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3-2012

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HF-Praxis 3-2012

Applikation Verbesserte

Applikation Verbesserte Leistung von Multi-Mode-MIMO- Empfängern bei reduzierten Ausmaßen Hochleistungsbasisstationen für die drahtlose Kommunikation erleben gerade einen radikalen Wandel, um die hohen Kosten für den Einsatz der Netzwerktechnik der 4. Generation (4G) zu senken und damit für die Anwender akzeptabler zu machen. Da die Leistungsanforderungen auch weiterhin sehr anspruchsvoll bleiben, da die Datenraten um ein vielfaches höher sind als bei den derzeitigen Netzwerken der 3. Generation (3G), sehen sich die Entwickler einer ganzen Reihe von Herausforderungen gegenüber • Integrieren vieler MIMO- Kanäle (multiple input, multiple output) in den Funkteil Autoren: Vlad Dvorkin, Applications Engineering Manager Tom Schiltz, PFIC Section Leader Weston Sapia, RF Applicatins Engineer James Wong, Product Marketing Manager High Frequency Products Linear Technology Corporation www.linear.com • Einbauen der Einheit in kleinere Gehäuse mit geringerer Stellfläche • Den Funkteil so einfach konfigurierbar machen, dass er mit jedem Frequenzband oder Kommunikationsstandard arbeitet. Deshalb muss man die neue Generation von Basisstationen mit völlig anderen Augen betrachten als bisherigen Generationen. Die mannshohen Schränke mit der Ausrüstung, die in einer klimatisierten Kammer im Fuße eines Übertragungsmastes sitzen, werden durch kleine witterungsgeschützte Boxen ersetzt, die allgemein als RRHs (Remote Radio Heads) oder RRUs (remote Radio Units) bezeichnet werden. Diese Gehäuse haben die Ausmaße eines PCs und sind so entwickelt, dass sie an der Spitze des Übertragungsmasts montiert werden können, und damit den Witterungsverhältnissen voll ausgesetzt sind. Jede dieser Boxen ist mit vielen Funkkanälen und entsprechender Elektronik ausgestattet, besitzt aber keine Basisbandmodulation oder –demodulation. Stattdessen werden die demodulierten Signale zusammengefasst und entweder über Multi-100-Gbit/s-Glasfaserkabel oder Punkt-zu-Punkt-Mikrowellenverbindungen eingespeist und weitergeleitet. Diese Signale werden dann an eine einzelne Basisstation gesendet, die mehrere zehn Kilometer entfernt sein kann, und mehrere Zellenmasten gleichzeitig versorgt. Eine solche Basisstationsarchitektur ist einfach zu skalieren und potenziell ökonomischer einzusetzen. Ein weiterer Trend bei der neuen Generation sind Mehrfachbandgeeignete Funkstrecken die in vielen Fällen im Multimode- Betrieb arbeiten. Diese Systeme können einfach über Software konfiguriert werden und somit an die Bedürfnisse der Diensteanbieter