Schaltungstipp Flexibler ZF-/Basisbandempfänger mit umschaltbarer Frequenz

Autor / Redakteur: Joel Dobler * / Kristin Rinortner

Dieser Schaltungstipp stellt einen flexiblen IQ-Demodulator-basierten ZF-/Basisbandempfänger mit variabler ZF- und Basisbandverstärkung und programmierbarem Basisbandfilter vor.

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Bild 1: Vereinfachtes Blockschaltbild des „Direct-Conversion”-Empfängers
Bild 1: Vereinfachtes Blockschaltbild des „Direct-Conversion”-Empfängers
(Bild: ADI)

Dieser Schaltungstipp beschreibt einen flexiblen ZF/Basisband-Empfänger mit umschaltbarer Frequenz. Auf ZF- und Basisbandseite erfolgt die Einstellung des Signalpegels mit variabler Verstärkung. Der Basisband-ADC-Treiber ADRF6510 enthält auch einen programmierbaren Tiefpassfilter, der Störsignale sowie Rauschen bei Frequenzen außerhalb des gewünschten Kanals eliminiert.

Die Bandbreite des Filters ist mit sich ändernder Bandbreite des Eingangssignals dynamisch einstellbar. Dies stellt sicher, dass der verfügbare Dynamikbereich des von dieser Schaltung getriebenen A/D-Wandlers komplett genutzt wird.

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Kernstück der Schaltung ist ein IQ-Demodulator. Die auf 2x LO basierende Phasensplitterarchitektur des ADL5387 ermöglicht den Betrieb über einen großen Frequenzbereich. Eine präzise Quadratursymmetrie und geringe Ausgangs-DC-Offsets stellen sicher, dass sich die EVM (Error Vector Magnitude) nur minimal reduziert.

Die Schnittstellen aller Komponenten in dieser Schaltung sind komplett differenziell ausgeführt. Wo DC-Kopplung zwischen Stufen benötigt wird, sind die Biaspegel der benachbarten Stufen zueinander kompatibel.

Schaltungsbeschreibung: Empfänger-Architektur

In der folgenden Schaltungsbeschreibung wird eine Architektur mit direkter Wandlung (Direct Conversion) für einen Empfänger präsentiert. Direct-Conversion-Funksysteme führen gegenüber einem Überlagerungs- oder Superheterodyne-Empfänger für mehrere Frequenzübersetzungen lediglich eine Frequenzübersetzung aus. Dies bietet folgende Vorteile:

  • Empfängerkomplexität und Anzahl der erforderlichen Stufen werden reduziert. Außerdem werden die Leistung erhöht und der Energieverbrauch gesenkt.
  • Probleme bezüglich Spiegelunterdrückung (Image Rejection) und unerwünschte Mischerprodukte werden vermieden. Ein Tiefpassfilter (LPF) im Basisband ist alles, was benötigt wird.
  • Hohe Trennschärfe (Adjacent-Channel Rejection Ratio, ACRR).

Bild 1 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild des Systems. Dieses besteht aus kaskadierten ZF-VGAs (Variable Gain Amplifier) mit integrierter automatischer Verstärkungssteuerung (AGC). Nachgeschaltet sind ein Quadratur-Demodulator und programmierbare Tiefpassfilter mit variabler Basisbandverstärkung. Die ausgegrauten Komponenten in Bild 1 (ADF4350 und AD9248) sind wegen der besseren Veranschaulichung dargestellt (bei den Messungen auf Systemebene waren sie nicht vorhanden).

Idealerweise sollten der Eingang der ersten und der Ausgang der letzten Stufe den Dynamikbereich des Systems (Signal/Rausch-Verhältnis) festlegen. In der Praxis ist dies jedoch nicht immer der Fall. Ein kaskadierter VGA vor dem Quadratur-Demodulator erhöht die Verstärkung des Systems. Außerdem hilft er bei der Reduzierung des Systemrauschens, falls die Rauschzahl des VGA weniger als die des Quadratur-Demodulators beträgt und falls der VGA noch über Verstärkungsreserven verfügt und Signale noch nicht dämpft. Die Rauschzahlen der nachfolgenden Stufen werden durch die Verstärkung des ersten VGA dividiert.

Ein weiterer Vorteil beim Einsatz eines VGA gegenüber einem Verstärker mit fester Verstärkung ist, dass eine AGC-Schleife implementiert werden kann, um das am Quadratur-Demodulator ankommende Signal auszugleichen. Diese Möglichkeit ist wichtig, um die Signalpegel am Quadratur-Demodulator und allen nachfolgenden Stufen zu begrenzen.

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.

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.

