Schaltungstipp

Flexibler ZF-/Basisbandempfänger mit umschaltbarer Frequenz

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ZF-VGAs und AGC-Schleifen

Die ZF-VGA- und AGC-Schleifenfunktionen werden mit dem ADL5336 realisiert. Dieses Bauteil verfügt über zwei kaskadierbare VGAs mit einem Dynamikbereich von jeweils 24 dB. Die maximale Verstärkung an den VGAs lässt sich digital über einen SPI-Port ändern. Um die Signalpegelabgleich-AGC-Funktion zu realisieren, hat jeder VGA einen quadratischen Detektor. Dieser ist über ein programmierbares Dämpfungselement an den Ausgang des VGA angeschlossen. Der Detektor vergleicht den Ausgang des Dämpfungselements mit einer internen Referenz von 63 mVeff.

Bei einer Differenz zwischen dem Ausgang des Dämpfungselements und der Referenz wird ein Fehlerstrom erzeugt und in einem Kondensator CAGC gespeist. Die AGC-Schleife wird geschlossen, indem man Pin DTO1/DTO2 mit Pin GAIN1/GAIN2 verbindet. Damit die AGC-Schleife einwandfrei funktioniert, wird der MODE-Pin auf Low-Potenzial gezogen. Dies bewirkt eine negative VGA-Verstärkung.

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Jeder VGA des Typs ADL5336 hat einen erlaubten Eingangsleistungsbereich, über den die AGC auf einen bestimmten Sollwert eingestellt wird. Außerhalb dieses Bereichs steigt oder sinkt der VGA-Ausgang Dezibel um Dezibel mit dem Eingang (Annahme: Der VGA ist nicht in Kompression bzw. das Signal liegt nicht im Grundrauschen).

IQ-Demodulator

Vom ADL5336 wird das Signal an den ADL5387 geleitet. Dort wird es demoduliert und die Frequenz zu einem Zero-ZF übersetzt. Das Synthesizermodell ADF4350 kann das erforderliche 2×LO-Signal an den ADL5387 liefern. Statt des ADF4350 wurde zu Testzwecken jedoch ein Signalgenerator benutzt. Der ADL5387 nutzt zwei Mischer (Double-balanced). Einen davon für den I-Kanal und den anderen für den Q-Kanal. Der LO für die Mischer wird mit einem „Divide-by-Two”-Quadratur-Phasensplitter realisiert. Dies liefert die 0°- und 90°-Signale für die I- und Q-Kanäle. Vorhanden ist eine Wandlungsverstärkung von etwa 4,5 dB, geliefert durch den ADL5387 vom HF-Eingang zu den Basisband I- und Q-Ausgängen.

Tiefpassfilter, Basisband-VGA und ADC-Treiber

Tiefpassfilterung, Basisbandverstärkung und ADC-Treiber sind im ADRF6510 enthalten. Das Signal, jetzt in seinen separaten I- und Q-Pfaden, wird an dieses Bauteil angelegt. Dort wird es zunächst vom Vorverstärker verstärkt, bevor es über ein Tiefpassfilter zur Unterdrückung unerwünschter Signale und/oder Rauschen gelangt. Danach wird das Signal vom VGA verstärkt. Jeder Kanal des ADRF6510 lässt sich in drei Stufen aufteilen:

  • Vorverstärker,
  • programmierbarer Tiefpassfilter,
  • VGA und Ausgangstreiber.

Beim Vorverstärker lässt sich die Verstärkung über den Pin GNSW vom Anwender auf 6 oder 12 dB einstellen. Der Tiefpassfilter kann über den SPI-Port in Stufen von 1 MHz für eine Eckfrequenz von 1 bis 30 MHz programmiert werden.

Der VGA hat einen Verstärkungsbereich von 50 dB mit einem Verstärkungsanstieg von 30 mV/dB. Die Verstärkung des VGA wird über den GAIN-Pin gesteuert. Sie kann sich über einen Bereich von −5 bis 45 dB erstrecken, wenn der GNSW-Pin auf „Low“ gezogen wird. Wird der GNSW-Pin auf „High“ gezogen, deckt die Verstärkung den Bereich 1 bis 51 dB ab. Der Ausgangstreiber kann 1,5 VSS differenziell in eine Last von 1 kΩ treiben; dabei bleiben ein HD2 und ein HD3 von besser als 60 dBc erhalten.

Das maximale CW-Signal, das an die Tiefpassfilter bei gleich bleibend akzeptablen HD-Pegeln im ADRF6510 angelegt werden kann, beträgt 2 VSS. In Anwendungen mit großen Störungen außerhalb des Frequenzbands, die den Eingang des ADL5387 und/oder ADRF6510 überlasten könnten, kann die Störkomponente (und das im Frequenzband gewünschte Signal) mit dem VGA-Modell ADL5336 gedämpft werden. Sobald die Störkomponente durch den Tiefpassfilter im ADRF6510 unterdrückt ist, lässt sich das erwünschte Signal mit den Filtern des ADRF6510 nachgeschalteten X-AMP VGAs verstärken. Vom ADRF6510 kann das IQ-Signal an einen geeigneten A/D-Wandler wie etwa den AD9248 angelegt werden.

