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10-2013

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HF-Praxis 10/2013

Wireless Ein

Wireless Ein WiMAX-Direct-Conversion-Sender, Teil 1 Die drahtlose Kommunikation strebt nach hohen Frequenzen und Datenraten. Unser zweiteiliger Beitrag beschreibt den Aufbau eines Senderzugs für WiMAX bis 2,7 GHz mit fünf Chips und demonstriert dessen Leistungsfähigkeit. Zum Einsatz kommen gemäß Bild 1: • d er d u ale 1 4 - B it-ADC AD9862 mit 128 MSPS und programmierbarem Strom, • der 3-GHz-Quadraturmodulator ADL5373, • der 2,7-GHz-VGA ADL5330 mit 50-dB-Power-Control- Bereich, • der fraktionale N-Synthesizer ADF4153 (4 GHz) und • der RMS Power Detector AD8362 (3 GHz). Die Kanalbandbreite beträgt 10 MHz bei 1024 OFDM-Unterträgern. QSPK, 16 QAM und 64 QAM OFDMA sind möglich. Die Ausgangsleistung erreicht 13 dBm CW und kann genau eingestellt werden. Das Rauschen beträgt bei 20 MHz Offset -142,5 dBm/Hz. Zur Versorgung sind 5 V/380 mA und 3,3 V/165 mA erforderlich. OFDM Datenraten bis 80 Mbps lassen sich mit dem Orthogonal Frequency Division Multiplexing erzielen. Der WiMAX- Standard 802.16 basiert auf einer 2 N -Träger-OFDM: 256 für 802.16d und 512 bis 2.048 für Quelle: Cecile Masse/Qui Luu, A 2.4 GHz WiMAX Direct Conversion Transmitter, Analog Devives Application Note AN-826 Bild 1: Grundaufbau des Senders 802.16e. Jeder der Unterträger lässt sich mit QSPK, 16 QAM oder 64 QAM modulieren. Die Standards fordern zudem verschiedene Signalbandbreiten von 1,25 bis 20 MHz, obwohl die etablierten Systeme mit 5 bis 10 MHz auskommen. Das OFDM-Signal kann besonders hohe Peaks und „Täler” erreichen, sprich eine Modulationstiefe bis zu 100% und ein Peakto-Average-Verhältnis um die 10 dB. Dies erfordert eine hohe Linearität bei der Signalaufbereitung im Senderzug. Um hier einen optimalen Weg zu finden, wurde die Direktumsetzung gewählt. Dabei lag der primäre Fokus auf dem Standard Wireless Broadband WiBro 2,3...2,4 GHz, genutzt für 802.16d (fixed) und 802.16e (mobile). Weitere Anwendungen bis 2,7 GHz sind möglich. Architektur Das Direktmischkonzept bringt folgende Vorteile: • geringer Bauteilaufwand • wenige Nebensignale beim Mischen • einfache Filter • geringe Stromaufnahme Wegen der nur einmaligen Umsetzung benötigt man auch nur einen Synthesizer. Die große Anzahl von Unterträgern in Zusammenhang mit WiMAX OFDM oder OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) macht allerdings diese Aufbereitungsart anfällig für Phasenrauschen. Mit anderen Worten: Jeder der Unterträger wird vom Phasenrauschen des Local Oscillators (LO) moduliert. Aus diesem Grund ist es erforderlich, alle Ursachen für Phasenrauschen sorgfältig zu beseitigen bzw. in der Wirkung zu minimieren. Diese Architektur schließt einen DAC, einen IQ-Modulator mit fester Verstärkung, als LO einen fraktionalen N-Synthesizer, einen spannungsgesteuerten HF-Verstärker und einen RMS Power Detector ein. Hinzu kommen Tiefpassfilter am DAC-Ausgang, um Spiegelfrequenzen und Oberwellen zu unterdrücken. DAC und Synthesizer benötigen 3,3 V. Analoge Basisband- Signalaufbereitung Der DAC gehört zu den kritischen Komponenten in diesem Senderzug, denn er muss ein Signal erzeugen, das möglichst nahe am analogen Vorbild liegt. Sein Signal-Rausch- Verhältnis und seine Abtastrate bestimmen die Qualität, insbesondere die spektrale Reinheit des erzeugten Basisbandsignals für den IQ-Modulator. Der ausgewählte Typ gehört zur Mixed Signal Frontend Family mit 12 und 14 Bit. Die höchstmögliche Abtastrate beträgt 128 MSPS. Er liefert einen Ausgangsstrom (Stromquelle) mit einem einstellbaren Spitzenwert von 2 bis 20 mA. Dabei bleibt die 12/14-Bit-Auflösung erhalten. Das SNR für diese Applikation sollte mindestens 60 dB betragen, um die spektralen Anforderungen an das Ausgangssignal auch bei dessen höchstem Wert zu erfüllen. Dazu gehört auch die Error Vector Magnitude (EVM). Sowohl der 12-Bit-AD9860 als auch der 14-Bit-AD9862 leisten 70 dB. Weiterhin bleibt der Spurious- Free Dynamic Range (SFDR) innerhalb der ersten Nyquist- Zone konstant bei -76 dBc, egal, ob die Signalfrequenz 1 oder 6 MHz beträgt. Dies ist wichtig bei der Nutzung hoher Signalbandbreiten. In Abhängigkeit von der maximalen Modulationsbandbreite lässt sich die Sampling-Frequenz wählen. Es sein ein komplexes WiBro-OFDM-Signal mit 8,75 MHz angenommen. Dann benötigt man mindestens eine DAC-Abtastfrequenz von 2x10 MHz. Allerdings erscheinen alle Sampling-Überlappungen auf N x 20 MHz, sodass eine nachfolgende Filterung unentbehrlich ist. Filter höherer Ordnung sind dabei durch Interpolationsfilter gut ersetzbar. Diese erlauben eine höhere Abtastrate, sodass die unerwünschten Mischprodukte weiter entfernt vom gewünschten Signal bzw. vom Haupt-Eingangssignal erscheinen und daher leichter auszublenden sind. Bild 2 und 3 zeigen den Effekt des Einsatzes der Interpolationsfilter 4x bei den genannten AD-Wandlern. Während die Datenrate ursprünglich bei 20 MHz liegt, führen die Filter zu 48 hf-praxis 10/2013

Crystals • Oscillators • Filters TCXO‘s & VC-TCXO‘s Focus on high precision products Synchronisation: STRATUM III, IEEE 1588v2, SyncE, PTP Locating & Navigation: COSPAS-SARSAT, GPS, GALILEO, GLONASS Other: Test and Measurement, SONET / SDH, Mobile Backhaul, Audio & Video Broadcasting, Base Stations for UMTS, W-CDMA, TD-SCDMA, LTE, WiMAX, TETRA, Picocells, Femtocells,… • development and production in Switzerland • quality, reliability, fl exibility, customer - specifi c • small package sizes (5x3.2 mm, 7x5 mm, 14x9 mm) • high frequency stability (±0.1 ppm from -40 to +85 °C) • extended frequency range (from 5 to 52 MHz) • wide temperature range (-55 to +95 °C) • high shock and vibration resistivity • reduced power consumption • low g-sensitivity (1 x 10 -10 /g) • low phase noise and jitter • low hysteresis QuartzCom AG Tel.: +41 32644 2400 sales@quartzcom.com Fax: +41 32644 2405 www.quartzcom.com

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