Annons

Syperheterodyn eller homodynmottagare?

Marknadsutbudet av kretsar för mottagare ställer konstruktören inför frågan om vilken arkitektur han bör välja. Här gör Todd Nelson, utvecklingschef signalkedjemoduler, Linear Technology Corporation, en jämförelse mellan olika arkitekturer.

Tävlingen mellan den superheterodyna och den direktomvandlande (homodyna eller zero-IF-baserade) radioarkitekturen inleddes redan på 1930-talet.  Båda har fördelar för vissa typer av utrustning.  Superheterodynarkitekturen är populär i basstationer för mobiltelefoner och direktomvandling har vuxit inom mjukvarudefinierade radiotillämpningar såsom lokala radionät.
Den direktomvandlande hårdvarans enkla utförande ger lägre kostnad, lägre effektförbrukning och mindre kortutrymme än den superheterodyna, vilket är attraktivt för leverantörer av mobiltelefontjänster. Den enkla hårdvaran uppvägs dock av en komplex programvara för att hantera inneboende problem med DC-offset.
Den här artikeln behandlar förväntade och verkliga hårdvaruskillnader samt pekar ut ett enkelt sätt att undvika mjukvaruproblemen.

Data i överflöd
Den tsunami av data som sänds i mobiltelefonnäten är resultatet av de enorma framsteg som gjorts inom smarttelefoner, läsplattor och annan utrustning som är ansluten till internet på olika frekvensband. Detta har ökat de tekniska kraven samtidigt som leverantörerna pressats att minska kostnaderna.
Moderna basstationer antar många former—från traditionella ställ till mindre enheter som bara drar några få Watt. De kretsar som behövs för att stödja flera kanaler i basstationer med mycket litet format utnyttjar en rad olika tillvägagångssätt för integreringen. Hur viktig är då skillnaden mellan superheterodyn och direktomvandlande hårdvara med tanke på den senaste tidens utveckling?

Grundläggande arkitekturer
Enligt de flesta uppfanns den superheterodyna mottagararkitekturen 1918 av Edwin Armstrong. I denna vanliga mottagartyp blandas radiofrekvens-(RF)-signalen med en lokaloscillator-(LO)-signal för att generera en mellanfrekvens (IF) som sedan demoduleras. LO-frekvensen är förskjuten från den RF-baserade bärarfrekvensen, vilket skapar spegelbilder av signalen. IF-signalen passerar medan alla andra signaler filtreras bort.  I moderna mottagare omvandlas IF-signalen till en digital signal med hjälp av en A/D-omvandlare (ADC) och demoduleras sedan i den digitala domänen.

Fig 1. Superheterodyn mottagararkitektur.

Den direktomvandlande mottagaren utvecklades några år senare som ett alternativ till superheterodynmottagaren. Till skillnad från superheterodyner är LO-frekvensen i denna mottagare inte förskjuten från utan lika med den mottagna signalens frekvens. Den enda blandaren ersätts av två blandare, en som matas med RF- och LO-signalen (I-signal, ”in phase”) samt en som matas med RF-signalen och en kvadratur av LO-signalen (Q, ”quadrature”). Resultatet är en demodulerad utgång som digitaliseras av två A/D-omvandlare på basbandet (se fig 2). Mellanfrekvensen, IF, är med andra ord noll.

Fig 2. Direkomvandlande mottagararkitektur.

Filtreringsbehovet förenklas eftersom det enda som behövs är ett lågpassfilter – till skillnad från det bandpassfilter som  superheterodynmottagaren kräver.

