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6-2017

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Bauelemente

Bauelemente Empfängerbausteine für die nächste Generation von Mikrowellen-Punkt-zu-Punkt-Modems Quelle: High Dynamic Range IF Receiver Simplifies Design of Next-Generation µW Pointto-Point Modems, by Paul Hendriks, Analog Devices Inc., 2014 frei übersetzt von FS Punkt-zu-Punkt-Links sind ein integraler Bestandteil von zellularen mobilen Netzwerken, denn sie dienen als Anbindung an den übergeordneten Netzknoten (Backhaul) – liegen also zwischen Zellenseiten (BTS/Node Bs, Basis-Transceiver-Station/ Knoten B) und den Funksteuerungen (BSC/RNCs, Base Station Controller/Radio Network Controllers, Funknetzwerk-Steuereinrichtungen) – und zwar in über 50% der globalen Einsatzfälle, wo Glasfaser-Links sich aus Kostengründen verbieten. Der neuerliche starke Anstieg im Datenaufkommen beim mobilen Netzwerkverkehr, ausgelöst durch den Wechsel hin zu Smartphones, zeigt sich beispielsweise beim Video Streaming und führte die existierenden Mikrowellen- Backhaul-Equipment-Fähigkeiten an ihre Grenzen. Als Folge davon, dass der Datenfluss auf dem Backhaul- Netzwerk mit Blick auf die Notwendigkeiten bei LTE und LTE Advanced zu skalieren ist, werden die zukünftigen Generationen von Microwave Links in Richtung folgender Ziele verändert werden müssen: • Ausgehend von der heutigen QAM256 erfolgt eine Weiterentwicklung hin zu einer digitalen Modulation höheren Grades, wie QAM4096; dies bedeutet eine Anstieg von 50% bei der Datenkapazität bei einer festen Kanalzuordnung. • Hinzu kommt die Unterstützung von Kanalzuordnungen, ausgehend von 56 MHz heute, von 112 MHz im traditionellen Bereich 6...42 GHz. Jedes Verdoppeln der Kanalbandbreite bedeutet eine proportionale Zunahme des Datendurchsatzes, wobei das Carrier-to- Noise Ratio (CNR) konstant bleibt. • Ausnutzung von Betriebstechniken wie Polarisations-Diversity, Channel Aggregation und N x N Line, dies besonders in Form von MIMO Natürlich hat das Ganze seinen Preis. Um die Kombination eines höheren QAM Levels und höherer Kanalbandbreite zu gewährleisten, muss der Mikrowellen-Link einen höheren Dynamikbereich erhalten, damit die geforderte minimale EVM-Performance (Error Vector Magnitude, Fehlwinkel) weiterhin sichergestellt ist. Dies gilt besonders, weil die Empfängerempfindlichkeit mit jeder Verdopplung bei der QAM oder Bandbreite um 3 dB reduziert wird. Weil das Mikrowellen-Equipment flexibel bleiben muss, sind zusätzliche Betrachtungen erforderlich, um alle möglichen Arbeits- und Einsatzszenarien in der Zukunft abzusichern und gleichzeitig eine einfache Filterung im Empfänger und eine einfache AGC-Fähigkeit (Automatic Gain Control, automatische Verstärkungsregelung) zu gewährleisten zwecks verbesserter Performance und Kostenreduktion. Ein weiterer Industrietrend ist die Bereitstellung von vollwertigen Outdoor Units (ODUs), in denen das gesamte Funk- Modem und der Transceiver mit den Schalt- und Multiplexing- Units und dem Traffic Interface kombiniert werden. Es entsteht eine sich selbst versorgende Box, montiert in einem Turm oder in einer äquivalenten Struktur. Dieser Trend wurde durch Capex/ Opex (Capital Expenditure/Operational Expenditure, Investitionsausgaben) auf neue Höhen getrieben, während die verbliebene Struktur auf dem alten Niveau verblieben ist. Traditionelle gesplittete Indoor (IDU)/ Outdoor (ODU) Systems versorgen die Mikrowellen/HF-Sektion in der ODU über koaxiale Kabel mit dem Rest des Systems, das über einen geeigneten Equipment-Schutz (IDU) verfügt. Die Koaxialkabel können bis zu 300 m lang sein und führen einen bidirektionalen Datenverkehr mit einem Diplexer, um das Empfänger-ZF-Signal bei 140 MHz vom Sender-ZF-Signal im Bereich 340...400 MHz zu isolieren. Während dies ein bemerkenswerter Trend ist, besteht der Hauptanteil an heute und vermutlich in den nächsten Jahren ausgeliefertem Mikrowellen- Equipment aus herkömmlichen Split-IDU/ODU-Systemen. Es wäre vorteilhaft für die Performance des Microwave Equipments, wenn es gelänge, die Backend-Modem-Transceiver- Architektur voranzubringen, indem man sich beim Design auf Mittel zurückbesinnt, die sowohl die bestehenden Systeme als auch die ODU-Plattformen der nächsten Generation unterstützen. Die vor kurzer Zeit erreichten Verbesserungen sowohl bei Highspeed DACs als auch ADCs (Sampling Rates weit über 1,5 GSPS) bedeuten die Möglichkeit, QAM-Signale auf 28 hf-praxis 6/2017

