Patrick Wiers, Analog Devices, Inc.
ה-AD9361 הינו מעגל משולב ייחודי עבור מקמ”ש רחב סרט מתוכנת הנועד לספק גמישות שלא הייתה זמינה בעבר בפתרון משולב שבבים. לפני ה-AD9361, היו קיימים מעגלים משולבים לרדיו למטרות כלליות, בעלי עלות גבוהה והספק גבוה, או שבבים לרדיו בעלות נמוכה ליישומים ספציפיים ובעצמה נמוכה. ה-AD9361 הוא ההתקן הראשון הכולל את הגמישות המאפשרת לכסות את שני האלמנטים האלה.
ה-AD9361 מכסה טווח תדרי RF מ-70MHz ועד ל-6GHz ומטפל ברוחבי פס של ערוץ מ-200KHz ועד ל-56MHz, תוך אספקת ביצועים חסרי תקדים. ההתקן כולל נתיבי TX ו-RX כפולים שלמים מ-RF לביטים. כלולים בו שלבים בעלי ליניאריות גבוהה מאוד ושבח RF מאוד גבוה, ממירי נתונים עדכניים ביותר, כמו גם סינתיסייזרים RF משולבים לחלוטין.
אחד המפתחות לגמישות ה-RF של ה-AD9361 הוא VCO כוונון אוקטבה שמכסה טווח תדרים מ-6GHz ועד ל-12GHz. ה-VCO נועד לספק ביצועי רעש מופע טובים מאוד, המאפשרים להתקן להתאים ליישומי תקשורת RF רבים. הגנרטור למתנד המקומי עבור ההתקן נגזר על ידי עטיפת PLL סביב ה-VCO, הכלול באופן מלא, כולל רכיבי מסנן הלולאה.
שני מקלטי המרה ישירה העצמאיים הם בעלי ערך רעש וליניאריות עדכניים ביותר. כל תת-מערכת מקלט (RX) כוללת ויסות שבח אוטומטית עצמאית (AGC), תיקון היסט DC, תיקון תרבוע (quadrature), וסינון דיגיטלי, ובכך נמנע הצורך בפונקציות אלה במעבד הדיגיטלי שהיה בשימוש באותה מערכת תקשורת. נתיבי ה-RX משתמשים בממירי ADC דלתא סיגמא בזמן רציף כפול (CTSD) שמסוגלים לדגום עד MSPS. השימוש בממירי ADC CTSD בא להגמיש את דרישות פילטר ה-baseband מבוססות על היכולת אנטי-aliasing הטבועה בהם. נתיבי RX מספקים שבח מתוכנת מ-dB ועד כ-70 במהירות של עד 6GHz.
המשדרים הכפולים משתמשים בארכיטקטורת המרה ישירה אשר משיגה דיוק אפנון גבוה עם רעש אולטרה-נמוך. תכנון משדר זה יוצר את גודל וקטור שגיאת (EVM) הכי טוב מסוגו של 40dB – <, המאפשר מרווח מערכת משמעותי לבחירת PA (מגבר הספק) חיצוני. מנטר ההספק של המשדר (TX) אשר כלול ביחידה יכול לשמש כגלאי הספק, המאפשר מדידות מאוד מדויקות של הספק שידור.
בהתבסס בגמישות של הטכנולוגיה הכוללת, אופיו המתוכנת, כמו גם צריכת הספק נמוכה וגודל קטן, ה-AD9361 הוא התאמה טובה עבור יישומים רבים. להלן דוגמאות של כמה יישומים בהם הטכנולוגיה ניתנת לשימוש, ביחד עם הדגשים המראים כיצד תכונות התכנות הופכות את ה-AD9361 לפתרון אופטימלי.
תקיע Femto/USB עבור 3G/4G
המערכות הסלולריות האלחוטיות הנוכחיות של דור שלישי ורביעי (3G/4G) פועלות בתחומי תדרים שונים, מהנמוכים כגון 450MHZ ועד לגבוהים כגון 3.8GHz. מערכות אלה ניבנו למקסם את תפוקת העברת הנתונים כדי לספק את הצרכים של צרכנים צמאים להורדות מהירות יותר. סטנדרט ה- , (Long Term Evolution) גם מאפשר רוחבי פס מרובי ערוצים (1.4, 3, 5, 10, 15, ו-20MHz) ודורש רכיבי מערכת שיכולים להיות מתוכננים לאופטימום המבוסס על דרישה זו.
בהתקני תקשורת סלולרית קטנים כגון תקיעי כרטיס נתונים, מעבד ה-baseband, רכיבי ניהול צריכת הספק, ורכיבים חזיתיים RF משאירים מעט מאוד מקום ליתר רכיבי הרדיו. ה-AD9361 מאפשר יישומים כאלה בעלי פקטור צורה קטן על ידי שילוב של ממירי נתונים, מערבלים, סינון אנלוגי, סינתיסייזרים תדר גל נושא, ורכיבים אחרים בתוך שבב מונוליטי אחד.