Utveckling av hårdvara

Under de decennier som gått har båda arkitekturerna ständigt förbättrats.  Prestanda hos samtliga integrerade kretskomponenter fortsätter att förbättras samtidigt som de blir energisnålare och upptar mindre kortutrymme. A/D-omvandlarnas upplösning och samplingshastigheter har förbättrats för att möjliggöra signaler av bredare bandbredd och högre infrekvenser.
En tidigt uppskattad fördel med den direktomvandlande mottagaren var den enda frekvensomvandlingen till basbandet. Superheterodynmottagaren hade dittills utnyttjat flera steg för nedomvandling av frekvensen. I takt med att blandar- och filtertekniken förbättrades konsoliderades stegen till en punkt där en vanlig superheterodynmottagere endast har ett analogt  frekvensomvandlingssteg och ett digitalt nedomvandlingssteg implementerat i en digital signalprocessor.
En annan fördel med den direktomvandlande arkitekturen är lågpassfiltreringen. Den superheterodyna arkitekturen kräver ett bandpassfilter på IF. I många fall är bandpassfiltret av hög ordning eller av SAW-typ (surface acoustic wave, ytvågsfilter). SAW-filter kräver en hermetisk kapsel och är ofta ganska stora och dyra. Trots de enorma framsteg som gjorts inom SAW-filter och kapslingstekniken betraktas dock lågpassfilter fortfarande som mer attraktiva.

Senaste hårdvarujämförelse
För att försöka göra en rimlig jämförelse av kostnaden, effekten och kortutrymmet är det nödvändigt att samla ihop de komponenter som behövs för implementering av fyra mottagarkanaler i en liten basstation som passar för en signalbandbredd på 20 MHz. Varje superheterodynmottagare utnyttjar en enda blandare, en varierbar förstärkare, ett SAW-filter, ett andra IF-förstärkarsteg och en snabb AD-omvandlare. Varje direktomvandlande mottagare utnyttjar en I/Q-demodulator, två basbandsförstärkare och två snabba AD-omvandlare. Ett exempel på kortlayout utnyttjas för att jämföra det kortutrymme som beräknas behövas för dessa komponenter och den nominella effektförbrukningen beräknas helt enkelt utifrån databladens parametrar. Den direktomvandlande arkitekturen förväntas vara väsentligt bättre i båda avseendena.

Exempel på superheterodyn

För fyra kanalers superheterodynmottagare finns vanligtvis dubbla blandare i QFN-kapslar på 5×5 mm – så två dubbla behövs. Med integrerade baluntransformatorer och inbyggda matchningskomponenter för RF- och LO-ingångarna blir antalet passiva komponenter minimalt och mestadels av storleken 0201 och 0402 – dessa kommer att ignoreras i denna jämförelse eftersom de även behövs för direktomvandling.
På liknande sätt finns det dubbla digitala VGAer för lämpliga frekvensområden. Sådana dubbla VGAer finns även i 5×5 mm QFN-kapslar. Återigen behövs två för att implementera fyra kanaler.
Viss filtrering kan behövas efter blandarstegen, så några 0402 induktanser och 0201 kondensatorer är på sin plats. För att åstadkomma önskad selektivitet krävs ett SAW-bandpassfilter för superheterodynmottagare.
Det krävs ett separat SAW-filter för vardera av de fyra kanalerna. På RF-frekvenser kan SAW-filtren vara ganska små. I det vanliga IF-området från 70 MHz till 192 MHz finns det SAW-filter i 5×7 mm kapslar. SAW-filtret kommer att kräva några få matchningskomponenter även om utgången från föregående VGA och ingången från efterföljande förstärkare är 50 ohm.
Normalt behövs ytterligare ett förstärkarsteg för att kompensera för filtrets inlänkningsdämpning. Linear Technology har dock en ny quad-ADC med integrerade förstärkare i en systemkrets (SiP, System in Package), µModule-ADCn LTM9012-AB. Med sina 15×11,25 mm är den mindre än motsvarande quad-ADC med fyra separata förstärkare och tillhörande avkopplingskondensatorer samt filterkomponenter för anti-vikning (anti-aliasing).
Med en förstärkning på 20 dB uppnår LTM9012 en signal/brusförhållande (SNR) på 68,5 dB och ett spuriosfritt dynamiskt område (SFDR) på 79 dB. Förstärkarna och filtreringen inom LTM9012-AB begränsar infrekvensen till cirka 90 MHz. Därför passar en mellanfrekven på 70 MHz bra, men inte de högre mellanfrekvenser som ofta implementeras med superheterodynmottagare i basstationstillämpningar. Trots det erbjuder detta den mest kompakta implementeringen.
LTM9012 representerar ett annat integreringssätt.  µModule- eller SiP-kapslar gör att separata kretsar kan monteras tillsammans med olika passiva komponenter på ett laminatsubstrat och gjutas så att det ser ut som en vanlig BGA-(ball grid array)-baserad integrerad krets. I det fallet är A/D-omvandlaren optimerad för låg effekt och bra AC-prestanda med hjälp av en CMOS-process med liten geometri.
Förstärkarna utnyttjar en kiselgermanium-(SiGe)-process för att ge maximala prestanda. Dessa är traditionella differentialförstärkare, så förstärkningen ställs in med motstånd på 10 V/V eller 20 dB.
En verklig op-förstärkaringång förenklar matchningen genom att isolera  signalvägens högfrekventa ”spänningsspikar” vid sampling och möjliggör även att obalanserade signaler internt passar ihop med  differentiella A/D-ingångar.
Flertalet monolitiska A/D-omvandlare med buffrade ingångssteg ger ingen förstärkning alls. De är fortfarande differentiella och medger enbart isolation från felen. Lika utmärkt är det anti-vikningsfilter som begränsar det bredbandiga förstärkarbruset.
Vad gäller det sammanlagda kortutrymmet kan hela systemkonstruktionen packas mycket tätt utan att prestanda försämras eftersom samtliga kondensatorer för referens och matnings-bypass sitter inne i kapseln.  Sådana kompromisser uppstår ofta när kondensatorer för referens och matnings-bypass sitter för långt ifrån eller för nära digitala signaler som då kan störa dataomvandlingen. Substratet möjliggör slutligen en logisk bentilldelning: analoga ingångar på en sida och digital utgångar på den andra sidan av kapseln.
I exemplet finns fem aktiva komponenter, med fyra SAW-filter och 80 andra små passiva komponenter (se fig 3). Den sammanlagda kortytan är cirka 43×21 mm = 903 mm2. Eftersom inte hela den ytan utnyttjas blir den effektiva ytan ungefär 700 mm2.