Bauelemente hohen ZFs mit herausragender Genauigkeit zu digitalisieren, um 4096 QAM und noch fortschrittlichere Verfahren zu unterstützen. Außerdem entfällt die Notwendigkeit jeglicher Quadraturfehlerkorrektur, wie sie bei der traditionellen analogen I/Q-Implementation noch unumgänglich war. Hinzu kommen ein höherer Dynamikbereich, verbunden mit einem hohen möglichen Oversampling, was es erlaubt, das Hauptaugenmerk auf die Filterung im digitalen Bereich zu legen, sodass sich die Anzahl von analogen Filtern reduziert. Im Sender haben Highspeed DACs wie AD9142 und AD9136 bereits begonnen, die traditionellen DACs und dualen I/Q-Modulatoren zu ersetzen. Dabei wird eine außergewöhnliche EVM Performance erreicht, und zwar ohne die Notwendigkeit der Senderkalibrierung. Mit dem AD6676 wurde auch im Empfängerbereich der Mangel an 1,5+ GSPS ADCs überwunden. Der AD6676 ist das erste Breitband-ZF- Empfängersubsystem, welches auf einem Bandpass Σ-Δ ADC basiert und unterstützt ZF- Signalbandbreiten bis zu 160 MHz, wobei er mit einer internen Taktrate bis zu 3,2 GHz arbeitet. Den genaueren Innenaufbau zeigt das Aufmacherbild. Es ist die hohe Oversampling- Fähigkeit des Σ-Δ ADCs, welche die Erfordernisse bei der analogen ZF-Filterung außerordentlich vereinfacht. Diese spielte eine große Rolle bei älteren ADCs, um die Signale auf Nachbarkanälen sowie Interferenzen und Blocker zu unterdrücken, wirkte sich aber negativ auf die Empfängerempfindlichkeit aus. Weiterhin ist es der hohe Dynamikbereich des modernen ADCs, der einen Rauschteppich (NSD Floor, Noise Spectral Density) von nur -160 dB FS/Hz* (für Bild 1: Vergleich der Strukturen von herkömmlichem Direct-Conversion IDU Transceiver und IDU Transceiver mit Highspeed DAC/ADC für DDS (Direct Digital Synthesis) und Digitalisierung des Txund Rx-QAM-Signals Schmalband-QAM-Kanäle) ermöglicht. Dies reduziert den Aufwand für die Diplexer-Sender-zu-Empfänger-Isolation bzw. den erforderlichen AGC- Bereich für die Kompensation von Fading. Der AD6676 besitzt auch einen digitalen 27-dB Attenuator mit 1 dB Auflösung, der zur Kalibrierung des statischen Verstärkungsfehlers infolge der Toleranzen der internen Komponenten und der Variation beim Verlust im Koaxialkabel genutzt werden kann. Nun soll untersucht werden, wie man das ZF-Empfängersubsystem AD6676 zusammen mit einem Highspeed DAC wie dem AD9136 nutzen kann, um auf unkomplizierte Weise einen traditionellen IDU Transceiver zu vereinfachen und gleichzeitig seine Performance zu verbessern. Der oben in Bild 1 angedeutete Transceiver nutzt eine Direktmisch-Implementation und unterstützt normalerweise geringe Empfänger- und Sender-ZFs von 140 bzw. 400 MHz. Die Ansprüche von Direktmisch- Transceiver-Architekturen sind gut dokumentiert, sie lassen sich mit I/Q-Balance-Kalibrierung, DC-Offset-Korrektur, abstimmbarer Basisband-I/Q-Filterung und einem durchdachten Design des Diplexers zwecks Unterdrückung von Senderstörverlusten bewältigen. Während herkömmliche IDU Transceiver maximale Kanalbandbreiten von 56 MHz und 256 QAM unterstützen, stehen heute Transceiver bereit, bei denen diese Kanalbandbreite verdoppelt und der QAM Level verachtfacht wurden, um den Herausforderungen der Direktmisch-Architektur besser begegnen zu können. Neuerliche Fortschritte bei der Highspeed- ADC/DAC-Technologie eröffnen die Möglichkeit, vom klassischen Ansatz abzugehen hin zu einem digitalen IDU, wie in Bild 1 unten skizziert. Diese Transceiver-Implementierung erfordert lediglich vier ICs, um eine nahezu perfekte Performance bei erheblich abgeschwächtem * Decibels relative to Full Scale, logarithmische Einheit mit absoluter, oft linearer Skala in einem digitalen System. Ein analoger Full-Scale-Pegelwert erzeugt den maximalen linearen Wert in der digitalen Wortbreite des A/D-Wandlers. Die dB-FS-Werte kennen jedoch für ein einzelnes Sample nur negative Werte und 0 als Vollaussteuerung. Zur Darstellung auf der dB-FS-Skala wird der digitalisierte Spannungswert umgerechnet. hf-praxis 6/2017 29

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