שוק ה-femtocell גדל במהירות, וגם מציב אתגרים ייחודיים למעצבי רדיו. Femtocells בדרך כלל חייבים להשיג ביצועים גבוהים יותר מאלה של כרטיסי הנתונים, במיוחד כאשר הספק היציאה הנדרש של המשדר של ה-femtocell מתקרב ל-2 ואט לכל אנטנה. ה-AD9361 עובד בצורה חלקה עם רכיבי קדם-עיוות אנלוגיים כדי להפחית את הצמיחה המחודשת הספקטראלית שנוצרה במגבר ההספק. ההקטנה מאפשרת ל-femtocell לעמוד ביעדי תפוקת ההספק גם בעת עמידה בדרישות פליטה של 3GPP.
שני השווקים השונים בתכלית, זה של
ה-femtocell וזה של כרטיסי הנתונים דורשים פעולה בצריכת הספק נמוכה. כרטיסי הנתונים יכולים להיות מופעלים ע”י סוללות ולכן חייבים לצרוך הספק נמוך מאוד על מנת לשמור על חיי הסוללה. Femtocell יכול להיות מופעל על ידי החיבור הקווי שלו (הזנה דרך אתרנט – Power over Ethernet או PoE) ולכן חייב להישאר בתוך המגבלה של הספק שיכול להיות מועבר דרך הכבל. צריכת ההספק הנמוכה של ה-AD9361 מאפשרת לו לשרת את שני סוגי היישום.
רדיו צבאי צר סרט
מכשירי הרדיו הצבאיים דורשים לא רק את היכולת לכסות מגוון רחב מאוד של תדרי גל נושא אלא גם את היכולת לבחור קבוצה קטנה מאוד של טווח זה לצורך העיבוד. על ידי כיסוי כל מגוון תדרי גל נושא מ-70MHz ועד 6GHz, ועל-ידי אפשרות התאמת רוחב פס רציף מ-200kHz עד 56MHz, ה-AD9361 יכול בקלות להכיל מגוון רחב של דרישות תכנון תדרים.
מכשירי רדיו צבאיים באופן מסורתי הוקצו לאחוז נמוך של חיילים מכיוון שגודלם ומשקלם, כמו גם המשקל של ספק הכוח, נהיה בלתי סביר להקצות אותם לכולם בשטח. הרמה הגבוהה של אינטגרציה וצריכת ההספק הנמוכה של ה-AD9361 מאפשרות שמכשירי הרדיו יהיו מופחתים בגודל ובמשקל באופן דרמטי כך שבפעם הראשונה מתיר לאסטרטגים לחשוב מחדש איך יחולקו מכשירי הרדיו האלה.
מכשירי רדיו צבאיים המשמשים לתקשורת פשוטה מאדם לאדם, כמו גם למגוון רחב של שימושים פוטנציאליים אחרים, כאשר רובם משתמשים בצורות גל וטכניקות אפנון קנייניות. ה-AD9361 הוא אגנוסטי לצורת הגל וטכניקת האפנון ויכול להתאים למגוון רחב מאוד של שיעורי דגימה, כך שהוא יוכל להיות מתוכנן ליישומים צבאיים רבים ושונים.
רדיו רחב סרט נקודה לנקודה (Point to Point)
כמעט כל המערכות האלחוטיות דורשות איזה סוג של backhaul לשלב קישוריות בין הרכיבים הרבים במערכת. בתוך מערכות סלולריות, כאשר דבר זה מעשי, זה נעשה עם קישוריות חוטית (לדוגמה עם קווי T1) או עם חיבורי סיבים ישירים לתחנות הבסיס. אבל במקרים רבים המגדל הסלולרי עשוי להימצא במקום שבו מאוד יקר או לא מעשי להציע חיבור ישיר. במקרים אלה, פתרון נפוץ הוא להשתמש ב-backhaul אלחוטי דרך רדיו רחב סרט נקודה לנקודה. תדר העבודה של מכשירי רדיו סלולארי נקודה לנקודה טיפוסי מכסה מ-5GHz ועד
38GHz (ומעבר לזה). רוחב סרט העבודה כיום מכסה עד 56MHz כאשר היצרנים מנסים לדחוף את זה עד ל-112MHz ומעבר לכך. בנוסף, שיטות האפנון הן בסדר גודל גבוה מאוד, עם מערכות טיפוסיות המציעות 256QAM (אפנון תרבוע משרעת) ודוחפים לכיוון 512 ו-1024QAM.
כאשר תדרי העבודה נמצאים מתחת
ל-6GHz ה-AD9361 הופך פתרון משולב ביותר למערכת נקודה לנקודה על ידי תמיכה ברוחבי פס של עד 56MHz ומתן ליניאריות TXו-RX מספקת כדי לכסות 256QAM. עבור תדרי עבודה מעל 6GHz, ה-AD9361 יכול לקבל תצורה בכדי לכלול את שרשרת ה-IF (תדר ביניים) המלאה לרדיו נקודה לנקודה וכך להקטין את הגודל וההספק הכולל של המערכת.
