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2-2019

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Bauelemente Integrierte

Bauelemente Integrierte Transceiver vereinfachen die Entwicklung von Basisstationsempfängern 3GPP (3rd Generation Partnership Project) kennt mehrere definierte Basisstationsklassen mit verschiedenen Namen. Im weitesten Sinne bieten die größten Basisstationen, auch Wide Area Base Stations (WA-BS) genannt, die größte geografische Abdeckung und unterstützen die meisten Nutzer. Außerdem liefern sie die größte Ausgangsleistung und müssen die höchste Empfängerempfindlichkeit aufweisen. Jede kleinere Basisstation benötigt weniger Ausgangsleistung und stellt geringere Anforderungen an die Empfängerempfindlichkeit. Empfänger für Mobilfunk- Basisstationen zu entwickeln, kann sich als schwierige Aufgabe erweisen. Obwohl die Eigenschaften von typischen Empfängerbestandteilen wie Mischern, rauscharmen Verstärkern (LNAs) und A/D-Wandlern im Laufe der Zeit schrittweise weiter verbessert werden konnten, haben sich die Architekturen nur unwesentlich verändert. Aufgrund der begrenzten Architekturauswahl blieb es Entwicklern von 2- bis 5-G-Basisstationen bisher verwehrt, differenzierte Produkte auf den Markt zu bringen. Jüngste Produktentwicklungen, speziell aber integrierte Transceiver, haben die bisherigen Einschränkungen selbst der schwierigsten Basisstationsentwicklungen entspannt. Dank der neuen Basisstationsarchitektur dieser Transceiver erhalten Entwickler mehr Auswahl und Möglichkeiten, um Produkte zu differenzieren. Unterstützung aller Mobilfunkstandards Die Mitglieder der im Folgenden erläuterten Familie integrierter Transceiver sind die branchenweit ersten Bauteile, die alle existierenden Mobilfunkstandards, von 2G bis 5G, unterstützen und den gesamten Sub-6-GHz- Abstimmbereich abdecken. Beim Einsatz der Transceiver können Entwickler von Mobilfunk-Basisstationen eine einzige kompakte Funkentwicklung für alle Frequenzband- und Leistungsvarianten nutzen. Zum besseren Verständnis werden zunächst mehrere Basisstationsklassen betrachtet. Die bekannte Normungsorganisation Darüber hinaus definiert die Normungsorganisation 3GPP auch verschiedene Modulationsverfahren. Vereinfacht gesagt, bietet sich eine sinnvolle Aufteilung von Modulationsverfahren in Nicht-GSM (einschließlich LTEund CDMA-Modulationsarten) und GSM-Modulation – speziell Multi-Carrier-GSM (MC- GSM) an. Von den beiden weit verbreiteten Konzepten ist GSM das anspruchsvollste hinsichtlich HF- und Analog-Leistungsdaten. Da sich Funksysteme mit höherem Durchsatz inzwischen weiter verbreitet haben, ist MC- GSM zur Norm gegenüber Single-Carrier-GSM geworden. Im Allgemeinen kann ein Front end in einer Basisstation, die MC- GSM-Performance unterstütz, auch mit Nicht-GSM-Performance umgehen. Für MC-GSM Analog Devices www.analog.com Größte geografische Abdeckung, Nutzerzahl und Ausgangsleistung sowie höchste Empfindlichkeit Geringere geografische Abdeckung, weniger Nutzer, niedrigere Ausgangsleistung und entspannte Empfindlichkeit Nicht-GSM Basisstation Macro oder Wide Area Medium Local Area oder Small Cell GSM-Basisstation Normal Micro Pico 36 hf-praxis 2/2019

