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5-2012

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Komponenten Bild 3:

Komponenten Bild 3: Beispiel eines Layouts für einen Superhet auch beim Direktmischer erforderlich sind. Ebenso sind Zweifach-Digital-VGAs für die entsprechenden Frequenzbereiche erhältlich. Diese sind ebenso im 5 mm x 5 mm QFN-Gehäuse erhältlich - und es werden wieder zwei erforderlich, um die vier Kanäle zu implementieren. Nach den Mischstufen ist eine einfache Filterung notwendig, die mit 0402-Induktivitäten und 0201-Kondensatoren realisiert wird. Für die Selektivität werden beim Superhet SAW-Bandpassfilter erforderlich. Dabei ist für jeden der vier Kanäle ein separates SAW-Filter notwendig. Bei HF-Frequenzen sind die SAW-Filter klein, für den ZF- Bereich von 70 MHz bis 192 MHz gibt es bereits SAW-Filter im 5 mm x 7 mm Gehäuse. SAW-Filter benötigen einige Anpass-Komponenten, auch wenn der Ausgang des nachfolgenden VGA und der Eingang des nachfolgenden Verstärkers 50 Ohm haben. Normalerweise wird eine weitere Verstärkerstufe erforderlich, um die Einfügungsdämpfung der Filter auszugleichen. Es werden jedoch neuerdings Vierfach-ADCs mit integrierten Verstärkern im System in Package (SiP) geliefert, wie die LTM9012-AB µModule ADCs von Linear Technology. Mit 15 mm x 11,25 mm sind sie kleiner als äquivalente Vierfach- ADCs mit vier Differentialverstärkern und den zugehörigen Bypass-Kondensatoren und Anti-alias-Filterkomponenten. Mit seiner Verstärkung von 20 dB erzielt der LTM9012 68,5 dB Signal-Rauschverhältnis (SNR) und 79 dB Spurious-Free Dynamic Range (SFDR, verzerrungsfreien Dynamikbereich). Verstärker und Filter im LTM9012-AB begrenzen die Eingangsfrequenz auf 90 MHz. Deshalb ist eine ZF von 70 MHz möglich, aber nicht die hohen Zwischenfrequenzen, die man in den Superhets der Basisstationen finden kann. Trotzdem bietet dies die kleinste Implementation. Verschiedene Integrationsansätze Der LTM9012 repräsentiert verschiedene Integrationsansätze. µModule oder SiP-Gehäuse ermöglichen es, Chips zusammen mit verschiedenen passiven Komponenten auf einem laminierten Substrat unterzubringen, das dann umhüllt wie ein Ball Grid Array (BGA) aussieht. Dabei ist der ADC optimiert für geringe Leistungsaufnahme und beste AC-Leistung unter Verwendung einer CMOS-Technologie mit kleinen Strukturen. Der Verstärker ist zur maximalen Performance in einem Silicon-Germanium(SiGe)-Prozess hergestellt. Er ist traditional als Differenzverstärker ausgelegt, dessen Verstärkung mit Widerständen auf 10 V/V oder 20 dB eingestellt wird. Ein echter Opamp-Eingang vereinfacht die Anpassung durch die Unterdrückung der HF-Glitches vom Signalpfad, und ermöglicht die Anpassung von Single-ended- Signalen an die internen differentiellen ADC Eingänge. Die meisten monolithischen ADCs mit gepufferten Frontends haben keine Verstärkung, sind weiterhin differential und bieten nur die Beseitigung der Glitches. Gleich wirksam ist die Anti-alias- Filterung, die das Breitbandverstärkerrauschen begrenzt. Was die Gesamt-Leiterplattenfläche angeht, kann, da alle Kondensatoren (Referenz- und Bypass- Kondensatoren der Stromversorgung) im Gehäuse untergebracht sind, alles auf kleiner Fläche realisiert werden, ohne Abstriche in der Leistung. Solche Kompromisse treten oft auf, wenn Referenz- und Bypass-Kondensatoren der