Mobilfunk

ZF-Empfänger mit hoher Dynamik vereinfacht Modemdesign

| Autor / Redakteur: Paul Hendriks * / Stefan Liebing

Bild 1: Blockdiagramm des ZF Rx Subsystems AD6676.
Bild 1: Blockdiagramm des ZF Rx Subsystems AD6676. (Bild: Analog Devices)

ZF-Empfänger-Subsysteme mit hoher Dynamik vereinfachen die Entwicklung von Punkt-zu-Punkt-Modems im Mikrowellenbereich. Sowohl ältere als auch neue ODU-Plattformen werden unterstützt.

Punkt-zu-Punkt-Verbindungen im Mikrowellenbereich sind ein integraler Bestandteil eines Mobilfunknetzwerks. Der Umstieg der Verbraucher auf Smart Devices, hat die Datenanforderungen intensiviert und vorhandene Mikrowellen-Backhaul-Geräte im Hinblick auf ihre Übertragungskapazitäten unter Druck gesetzt.

Um Kombinationen von höheren QAM-Level und Kanalbandbreite zu unterstützen, muss die Funkverbindung einen größeren Dynamikbereich aufweisen, damit die erforderliche minimale Modulationsgenauigkeit (EVM) unterstützt wird. Denn die Empfängerempfindlichkeit reduziert sich bei jeder Verdopplung der QAM-Größe oder Bandbreite um 3 dB. Da das Mikrowellenequipment flexibel bleiben muss, sind weitere Überlegungen erforderlich, damit alle möglichen Betriebsszenarien unterstützt werden. Zugleich müssen die Rx-Filterungs- und AGC-Anforderungen im Hinblick auf höhere Leistungsfähigkeit und reduzierte Kosten vereinfacht werden.

Bei voll integrierten ODUs (Outdoor Unit) werden das komplette Funkmodem und der Transceiver mit den Schalt/Multiplexer-Einheiten und der Traffic-Schnittstelle in einer nur dafür vorgesehenen Box kombiniert und auf einen Turm oder eine äquivalente Struktur außerhalb des Gebäudes montiert. Dieser Trend wird durch das CAPEX/OPEX und durch Platzvorgaben der Standorte getrieben. Traditionelle Split-Indoor- (IDU)/Outdoor-Systeme nehmen den Mikrowellen/HF-Bereich in der ODU auf. Über ein Koaxialkabel, das bis zu 300 m lang sein kann und Daten in beide Richtungen überträgt, wird das System angebunden. Ein Diplexer trennt das Rx-ZF-Signal (Mittenfrequenz 140 MHz) vom Tx -ZF-Signal (Mittenfrequenz 340 bis 400 MHz).

Bei einem Großteil des heute und in absehbarer Zukunft verkauften Mikrowellenequipments handelt es sich um das ältere „Split IDU/ODU"-System. Es wäre vorteilhaft, die Vorzüge einer Backend-Modem-Transceiver-Architektur für Design-Re-Use-Zwecke zu nutzen, damit sowohl das ältere System als auch die ODU-Plattformen der nächsten Generation unterstützt werden können.

DACs und ADCs arbeiten heute mit Datenraten über 1,5 GSample/s. Daher lassen sich QAM-Signale mit hohen Zwischenfrequenzen mit hoher Genauigkeit synthetisieren und digitalisieren. Damit werden 4096 QAM (und mehr) unterstützt. Korrekturen von Quadraturfehlern entfallen. Aufgrund des hohe Dynamikbereichs und des hohen Oversampling-Verhältnisses kann ein Großteil der Filterung im digitalen Bereich erfolgen. Dies reduziert den Filteraufwand und den digitalen Abgleich zur Fehlerkompensation.

Im Tx-Signalpfad zeichnet sich bereits ab, dass schnelle DACs die herkömmlichen zweikanaligen DAC- und IQ-Modulatorimplementierungen ersetzen, um die Breitband-QAM-Signale mit hoher EVM-Leistungsfähigkeit zu synthetisieren. Eine Tx-Kalibrierung ist dabei nicht erforderlich. Beim Rx-Signalpfad war die Verfügbarkeit von über 1,5 GSample/s schnellen ADCs bisher nicht gegeben. Dies hat sich mit dem vor kurzem vorgestellten Baustein AD6676 jedoch geändert.

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Dabei handelt es sich um ein Breitband-ZF-Rx-Subsystem (Bild 1), das auf einem Bandpass Sigma-Delta ADC basiert. Dieser unterstützt ZF-Signalbandbreiten bis 160 MHz und arbeitet mit einer internen Taktfrequenz bis zu 3,2 GHz. Durch die Oversampling-Fähigkeit des Sigma-Delta ADCs verringern sich die Anforderungen an analoge ZF-Filter, die bei ADCs mit niedrigeren Abtastraten erforderlich sind, um benachbarte Kanäle zu unterdrücken. Andernfalls würde ein Rück-Aliasing in das ZF-Signal und eine Reduzierung der Empfindlichkeit des Empfängers erfolgen.

Der Dynamikbereich des ADC mit einem NSD-Wert von –160 dBFS/Hz (für Schmalband QAM-Kanäle) reduziert die Tx-zu-Rx-Isolationsanforderungen des Diplexers oder den analogen AGC-Bereich, der "Fading" kompensiert. Der Chip beinhaltet ein digitales Dämpfungsglied mit einer Dämpfung von 27 dB und einer Auflösung von 1 dB. Dieses wird zur Kalibrierung des statischen Verstärkungsfehlers verwendet, der aufgrund von Bauteiltoleranzen und Veränderungen bei den Verlusten auf dem Koaxialkabel entsteht.

Zunächst soll untersucht werden, wie das ZF-Rx-Subsystem zusammen mit einem schnellen DAC wie dem AD9152 verwendet werden kann, um einen herkömmlichen IDU-Transceiver wesentlich zu vereinfachen und seine Leistungsfähigkeit zu erhöhen. In Bild 2 zeigen die oberen Transceiver eine direkt wandelnde (Direct Conversion) Implementierung, die typische, niedrige Rx- und Tx-Zwischenfrequenzen von 140 bzw. 400 MHz unterstützt.

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