnale differenziale IF che rende superfluo il balun IF. Il filtro SAW, l’amplificatore IF e il filtro passabanda a parametri concentrati sono tutti differenziali. I filtri SAW ad alta selettività vengono usati in molti ricevitori MIMO per bloccare toni spuri e rumori indesiderati sull’uscita del mixer. Il guadagno di conversione di 8dB dei mixer compensa l’elevata perdita di inserzione di questi filtri e ne riduce gli effetti sul rumore di fondo del sistema. Le prestazioni generali dei mixer consentono di ovviare alla perdita del filtro e il ricevitore può soddisfare i requisiti relativi a sensibilità e toni spuri. Un’altra importante caratteristica dei ricevitori multicanale è l’isolamento da canale a canale che corrisponde al livello IF sull’uscita del canale non controllato rispetto al livello IF sull’uscita del canale controllato. Di solito il valore specificato per questo parametro è migliore di 10dB rispetto all’isolamento da antenna ad antenna per evitare un abbassamento delle prestazioni del sistema. Grazie a una progettazione precisa, i mixer LTC559x raggiungono livelli di isolamento da canale a canale maggiori di 45dB, riuscendo così a soddisfare i requisiti della maggior parte delle applicazioni multicanale.
Figura 3: Mixer passivo a due canali LTC559x in un’applicazione di ricezione
CONSUMO DI CORRENTE
Con l’evoluzione delle topologie per le stazioni base multibanda/multimodali e una definizione più elaborata delle reti G4, i sistemi delle infrastrutture wireless si stanno indirizzando verso configurazioni di piattaforme che consentono di implementare requisiti diversi in termini di banda e modalità, riducendo al minimo le modifiche hardware e software. I pin dei mixer serie LTC559x hanno la stessa configurazione e favoriscono l’utilizzo dello stesso layout di scheda per tutte le bande. Il costante sviluppo delle comunicazioni wireless ha favorito anche la diffusione di celle più piccole, come le picocelle e le femtocelle. La domanda di un maggior numero di celle più piccole e la diffusione delle unità RRH hanno creato ulteriori limiti ai sistemi delle infrastrutture che devono offrire una maggiore integrazione e ingombri più contenuti. Con l’aumento del numero di celle il consumo di energia è diventato un aspetto ancora più importante, visto che i relativi costi aumentano di conseguenza. Nelle unità RRH, invece, il problema è rappresentato dallo stress termico dovuto all’impiego del raffreddamento passivo.
Non basta diminuire le dimensioni della soluzione: un sistema più piccolo comporterebbe un aumento della densità di potenza e delle temperature di giunzione e una potenziale diminuzione dell’affidabilità dei componenti. Occorre invece ridurre contemporaneamente il consumo di energia e le dimensioni del sistema; è un obiettivo ambizioso perché le prestazioni RF non devono essere compromesse. In passato la combinazione di due mixer singoli su un solo chip avrebbe comportato un consumo totale di 2 Watt. Per ridurre i consumi i mixer LTC559x sono stati progettati per funzionare a 3,3V invece che a 5V. Le tecniche di progettazione dei circuiti a bassa tensione diminuiscono la dissipazione di potenza senza influire sui valori relativi al guadagno di conversione, all’IIP3 o alla cifra di rumore. L’unico parametro sul quale influisce una tensione di alimentazione inferiore è il P1dB (circa 11dBm). Questo valore è limitato in uscita dall’escursione massima della tensione sui collettori aperti degli amplificatori IF nel controllo dell’impedenza di carico di 200Ω. Nelle applicazioni che richiedono un P1dB maggiore, i mixer sono stati progettati per consentire l’uso di un’alimentazione da 5V sull’amplificatore IF. La tensione maggiore comporta un P1dB maggiore di 14dBm. Come indicato nella Tabella 1, i mixer a due canali raggiungono ottime prestazioni anche con una potenza di appena 1,3 W, con entrambi i canali attivi. Per migliorare il risparmio energetico, ogni canale può essere disattivato singolarmente con un apposito comando separato. Ove siano accettabili requisiti minori in termini di linearità, il pin ISEL consente di attivare la modalità di bassa corrente e ridurre ulteriormente il consumo.
Tabella 1: Mixer passivo a due canali LTC559x in un’applicazione di ricezione
CONCLUSIONI
La famiglia LTC559x di mixer down converter passivi a due canali offre le prestazioni necessarie per soddisfare gli elevati requisiti dei moderni ricevitori per infrastrutture multicanale. La combinazione tra guadagno di conversione elevato, NF bassa e alta linearità migliora le prestazioni generali del sistema, mentre il basso consumo e le dimensioni ridotte soddisfano le esigenze più complesse delle stazioni base e delle unità RRH attualmente in uso.