Stromversorgung die digitalen Signale beeinflussen, was den Datenwandlungsprozess beeinträchtigt. Außerdem ermöglicht das Substrat des LTM9012 eine logische Anschlussbelegung: analoge Eingänge auf der einen Seite und die digitalen Ausgänge auf der anderen Seite des Gehäuses. In dem genannten Beispiel beträgt die Zahl der aktiven Komponenten fünf, zusammen mit vier SAW Filtern und 80 weiteren kleinen passiven Komponenten (Bild 3). Die Gesamtfläche ist 43 mm x 21 mm = 903 mm2, und da nicht die ganze Fläche belegt ist, beträgt die effektive Fläche nur 700 mm2. Die betrifft nur eine Seite des Boards, kundenspezifische Designvorschriften können aber noch kompaktere Layouts zulassen z.B. doppelseitige Bestückung. Für die Berechnung der Leistungsaufnahme ist zu berücksichtigen, dass der LT5569 zwei Mischstufen hat, der AD8376 zwei VGAs und der LTM9012-AB die Kombination der zweiten Verstärkerstufen und eines Vierfach ADCs ist. Die Mischstufe arbeitet aktiv im breiten Frequenzbereich von 300 MHz bis 4 GHz, d.h. dieses Bauteil kann in jedem der Mobilfunkbänder von 700 MHz bis 2,7 GHz eingesetzt werden. Sie bietet geringste Leistungsaufnahme sowie robuste Eingänge und widersteht In-band-Blocking- Interferenzsignalen, ohne Herabsetzung seiner Rauschzahl. Die Gesamtleistungsaufnahme des Vierkanalsystems ist 4,9 Watt, ohne den Leistungsverbrauch der Widerstandsteiler. Beispiel: Direct Conversion Für vier Direktumsetzerkanäle sind die einzige Option die einfach I/Q-Demodulatoren, deshalb sind vier davon im 5 mm x 5 mm QFN-Gehäuse erforderlich. Einige, wie der LT5575, haben integrierte HF- und LO- Baluns, um die Anzahl der externen Komponenten zu reduzieren. Ein wenig Filterung ist von Vorteil, und natürlich sind auch einige Bypass-Kondensatoren erforderlich. Zur Tiefpassfilterung werden mehrfache LC- und RC-Kombinationen verwendet. Der LTM9012-AB ist auch für die Verstärkung zuständig, da vierfach ausgelegt unterstützt er zwei Direktumsetzerkanäle. Deshalb sind zwei notwendig. Im genannten Beispiel beträgt die Zahl der aktiven Komponenten 6, mit weiteren 84 kleinen 14 hf-praxis 5/2012

Komponenten erarchitektur weiterhin die doppelte Anzahl an ADCs. Bild 4: Beispiel eines Layouts für einen Direktmischer passiven Komponenten (Bild 4). Die Gesamtfläche ist 27 mm x 24 mm = 648 mm2. Bei der Kalkulation der Leistungsaufnahme muss in Betracht gezogen werden, dass in diesem Beispiel der LT5575 I/Q-Demodulator und zwei LTM9012-AB eingesetzt werden. Die Gesamtleistungsaufnahme der vier Kanäle ist 5,1 Watt ohne die Widerstandsteiler. Der ADC arbeitet mit einer Abtastrate von 125 MHz, das ist so üblich, aber mehr als notwendig für 10 MHz. Bei 65 Msps kann dieselbe Funktion bei wesentlich geringerer Leistungsaufnahme des ADCs ausgeführt werden. Eine Neuberechnung der Leistungsaufnahme ergibt dann für dieselbe Funktion 4,6 Watt. Wahrnehmung und Realität Noch vor nicht zu langer Zeit benötigte ein Superhet mehrere Mischstufen und mehrere SAW-Filter pro Kanal. Und ein SAW Filter maß damals 25 mm x 9 mm. Die passiven Hauptmischstufen erforderten außerdem zusätzliche Verstärkerstufen, um die Einfügungsdämpfungen auszugleichen. Diese zurückliegenden Betrachtungen führten zu einem großen Unterschied in der Hardwarekomplexität zwischen Superhet und Direktumsetzer. In Prozenten ist die Boardfläche des Superhets 39% größer im Vergleich zum