תחנת בסיס מאקרו (Macro BTS RF) ופונקציית העזר לניטור (Monitor)
כל משתמש בטלפון סלולרי מצפה לקבל כיסוי של 100%, 24 שעות ביממה לנתונים, קול ויכולות חירום. זה מטיל עומס עצום על אמינות התשתית הסלולרית. תחנות בסיס סלולריות מאקרו של היום דורשות ניטור מתמיד כדי להבטיח פעולה תקינה וכדי לזהות מגמות של ביצועים ירודים או הזדקנות ברכיבי מערכת. כל זה מבוצע על ידי הנחת בלוקים למדידה בנקודות שונות בנתיב הנתונים המאפשרים לכידת נתונים במטרה לנתח אותם. נתוני טלמטריה שנלכדו משמשים כדי לפקח על בריאותם של BTS מאקרו ולעקוב אחר מגמות ביצועים המשמשות כדי לחזות אירועי כשל ומאפשרים תיקון לפני שהמערכת נופלת. בנוסף, נתונים אלה מאפשרים תיקון מהיר כאשר המערכת נופלת שכן הם מאתרים את אזור הכישלון.
הגמישות האדירה ויכולת הקונפיגורציה של תוכנת ה-AD9361 הופכות אותו להתאמה טבעית עבור סוגים אלה של יישומי טלמטריה. ראשית, בהתבסס על טווח התדרים הרחב של ההתקן, כל תקני ה-RF הסלולרי מכוסים. כל שינויי התדר נשלטים באמצעות הגדרות התוכנה בהתקן. בנוסף, בכל מקלט ומשדר יש תשומות/תפוקות הניתנות לתכנות (3 כל אחד) המאפשרים נקודות ניטור RF מרובות בשרשרת הסיגנל של ה-BTS מאקרו. מכיוון שה-AD9361 תוכנן תוך התחשבות במערכות (Multiple Input Multiple Output), הוא גם מכיל שני נתיבי TX ושני נתיבי RX המתאימים ליישומי טלמטריה במערכות BTS מאקרו 4G. עבור מערכות טלמטריה, פונקציות ה-TX משמשות בדרך כלל ליצירת אות המאפשר את ההזרקה של צורות גל של טון יחיד או מורכבות המאפשרות בדיקה של נתיבי אות שמנותקים באופן רגעי עבור פונקציות ניטור אלה.
פונקציות RF טיפוסיות שעשויות להיות תחת ניטור בנתיב RX ב-BTS מאקרו כוללות שלבי שבח LNA, חוסר התאמה של רכיבי האנטנה הקדמית והמסנן (עקב שינויי טמפרטורה או הזדקנות) המאפשרים כוונון בזמן אמת לביצועים אופטימליים. ה-TX יהיה דומה, ניטור שלבי שבח TX המאפשרים תיקוני הספק שוב עקב שינויי הטמפרטורה והזדקנות.
בנוסף, ה-AD9361 מכיל ADC עזר אחד ושני ממירי DAC עזר. באמצעות בקרת תכנית (SW) אלה מאפשרים ניטור/תיקון של פונקציות סטטיות רבות בתוך ה-BTS מאקרו. אלה יכללו מדידת זרמי או מתחי מקדם לשלבי ה-RF השונים (LNAs, מגברי הספק, וכו’), כמו שגם התאמה שלהם עם יציאות של DAC העזר הניתנות לתכנות. פונקציות עזר אלה גם נותנות מדידה של מקדם ספק הכוח לחלקים שונים בתוך BTS מאקרו, ושוב מאפשרות תיקון. ADC העזר ניתן לתכנת למדידת חיישן טמפרטורת הדיודה הכלולה ב-AD9361. זה יאפשר מדידות טמפרטורה יחסית בתוך מערכת ה-BTS מאקרו, מיפוי נתוני טלמטריה לא רק בתלות בזמן אלא גם שינויי טמפרטורה. ה-AD9361 מכיל גם 4 יציאות דיגיטליות למטרות כלליות (GPO) אשר ניתנים לשינוי בעזרת תכנות באמצעות באס ה-SPI הפנימי. ניתן להשתמש ב-GPO כדי למתג פנימה והחוצה מתגי ניטור שונים בשרשרת אותות של BTS מאקרו או להפעיל או לכבות אותות בדיקה שונים והכל תחת שליטת תוכנה.
לסיכום, ה-AD9361 הוא מקלט משדר בשבב יחיד גמיש מאוד עם יכולות לתכנות המאפשרות לו להתאים ליישומים שונים רבים.
פרטים ביוגרפיים של המחבר
פטריק וויארס קיבל תואר ראשון בהנדסת אלקטרוניקה מ-CALIFORNIA STATE POLYTECHNIC UNIVERSITY שבסן לואיס אוביספו, קליפורניה. הוא הצטרף לחברת ANALOG DEVICES בנובמבר 2007, וכיום עובד כמהנדס יישומים בכיר המתמחה במשדרים משולבים.