Häufige Varianten: System und Synthesizer

Der Signalgenerator, der den 2×LO für den ADL5387 zur Verfügung stellt, kann durch einen Breitbandsynthesizer wie den ADF4350 ersetzt werden. Dieser verfügt über einen integrierten VCO. Der ADF4350 gehört zu einer Familie von Synthesizern, die über einen Frequenzbereich von 135 bis 4.350 MHz arbeiten. Die Bauteile sind mit unterschiedlichem Phasenrauschen und Ausgangsleitungen verfügbar. Dies vereinfacht die Auswahl des für die jeweilige Anwendung am besten geeigneten Modells.

System und A/D-Wandler

Die Erweiterung des Systems um einen A/D-Wandler zum Abtasten der I- und Q-Signale des ADRF6510 komplettiert die analoge Signalkette. Ein Zweifach-ADC wie der AD9248 bietet eine Auflösung von 14 Bit und wird mit Abtastraten von 20, 40 oder 65 MSample/s angeboten. Ein Antialiasing-Filter zwischen dem Ausgang des ADRF6510 und dem AD9248 wird empfohlen.

Überlegungen zur ausgangsseitigen Gleichtaktspannung

Die ausgangsseitige Gleichtaktspannung des ADRF6510 ist ohne Verlust der Treiberfähigkeit von 1,5 bis 3,0 V einstellbar. Viele moderne A/D-Wandler arbeiten mit eingangsseitigen Gleichtaktspannungen unter 1,5 V. Treibt man den VOCM-Pin auf eine ausgangsseitige Gleichtaktspannung unter 1,5 V steigt die Verzerrung des ADRF6510. Die Funktionsfähigkeit bleibt aber bei Gleichtaktspannungspegeln bis unter 1,5 V erhalten. Damit die Verzerrungsleistung erhalten bleibt, kann eine Schaltung zur DC-Pegelanpassung oder ein Baustein mit integriertem Filter und VGA mit niedrigerer Gleichtaktspannung, etwa der ADRF6516, eingesetzt werden.

Schaltungsevaluierung und Test

Verwendetes Equipment

Signalgeneratoren: Agilent E4438C Vektor-Signalgenerator, Agilent E4438C Signalgenerator.

Als Basisband-Signalerfassungsgerät dient das Oszilloskop DSO90604A von Agilent.

Zur EVM-Berechnung dienen: Agilent 89600 VSA-Software, PC mit Windows XP, über USB-Kabel mit dem Oszilloskop verbunden.

Die Stromversorgung umfasst: ±5-V-Stromversorgung. Alle Boards benötigen +5 V mit Ausnahme des AD8130 Boards, dieses benötigt ±5 V.

Die Evaluation-Boards: ADL5336-EVALZ (ein Board erforderlich), ADL5387-EVALZ (ein Board erforderlich), ADRF6510-EVALZ (ein Board erforderlich), AD8130-EBZ (zwei Boards erforderlich)

Der Einstieg

Um die Bauteile ADL5336 und ADRF6510 zu nutzen ist eine Evaluation-Software erforderlich. Die Software befindet sich auf den jeweiligen Webseiten unter dem Link „Tools, Software, & Simulations Models“.

Nach dem Download und der Installation der Software verbindet man die USB-Kabel mit dem PC und den Evaluation-Boards. Jetzt wird die Software gestartet.

Bild 7 zeigt das Blockschaltbild des Testaufbaus, der zum Testen der Empfangskette verwendet wurde. Das Evaluation-Board ADL5336 hat nur massebezogene Ein- und Ausgänge. Das gleiche gilt für den HF-Eingang am ADL5387. Der HF-Ausgangsschnittstelle am Vektor-Signalgenerator ist nur massebezogen. Deshalb ist ein Balun (Balanced-Unbalanced) zwischen Signalgenerator und dem Eingang des ADL5336 erforderlich. Aus Bild 7 ist ersichtlich, dass der Rest des Signalpfads bis zu den Differenzverstärkern AD8130 differenziell ist. Die Wandlung differenziell/massebezogen war erforderlich, weil das Oszilloskop bei der Steuerung über die VSA-Software nur das Abtasten von massebezogenen Signalen ermöglicht.