Direktumsetzer. Das ist ein großer Unterschied, aber in der Realität ist die Differenz nicht so groß: 39% von 903 mm 2 ist 352 mm 2 , oder die Fläche eines Daumennagels. Der Unterschied in der Leistungsaufnahme in Prozent ist insgesamt ebenfalls nicht sehr groß. Der Eindruck eines großen Nachteils des Superhets bei Größe und Leistungsverbrauch ist aber relativ, gemessen an der Gesamtgröße eines Basisstationstransceivers. Bei der Größe eines 19"-Gestells spielt die Daumennagel größere Fläche des Boards keine Rolle. Bei einer handgroßen kleinen Basisstation aber schon. Die Realität ist, dass die Integration fortschreitet, manchmal langsam und manchmal schnell. Die Reduzierung bei Boardfläche oder Leistungsaufnahme macht sich - je nach Architektur - mehr oder weniger bemerkbar. Die gezeigten Superhet-Beispiele verwenden Produkte wie die aktive Doppelmischstufe LT5569. Der Autor kennt dagegen keine Doppel-I/Q-Demodulatoren für den Einsatz in Mobilfunkbasisstationen, obgleich solche für Applikationen in tieferen Frequenzbereichen existieren. Das gezeigte Integrationsbeispiel, das in beiden Architekturen anzutreffen ist, ist der LTM9012-Vierfach-ADC mit integrierten Verstärkern. Das serielle LVDS-Interface ermöglicht einen kleinen ADC. Aber auch Field Programmable Gate Arrays (FPGA) oder digitale Signal-Prozessoren (DSP) können kleiner sein, als vier ADCs mit parallelem Interface. Trotzdem benötigt die Direktumsetz- Schlussbemerkung Das oben diskutierte Beispiel geht von der Annahme aus, dass die Leistungsanforderungen der Mobilfunkbasisstation dermaßen sind, dass diese nur mit Hochleistungskomponenten in der gesamten Signalkette zu erfüllen sind. Die im Beispiel verwendeten Produkte verwenden optimierte Halbleiterprozesse wie Silicon Germanium (SiGe) oder Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Prozesse, die sich nicht zusammen integrieren lassen - oder zumindest nicht ohne Performance- Einbußen. Bestimmte Basisstationen haben Leistungsanforderungen, die mit hochintegrierten Single-Chip-Sendeempfängern auskommen, so z.B. solche für Femtozellen. Verbesserungen in den integrierten Blöcken dieser Chips ermöglichen aber auch den Einsatz in großen Basisstationen. Da stoßen aber beide Architekturen an ihre Grenzen: bei der Signalfilterung. Der Direktumsetzer verwendet Tiefpassfilter, die in Silizium implementiert werden können. Die Bandpassfilter, die heute in den Superhets verwendet werden, sind extrem schwierig in Silizium herzustellen. Das ist die Realität heute, aber nicht zwangsläufig eine immer bestehende Barriere. Vielleicht gibt es eines Tages einen technologischen Durchbruch und hochselektive Bandpassfilter sind on-chip möglich. Bis dorthin hat die Direktumsetzerempfängerarchitektur ihre eindeutigen Vorteile bei der potentiellen Integration des gesamten Empfängers, wenn die Performance es zulässt.◄ Die Direktumsetzer-Empfängerarchitektur für Mobilfunkbasisstationen ist einfacher als die Superhet-Empfängerarchitektur, zumindest was die Hardware angeht. Erhältliche Produkte ermöglichen kleinere Mehrkanal-Implementationen eines Superhets als je zuvor. Wenn auch prozentual größer, ist die Größendifferenz nicht sehr groß. Deshalb bleibt der Superhet weiterhin die bevorzugte Empfängerarchitektur für Mobilfunkbasisstationen. hf-praxis 5/2012 15

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