Fig 3. Exempel på layout för superheterodynmottagare.

Detta är förstås på en sida av kortet och företagsspecifika konstruktionsregler kan möjliggöra en ännu kompaktare layout.
För effektberäkningar utnyttjar detta exempel LT5569 som dubbel blandare, AD8376 som den dubbla VGAn och LTM9012-AB som kombination av de andra förstärkarstegen och quad-ADCn. Blandaren är av aktiv typ, som fungerar över ett brett frekvensområde från 300 MHz till 4 GHz, så en enda kan konfigureras att fungera på vilket mobiltelefonband som helst mellan 700 MHz och 2,7 GHz. Med klassens bästa effektförbrukning har den även robusta ingångar som kan motstå kraftiga blockerande störsignaler på bandet utan väsentlig försämring av dess brustal. Den sammanlagda effektförbrukningen för de fyra kanalsystemen är 4,9 W, vilket inte inkluderar eventuell effekt som går förlorad i resistiva delare.

Exempel på direktomvandling
För fyra direktomvandlande kanaler är det enda alternativet individuella I/Q-demodulatorer, så det krävs fyra sådana i QFN-kapslar på 5×5 mm. En del, som LT5575, har integrerade RF- och LO-baluner för att minimera antalet externa komponenter. Lite filtrering är bra och förstås några små bypass-kondensatorer. För lågpassfiltret görs flera L-C och R-C sektioner. För förstärkarsteget passar återigen LTM9012-AB. Som quad stöder den bara två direktomvandlande kanaler, så det behövs ytterligare en.
I detta exempel är antalet aktiva komponenter 6 med 84 små passiva komponenter, se fig 4.

Fig 4. Exempel på layout för direktomvandlande mottagare.

Den sammanlagda arean är cirka 27×24 mm = 648 mm2. För effektberäkningar utnyttjar detta exempel I/Q-demodulatorn LT5575 och två LTM9012-AB. Den sammanlagda effektförbrukningen hos de fyra kanalerna är 5,1 W, om man inte inkluderar eventuella effektförluster i resistiva delare. A/D-omvandlaren samplar vid 125 Msps, vilket är vanligt men troligen mer än nödvändigt för 10 MHz. Vid 65 Msps skulle samma funktion kunna göras med mycket mindre effektförbrukning i A/D-omvandlaren. Om effektförbrukningen räknas om blir den nya totaleffekten 4,6 W.