Bauelemente Bild 1. Typische diskret aufgebaute Empfängersignalkette, vereinfacht geeignete Träger haben mehr Flexibilität bei Marktchancen. Herausforderungen bei der Entwicklung von Basisstationen Bisher hat man Basisstationen mit diskreten Bauteilen aufgebaut. Bei Analog Devices ist man überzeugt, dass die heute verfügbaren integrierten Transceiver viele diskrete Bauteile ersetzen können und zugleich Systemvorteile bieten. Zunächst sind jedoch die Herausforderungen bei der Entwicklung von Basisstationen zu betrachten. Die Wide-Area- oder Macrobase-Station ist seit jeher die anspruchsvollste und teuerste Empfängerentwicklung sowie das Arbeitstier für drahtlose Kommunikationsnetze. Doch was macht sie so anspruchsvoll? Mit einem Wort gesagt: die Empfindlichkeit. Ein Basisstationsempfänger muss die gewünschte Empfindlichkeit unter bestimmten Bedingungen erreichen. Die Empfindlichkeit drückt aus, wie gut ein Basisstationsempfänger ein gewünschtes schwaches Signal von Mobilgeräten demodulieren kann. Sie ist ausschlaggebend dafür, wie weit eine Basisstation maximal von einem Mobilgerät entfernt sein kann, bis die Verbindung abreißt. Es gibt zwei Bild 2. Typische Transceiver/Empfänger-Signalkette, vereinfacht Kategorien der Empfindlichkeit: Statische Empfindlichkeit ohne externe Interferenzen und Dynamische Empfindlichkeit mit Interferenzen. Im Folgenden geht es zunächst um die statische Empfindlichkeit. Im Sprachgebrauch der Ingenieure wird die Empfindlichkeit durch die Systemrauschzahl (NF) bestimmt. Eine niedrigere Rauschzahl bedeutet bessere Empfindlichkeit. Die gewünschte Empfindlichkeit lässt sich erreichen, indem man die Verstärkung erhöht, um die angestrebte Systemrauschzahl zu erzielen. Für die Verstärkung ist ein teures Bauteil, der LNA, zuständig. Mit zunehmender Verstärkung steigen die Kosten und die Leistung des LNAs. Leider erfordert die dynamische Empfindlichkeit einen Kompromiss. Dynamische Empfindlichkeit bedeutet, dass die statische Empfindlichkeit sich bei Interferenzen verschlechtern kann. Interferenzen sind alle unerwünschten Signale am Empfänger. Dazu gehören Signale außerhalb des Systems oder Signale, die der Empfänger unbeabsichtigt erzeugt, zum Beispiel Intermodulationsprodukte. Linearität in diesem Zusammenhang beschreibt, wie gut ein System mit Interferenzen umgehen kann. Bei Interferenzen verliert ein System genau die Empfindlichkeit, die so schwer zu erzielen war. Dieses Zugeständnis verschlimmert sich mit zunehmender Verstärkung, da diese normalerweise mit einer niedrigeren Linearität einhergeht. Kurz gesagt: Zu viel Verstärkung beeinträchtigt die Linearität, was eine Verschlechterung der Empfindlichkeit bei starken Interferenzen bewirkt. Drahtlose Kommunikationsnetze sind so aufgebaut, dass sich die größte Netzwerklast auf der Seite der Basisstation und nicht auf der Mobilgeräteseite befindet. Wide-Area-Basisstationen (WA- BSs) sind für eine Netzabdeckung über große Bereiche ausgelegt und erzielen eine ausgezeichnete Empfindlichkeit. Eine WA-BS muss die beste statische Empfindlichkeit aufweisen, um den Betrieb von Mobilgeräten am Zellenrand zu ermöglichen, wo das Signal der Geräte nur sehr schwach ist. Andererseits muss bei Interferenzen oder Blocking-Situationen die dynamische Empfindlichkeit einer WA-BS immer noch gut sein. Der Empfänger muss bei einem schwachen Mobilgerätesignal noch immer gute Leistungsdaten aufweisen, selbst wenn ein starkes Signal von einem Mobilgerät in der Nähe der Basisstation Interferenzen erzeugt. Bei der Signalkette in Bild 1 handelt es sich um einen vereinfachten, mit diskreten Bauteilen aufgebauten, Systemempfänger. LNA, Mischer und VGA bilden die HF-Eingangsstufe. Die HF-Eingangsstufe ist für eine Rauschzahl von 1,8 dB ausgelegt, während der A/D-Wandler eine Rauschzahl von 29 dB aufweist. Bei der Analyse des Empfängers gemäß Bild 1 wurde die ermittelte Verstärkung der HF- Eingangsstufe auf der X-Achse des Diagramms in Bild 3 aufgetragen, um die Systemempfindlichkeit zu zeigen. Integriert schlägt diskret Im Folgenden wird die in Bild 2 gezeigte, vereinfachte Transceiver-Empfangssignalkette mit dem Empfänger in Bild 1 verglichen. Man kann aus dem grundsätzlichen Aufbau ersehen, dass die Stückliste (BOM) für die Transceiver-Empfangssignalkette weniger umfangreich als die für die mit diskreten Bauteilen aufgebaute Signalkette gemäß Bild 1. Die Transceiver mit zwei Sendern und zwei Empfängern wurden auf einem Chip realisiert. Hinter der scheinbar einfachen Integration verbirgt sich die Eleganz der Empfängerentwicklung, mit der typisch eine Rauschzahl von 12 dB erreicht wird. Aus Bild 3 ist die Verstärkung der HF-Eingangsstufe gegenüber der statischen Empfindlichkeit für die in Bild 1 und 2 gezeigten Implementierungen ersichtlich. Eine WA-Base-Station arbeitet in der Region, wo die Empfindlichkeit fast die höchsten Anforderungen erfüllt. Im Gegensatz dazu arbeitet eine Small Cell dort, wo der Anstieg der Empfindlichkeitskurve am steilsten ist, während der Standard mit einer kleinen Spanne erreicht wird. Der Transceiver erreicht die gewünschte Empfindlichkeit mit einer wesentlich geringeren HF-Frontend-Verstärkung für die WA-BS und Small Cell. Wie steht es mit der dynamischen Empfindlichkeit? In der HF-Frontend-Verstärkungsregion, wo man Wide-Area-Basisstationen mit einem Transceiver hf-praxis 2/2019 37

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