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12-2017

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design Eine

Design Eine Herausforderung für Designer: Transmit-LO-Leakage (LOL) in Zero-ZF-Geräten unterdrücken Die Zero-ZF-Architektur (ZIF) bringt, neben wesentlichen Vorteilen, auch Herausforderungen mit sich, wie z.B. Transmit-LO- Leakage (Transmit Local Oscillator Leakage), die bewältigt werden müssen. Unkorrigiert produziert Transmit-LOL unerwünschte Leckeffekte innerhalb der Übertragung, was sich auf die Systemspezifikationen auswirken kann. Dieser Beitrag befasst sich mit dem Thema Transmit-LOL und untersucht die Techniken, die man verwendet, um Transmit-LOL zu eliminieren. Implementiert sind solche Techniken beispielsweise in der Transceiver-Familie Radio- Verse von Analog Devices (mit dem AD9371; mehr Informationen gibt es auf der RadioVerse Website von Analog Devices). Das Ziel ist, die Transmit-LOL auf einen Pegel zu reduzieren, der so klein ist, dass die Systemoder Leistungsdaten nicht beeinträchtigt werden, dann können Entwickler vielleicht über das LOL laut lachen (LoL). Bild 1: Idealer Mischer Bild 1: Realer Mischer Was ist LOL? Ein HF-Mischer verfügt über zwei Eingänge und einen Ausgang (Bild 1). Der ideale Mischer produziert ein Ausgangssignal, das dem Produkt der beiden Eingangssignale entspricht. Frequenzmäßig sollte am Ausgang lediglich F IN + F LO und F IN – F LO anliegen. Falls an einem der beiden Eingänge kein Signal anliegt, entsteht kein Ausgangssignal. In Bild 1 ist die Eingangsfrequenz F IN auf F BB bei einer Basisbandfrequenz von 1 MHz eingestellt. Die Frequenz am zweiten Eingang (F LO ) ist auf F LO eingestellt, mit einer Lokaloszillatorfrequenz von 500 MHz. Ein idealer Mischer würde ein Ausgangssignal produzieren, das Dave Frizelle Analog Devices www.analog.com Bild 3: Die unerwünschte Energie bei FLO (rot gekennzeichnet) wird LOL genannt 34 hf-praxis 12/2017

Design Bild 4 aus zwei Tönen besteht: einer bei 499 MHz und der andere bei 501 MHz. Allerdings produziert ein realer Mischer (Bild 2) auch Energie bei F BB und F LO . Die Energie bei F BB kann vernachlässigt werden, da sie weit entfernt vom relevanten Ausgangssignal ist und durch die HF-Bauteile nach dem Mischerausgang herausgefiltert wird. Unabhängig von der Energie bei F BB kann die Energie bei F LO ein Problem darstellen. Sie befindet sich sehr nahe oder innerhalb des relevanten Ausgangssignals und lässt sich mit einem Filter nur schwer oder überhaupt nicht entfernen, da der Filter auch das relevante Signal filtern würde. Die unerwünschte Energie bei F LO bezeichnet man als LOL. Der Lokaloszillator (LO), der den Mischer treibt, beeinträchtigt über einen Leck-Pfad den Ausgang des Mischers. Ferner gibt es weitere Pfade, über die LO-Energie an den Systemausgang gekoppelt kann, etwa über Stromversorgungen oder über das Silizium selbst. Unabhängig davon, wie der LO „leckt“, kann dieses Verhalten als LOL bezeichnet werden. In einer realen ZF-Architektur, bei der nur ein Seitenband übertragen wird, kann die Transmit Local Leakage (LOL) mithilfe eines HF-Filters beseitigt werden. Bei einer Zero-IF-Architektur hingegen, bei der beide Seitenbänder übertragen werden müssen, liegt die LOL-Frequenz in der Mitte des relevanten Ausgangssignals und stellt eine größere Herausforderung dar (Bild 3). Eine herkömmliche Filterung ist nicht mehr möglich, da jeder Filter, der das unerwünschte Signal beseitigt, auch Teile der gewünschten Übertragung entfernen würde. Deshalb müssen zur Beseitigung andere Techniken herangezogen werden. Andernfalls wird es wahrscheinlich eine unerwünschte Abstrahlung in der gesamten Übertragung werden. LO-Leakage beseitigen (LOL-Korrektur) Die LOL lässt sich mit einem Signal beseitigen, dessen Amplitude gleich groß ist, aber die entgegengesetzte Phasenlage hat (Bild 4). Bei bekannter Amplitude und Phase kann das Auslöschungssignal durch Anlegen eines DC-Offsets an die Transmitter-Eingänge erzeugt werden. Erzeugung des Auslöschungssignals Die komplexe Mischerarchitektur eignet sich gut zum Erzeugen des Auslöschungssignals. Da Quadratursignale bei der LO- Frequenz im Mischer vorhanden sind (sie sind ein Kernelement der komplexen Mischerfunktion) ermöglichen sie die Erzeugung eines Signals mit beliebiger Phase und Amplitude bei der LO-Frequenz. Die Quadratursignale, die den komplexen Mischer treiben, können als Sin(LO) und Cos(LO) bezeichnet werden – dies sind orthogonale Signale bei der LO- Frequenz, welche die beiden Mischer treiben. Um das Auslöschungssignal zu erzeugen, werden die orthogonalen Signale mit verschiedener Gewichtung addiert. Rechnerisch kann man ein Ausgangssignal I × Sin(LO) + Q × Cos(LO) erzeugen. Indem man unterschiedliche Signalwerte an Stelle von I und Q heranzieht, wird sich die resultierende Summe bei der LO-Frequenz befinden und kann jede gewünschte Amplitude und Phase haben. Bild 5 zeigt Beispiele. Das gewünschte Übertragungssignal muss an die Eingänge des Transmitters gelegt werden. Indem man einen DC-Bias an die Übertragungsdaten anlegt, wird der Mischerausgang sowohl das gewünschte Übertragungssignal als auch das relevante LOL- Auslöschungssignal enthalten. Das absichtlich erzeugte Auslöschungssignal überlagert sich mit dem unerwünschten LOL, und beide Signale löschen sich aus. Übrig bleibt lediglich das gewünschte Übertragungssignal. Die Transmit-LOL beobachten Die Transmit-LOL wird mithilfe eines Beobachtungs-Empfängers (Observation Receiver) beobachtet (Bild 6). In diesem Beispiel nutzt der Observation Receiver die gleiche LO wie der Transmitter. So erscheint jegliche Transmit-Energie an der LO-Frequenz als DC am Ausgang des Observation Receivers. Das Konzept in Bild 6 zeigt jedoch eine Schwäche. Durch Nutzung der gleichen LO zum Übertragen und Beobachten erscheint die Transmit-LOL als DC am Ausgang des Observa- Bild 5: Beispiele für Auslöschungssignale mit beliebiger Phase und Amplitude. Bild 6: Basiskonzepte zur Beobachtung und Korrektur von TxLO- Leakage hf-praxis 12/2017 35

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