Förväntning och verklighet

För inte så många år sedan utnyttjade en superheterodynmottagare flera blandare och flera SAW-filter per kanal. Och dåtidens SAW-filter kunde vara 25×9 mm. De passiva kärnblandarna krävde ytterligare förstärkarsteg för att motverka inlänkningsförlusterna. Minnet av sådant förmörkar förväntningarna på skillnaderna i hårdvarukomplexitet mellan superheterodyna och direktomvandlande mottagare. I procent räknat är den kortyta som utnyttjas för superheterodynmottagaren 39 procent större än den direktomvandlande, vilket är en väsentlig skillnad i procent men inte i millimeter räknat på ett. 39 procent av 903 mm2 är 352 mm2, vilket ungefär motsvarar ett tumavtryck. Skillnaden i effektförbrukning är inte alls stor räknat i procent.
Uppfattningen att superheterodynmottagaren blir betydligt större och mindre effektsnål beror förstås på hur stor basstationens sändtagare är.  För ett traditionell rackmonterad format spelar ett tumstort kortutrymme ingen roll. I en mycket liten basstation som får plats i handflatan tar en tumme stor plats.
Verkligheten är att integreringen fortsätter, ibland långsamt och ibland med stormsteg. Den minskade kortytan och effektförbrukningen kan gälla mer för en arkitektur än en annan. De senaste exemplen som gäller de superheterodyna är produkter som den dubbla aktiva blandaren LT5569.  Författaren känner inte till några dubbla I/Q-demodulatorer för tillämpning i basstationer för mobiltelefoner, även om de existerar för andra tillämpningar vid lägre frekvensområden.
Det senaste exemplet på integrering som gäller båda arkitekturerna är quad-ADCn LTM9012 med integrerade förstärkare. Kretsens seriella LVDS-gränssnitt gör inte bara att A/D-omvandlaen är mindre utan kan även möjliggöra att FPGAn eller den digitala signalprocessorn är mindre än hos fyra A/D-omvandlare med parallella gränssnitt. Den direktomvandlande arkitekturen kräver dock fortfarande dubbelt så många A/D-omvandlare.
I exemplet ovan antas basstationens prestandabehov vara sådant att högpresterande komponenter krävs genom hela kedjan. De produkter som används i exemplet utnyttjar optimerade halvledarprocesser såsom kiselgermanium (SiGe) eller CMOS-processer som annars inte lämpar sig för integrering med varandra – eller åtminstone inte utan försämrade prestanda.
Basstationer av viss storlek kan ha prestandabehov som möjliggör användning av högt integrerade, enkretsbaserade sändtagare, såsom femtoceller. Förbättringar av de integrerade blocken hos sådana kretsar kommer att möjliggöra att de utnyttjas i större basstationer. Och här når de två arkitekturerna en gräns: signalfiltret. Den direktomvandlande mottagaren utnyttjar ett lågpassfilter som kan implementeras i kisel.  Till dags dato har det varit mycket svårt att implementera det bandpassfilter som används i superheterodynmottagare i kisel. Detta är för tillfället ett reellt om än inte nödvändigtvis ett permanent hinder.  En dag sker kanske ett tekniskt genombrott och det blir möjligt att ha mycket selektiva bandpassfilter på kretsen. Tills dess har den direktomvandlande arkitekturen en rejäl fördel för potentiell integrering av hela mottagarkedjan när prestandan så tillåter.

Superheterodyn i basstationer

Den direktomvandlande mottagararkitekturen för basstationer för mobiltelefoni är enklare än den superheterodyna mottagararkitekturen, åtminstone i fråga om hårdvara. Nya produkter gör att flerkanaliga implementeringar av superheterodynmottagare kan bli mycket mindre än tidigare. Medan de fortfarande procentuellt sett är större måste inte den skillnaden vara av betydelse. Därför förväntas den superheterodyna att fortsätta att vara den mottagararkitektur som föredras för basstationer för mobiltelefoni.

 

Comments are closed.