Aufbau und Test

Im ersten Schritt des Empfängertests werden alle Geräte eingeschaltet. Während sich das Testequipment langsam aufwärmt, müssen die Boards richtig konfiguriert werden, damit sie optimal in der Signalkette funktionieren. Beim ADL5336 ist sicherzustellen, dass die 0-Ω-Jumper-Widerstände, die den Ausgang von VGA1 mit dem Eingang von VGA2 verbinden, vorhanden sind. Am Board ADL5387 umgeht man die ausgangsseitigen Baluns für komplett differenzielle DC-gekoppelte Signalpfade zwischen ADL5387 und ADRF6510. Am Board ADRF6510 macht man folgendes:

  • Bypass von Ein- und Ausgangs-Baluns.
  • Platzieren von differenziellen Ausgangslasten mit 1 kΩ an den Ausgangssignalleitungen (zwei 500-Ω-Widerstände auf Masse an jedem Ausgangspfad ist ausreichend).
  • Ersetzen der Kondensatoren COFS durch 1-μF-Kondensatoren.

An den Evaluation-Boards werden nun alle Signalpfade (Bild 7) verbunden. Jetzt werden alle Boards an +5 V und die beiden AD8130 Boards an −5 V angeschlossen. Es ist sicherzustellen, dass der Strom der Versorgungsspannung dem entspricht, was erwartet wird. Die in Bild 7 gezeigten Verbindungen sind vorzunehmen:

  • Verbinden des massebezogenen 50-Ω-Ausgangs des Vektor-Signalgenerators an INPUT1 des Evaluation-Boards ADL5336.
  • Anschluss des I-Signalpfadausgangs des AD8130 an Input 1 des Oszilloskops sowie Verbinden des Q-Signalpfadausgangs des AD8130 mit Input 3 des Oszilloskops.
  • PC und Oszilloskop mit dem USB-Kabel verbinden.
  • Verbinden des HF-Ausgangs des Signalgenerators mit dem LO-Eingang des Evaluation-Boards ADL5387.

Am Signalgenerator E4438C von Agilent ist folgendes zu machen:

  • Einstellen der Frequenz auf 400 MHz.
  • Einstellen der Amplitude auf 0 dBm.
  • Einschalten des HF-Ausgangs.

Am Vektor-Signalgenerator E4438C von Agilent ist folgendes zu machen:

  • Einstellen der HF-Trägerfrequenz auf 200 MHz.
  • Einstellen der Amplitude auf −30 dBm.
  • Einschalten des HF-Ausgangs.
  • Einschalten des „Custom ARB“ im Signalgenerator.
  • Einstellen des Signals auf 4-QAM, Symbolrate auf 5 MSymbols/s und Pulsformungsfilter-Alpha auf 0,35.

Am PC die VSA-Software Agilent 89600 starten. An der VSA-Software folgendes machen:

  • Einschalten des digitalen Demodulators.
  • Einstellen des Eingangs auf die I+ jQ Option.
  • Einstellen der Frequenz auf 0 Hz, Symbolrate auf 5 MSymbol/s und Alpha auf 0,35.

Die Signalmetriken am Vektor-Signalgenerator müssen zu den Metriken an der VSA-Software passen. Beim Starten der Software sollten die Fenster IQ Constellation und Spectrum dargestellt werden. Das Einblenden des Info-Fensters an der VSA-Software geschieht wie folgt:

  • 1. Auf Display klicken.
  • 2. Auf Layout klicken.
  • 3. Grid 2×2 wählen.

Gemäß Vorgabe sollten die anderen beiden Fenster, die erscheinen, eine Error-Vector-über-der-Zeit-Darstellung und das Info-Fenster „Syms/Errs“ sein. Falls dies nicht der Fall ist, macht man folgendes:

  • 1. Doppelklick auf den Titel eines Fensters.
  • 2. Auswahl von „Syms/Errs“ im Fenster, das erscheint.

Das Fenster „Syms/Errs“ präsentiert mehrere Ergebnisse inklusive EVM. Die Software sollte auf das Signal fixiert werden und eine EVM-Zahl ausgeben.

AGC-Sollwert, maximale Verstärkung und Filterbandbreite können über die jeweilige Steuerungssoftware für die Bauteile eingestellt werden. Die Leistungssteuerung am Eingang des ADL5336 kann über einen Leistungsdurchlauf am Vektor-Signalanalysator erfolgen. Bei diesem Aufbau zum Test des Empfängers wurde ein Durchlauf von −80 bis auf fast 16 dBm durchgeführt. Die Verstärkung am ADRF6510 war stets so eingestellt, dass ein differenzieller Ausgangspegel von 1,5 VSS erreicht wurde (angenommen es war ausreichend Verstärkung vorhanden, um dies zu erreichen). In einigen Fällen, nämlich bei sehr kleinen Signalpegeln, verfügte der ADRF6510 nicht über genügend Verstärkung, um den differenziellen Pegel von 1,5 VSS zu erreichen.

* * Joel Dobler arbeitet als Applikationsingenieur in der RFG Gruppe von Analog Devices in Beaverton, USA.

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