angepasst werden, völlig unabhängig von den verwendetet Frequenzbändern oder Kommunikationsstandards. MIMO-Empfänger erweitern die Netzwerkkapazität Als wichtigstes Ziel jeder neuen Generation von Basisstationen ist es natürlich, eine höhere Datenrate zu erzielen, um die Kapazität auszuweiten. Die heutigen Netzwerke sind wegen des exponentiell steigenden Einsatzes von Smartphones und portablen/Tablet-PCs überlastet. MIMO-Sender/Empfänger helfen dabei, höhere Datenraten zu erzielen, da sie zwei oder mehr orthogonale Empfangskanäle haben, die parallel arbeiten. Ihre Datenströme werden zusammen gefasst, um die effektive Datenrate zu erhöhen. Diese Mehrfachkanäle helfen auch, drahtlose Empfänger zu verbessern, die Fading und Interferenzen auf den Mehrfachkanälen ausgesetzt sind, was in einer Leistungsminderung und in Datenverlust resultieren kann. Der Zweifach-Mischer LTC5569 von Linear Technology ist speziell dafür entwickelt, gleichzeitig zwei Datenströme zu empfangen. Dies wird erreicht, indem der LO jedes Mischers von einem gemeinsamen Eingang versorgt wird und deshalb die Phasenkohärenz der beiden Kanäle beibehalten wird. Obwohl es möglich ist, dies auch mit zwei separaten Mischern zu erreichen, bietet das Integrieren der beiden Mischer auf einem monolithischen Chip einen deutlich besseren und konstanteren Abgleich (Anpassung) von Baustein zu Baustein. Ein solcher Zweifach-Mischer liefert eine deutlich höhere Signalintegrität, da er mit zwei physikalisch separaten Antennen oder Trägerelementen (patch elements) verbunden werden kann. Deshalb wird ein hoher Grad an Raumdiversität erreicht. Die internen unabhängigen LO-Buffer der beiden Mischer liefern eine hervorragende galvanische Trennung zwischen den beiden Kanälen, um die Verknüpfung von zwei oder mehr Datenströmen miteinander in einen einzigen mit wesentlich höherer Datenrate zu unterstützen. Eine smarte Antenne kann in einer MIMO-Implementierung zur Strahlablenkung des Signals in die gleiche Richtung ihres Empfangs, eingesetzt werden. Um dies zu erreichen müssen zwei oder mehr Empfangskanäle den Winkel des einfallenden Signals messen. Dies macht die Beibehaltung der Phasenbeziehung des LO zwischen den beiden Kanälen zur Notwendigkeit. Gesteigerte Bandbreite ermöglicht den Multimode-Betrieb Die Erwartung an die drahtlose 4G-Kommunikation ist nicht nur eine deutlich höhere Datenrate, als bei der heutigen 3G-Kommunikation, sondern auch eine wesentlich höhere Bandbreite. Dies ermöglicht den Multimode-Betrieb. Die Hersteller von drahtlosen Kommunikationsausrüstungen steigern die Bandbreiten von 40 MHz auf 65 MHz und in einigen Fällen sogar auf 75 MHz. Dies ist 22 hf-praxis 3/2012