Messergebnisse

Ein moduliertes Signal (4-QAM, 5 MSymbol/s) wurde an den Eingang des ADL5336 angelegt. Die Error Vector Magnitude (EVM) ist ein aussagefähiger Kennwert über die Signalverstärkung und das Rauschen eines Empfängers gegenüber empfangenen Signalen. Sie ist die Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem eines idealen Modulationsvektors, ermittelt für jedes einzelne Symbol. Der EVM-Wert dient zur Bewertung der Empfangsqualität (Bild 2).

Bild 3 zeigt die System-EVM gegenüber der Eingangsleistung zum ADL5336. Die maximalen Verstärkungen der VGA (VGA1 bzw. VGA2) sind auf 15,2 bzw. 19,5 dB eingestellt. Mehrere AGC-Sollwertkombinationen wurden getestet. Bild 4 zeigt ebenfalls die System-EVM gegenüber der Eingangsleistung zum ADL5336. Allerdings wurde hier die Verstärkung der VGA auf 9,7 bzw. 13,4 dB eingestellt. Die gleichen AGC-Sollwertkombinationen wurden getestet.

Die Bilder 3 und 4 illustrieren, wie wichtig es ist, die Signalpegel am ADRF6510 niedrig genug zu halten, damit die Eingangsstufe bzw. der Filter nicht komprimiert werden. Am höchsten der AGC-Sollwerte (500 und 707 mVeff) beginnt der Eingang des IQ-Demodulators ADL5387 zu komprimieren und führt zu einer zusätzlichen Absenkung der EVM. Die beste EVM ergibt sich, wenn die AGC-Sollwerte am niedrigsten sind (88 mVeff). Die EVM beginnt bereits bei Sollwerten von 250 mVeff zu sinken.

In Bild 5 ist die EVM zwischen den minimalen und maximalen digitalen Verstärkungseinstellungen (beide VGAs wurden auf einen Verstärkungscode von 11 oder 00 eingestellt) an den VGA ADL5336 mit VGA1- und VGA2-Setpoints von 250 bzw. 88 mVeff verglichen.

Bei den gewählten AGC-Sollwerten und bei einem maximalen Verstärkungscode von 11 erfolgt die Übergabe von VGA2 zu VGA1, nachdem VGA2 aus dem vom AGC geregeltem Verstärkungsbereich läuft. Deshalb steigt der an den ADRF6510 angelegte Signalpegel weiterhin (und senkt die EVM) und zwar so lange, bis VGA1 seinen Sollwert erreicht. Sobald VGA1 seinen eigenen Sollwert erreicht, stabilisiert sich die EVM wieder.

Deshalb ändert sich der an den ADRF6510 angelegte Signalpegel so lange nicht, bis VGA1 bei einer Eingangsleistung von etwa 5 dBm aus dem vom AGC geregeltem Verstärkungsbereich läuft. Bei einem eingestellten maximalen Verstärkungscode von 00 haben beide VGA mehr Dämpfung zur Verfügung. Dies erlaubt VGA2 seinen Dynamikbereich so zu verschieben, dass er seinen Sollwert bei einer höheren Eingangsleistung erreicht, als es der Fall wäre mit einem maximalen Verstärkungscode von 11.

Damit kann VGA2 seinen Sollwert bei höheren Eingangsleistungen halten. Dies wiederum erlaubt, dass die Umschaltung von VGA2 auf VGA1 stattfindet, bevor VGA2 keine Verstärkungsreserven mehr hat. Dies stellt sicher, dass der an den ADRF6510 angelegte Signalpegel bis zum Ende des Eingangsleistungsbereichs konstant bleibt.

Bild 6 vergleicht die EVM zwischen minimaler und maximaler digitaler Verstärkungseinstellung (bei beiden VGA wurde ein Verstärkungscode von 11 bzw. 00 eingestellt) an den ADL5336 VGA; die VGA1- und VGA2-Sollwerte betrugen 707 bzw. 88 mVeff.

Das gleiche Verhalten wie in Bild 5 veranschaulicht Bild 6. Allerdings wesentlich übertriebener. Bei einem maximalen Verstärkungscode von 00 erreicht VGA2 seinen Sollwert bei einer Eingangsleistung von etwa −40 dBm. Er behält seinen Sollwert bis etwa −10 dBm. An diesem Punkt hat VGA1 seinen Sollwert von 707 mVeff noch nicht erreicht.

VGA1 erreicht seinen Sollwert bei etwa 0 dBm und die EVM stabilisiert sich etwas. Bei einer maximalen Verstärkung von 11 tritt das gleiche Verhalten auf. Allerdings behält VGA2 seinen Sollwert nur bis etwa −20 dBm, weil mehr Verstärkung zur Verfügung steht, um die vorgegebenen Sollwerte zu erreichen.

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