keine einfache Aufgabe, da die Anforderungen an die Flachheit des Verstärkungsfrequenzgangs sehr streng sind. Bild 1 zeigt eine Applikationsschaltung mit einem Zweifachmischer LTC5569 als Uplink- Empfänger, der in einem LTE- TDD-Band von 2496 MHz bis 2690 MHz arbeitet. Man beachte die Einfachheit der Schaltung, die nur wenige externe Komponenten benötigt. In dieser Anwendung ist es erforderlich, dass die ZF-Ausgänge des LTC5569 einen Frequenzbereich zwischen 195 MHz und 235 MHz abdecken. Die ZF-Ausgänge sind auf die beste Rückflussdämpfung bei höheren ZF-Ausgangsfrequenzen optimiert, um die Flachheit des Frequenzgangs der ZF-Ausgänge zu verbessern. Die gemessene Rückflussdämpfung am ZF-Ausgang beträgt 20 dB bei 25 MHz und 14 dB bei 195 MHz. Dies resultiert in einer ± - 0,3 dB Welligkeit des Frequenzgangs der ZF-Ausgangs über die gesamte Bandbreite des ZF-Ausgangs von 40 MHz. Der differenzielle ZF-Ausgang verwendet Pull-up-Spulen mit 120 nH (Die 0603HP-Serie von Coilcraft mit 2% Toleranz) und einen Impedanzwandler mit einem Verhältnis 8:1 für den ZF-Ausgang (TC8-1+ von Mini- Circuits). Dieser Abgleich des Ausgangs bietet eine unsymmetrische Ausgangsimpedanz von 50 Ohm für die nächste Stufe. Die 120-nH-Pull-up-Spule, die parallel zu den ZF-Ausgangskondensatoren (1,3 pF differenziell) des LTC5569 liegt und weitere parasitäre Effekte, formen ein einpoliges Bandpassfilter mit großer Bandbreite an den ZF-Ausgängen. Jeder ZF-Ausgangspin leitet 28 mA DC-Strom von Vcc. Der gesamte ZF-DC- Strom von 56 mA wird aufgeteilt zwischen der Sekundärwicklung des TC8-1-ZF-Trafos und den beiden 120-nH-ZF-Ausgangsspulen. Die Verbindung zwischen den beiden Pull-up-Spulen und dem Mittelabgriff des TC8- 1-Trafos benötigt eine gute AC- Masse. Diese Masse wird durch die beiden 10-nF-Bypass-Kondensatoren hergestellt. Der Abgleich des LO-Ports ist optimiert für eine Low-Side- Einspeisung von 2281 MHz bis 2475 MHz. Die gemessene Leistung für einen HF-Eingangs-Sweep von 2496 MHz bis 2690 MHz beträgt: Konversionsgewinn (Verstärkung): 1,5 dB ± 0,3 dB OIP3: + 26,0 dBm bis 27,2 dBm Die gleiche Leistung wurde auch mit einem ZF-Ausgangs- Sweep von 195 MHz bis 235 MHz gemessen. Die Größe zählt in MIMO-RRU-Designs Wenn man viele Empfängerkanäle in immer kleinere Gehäuse packt, wird der Platzbedarf zum entscheidenden Faktor. Ein 4 mm x 4 mm großes QFN-Gehäuse, wie das des LTC5569, enthält üblicherweise nur einen Mischer. Nun enthält es zwei davon, was die Packungsdichte verdoppelt. Jeder HF-Eingang und der gemeinsame LO-Eingang haben auf dem Chip integrierte Balun- Trafos, so dass für diese Ports keine externen Trafos nötig sind. Es ist wichtig anzumerken, dass ein typischer Trafo häufig so viel PC-Boardfläche belegt, wie das Bauteil selbst. Wenn zwei oder mehr Kanäle (Beispiel: vier Kanäle oder acht Kanäle) verwendet werden, steigt der scheinbar unbedeutende Flächenbedarf häufig so sehr, das er nicht mehr handhabbar ist. Es ist wert anzumerken, dass die auf dem Chip aufgebauten Balun-Transformatoren einzigartige Vorteile bieten. Da ihre Muster, Dicke der Metallleitungen und die dielektrischen Eigenschaften als Teil des Halbleiterfertigungsprozesses gut kontrolliert werden können, produzieren sie ein konstantes Impedanzverhalten, das verglichen mit diskreten, mechanisch gewickelten Trafos nicht mehr abge- hf-praxis 3/2012 23 PicoScope ® Range PC OSCILLOSCOPES High end features as standard: Advanced digital triggers, Persistence display modes, Mask limit testing, Serial decoding YE AR PicoScope 3425 PicoScope 4000 Series PicoScope 4262 4 (differential inputs) 5 MHz Bandwidth 20 MS/s Sampling 12 bits Resolution (16 bits enhanced) 512 kS Buffer memory Price from £975 08 ¤1179 Pic2 or 4 Channels 20 to 100 MHz Bandwidth 80 to 250 MS/s Sampling 12 bits Resolution (16 bits enhanced) 32 MS Buffer memory Price from £499 3 ¤604 P2 External trigger + Low distortion AWG Channels 5 MHz Bandwidth 10 MS/s Sampling 16 bits Resolution 16 MS Buffer memory Price from £749 35 ¤906 PicoScope 5200 Series PicoScope 6400 Series PicoScope 9200 Series 2 + External trigger and AWG 250 MHz Bandwidth 1 GS/s Sampling 8 bits Resolution (12 bits enhanced) 32 to 128 MS Buffer memory Price from £1195 72 ¤1446 UPDATED 2011 4 + External trigger and AWG 350 to 500 MHz Bandwidth 5 GS/s Sampling 8 bits Resolution (12 bits enhanced) 32 to 1 GS Buffer memory Price from £2995 42 ¤3624 NEW P2 Channels 12 GHz Bandwidth 5 TS/s (equivalent) Sampling 16 bits Resolution 4 kS Buffer memory Price from £5995 92 ¤7254 FOR THE FULL PRODUCT RANGE VISIT www.picotech.com/PS148

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