Latest News

שיפור אותות קבלה באמצעות גיוון אנטנה תוך שימוש במספר רב של ממירי DACs בעלי מהירות גבוהה

מבוא

במערכות אלחוטיות מודרניות נעשה שימוש במספר טכניקות גיוון על מנת למקסם את תפוקת הנתונים ולשפר את אמינות השידור. טכניקות גיוון זמן, תדירות וקוד שונות משמשות לשדר אותות למספר משתמשים בו זמנית ולמקסם את כמות הנתונים המועברת. על ידי שידור בזמנים שונים, על תדרים שונים, או עם רצפים בינאריים שונים, המכונים קודי זהב (Gold codes), מיוצרים אותות שיכולים להיות מובחנים האחד מהאחר והם יכולים להתקבל ללא שגיאות. טכניקות אלה הינן טכניקות מוכרות אשר שוכללו במהלך עשרות שנות שימוש. ניתן להשתמש בטכניקות אלה גם עם גיוון אנטנות או גיוון מרחבי. גיוון אנטנות הינו שימוש במספר רב של אנטנות על מנת לשדר או לקבל אות. גיוון אנטנה פשוט משתמש בשילוב האנטנה עם הביצועים הטובים ביותר לפענוח האות. גרסאות מורכבות יותר של גיוון אנטנות כוללות מערכות MIMO (כניסות מרובות, יציאות מרובות) ויישומי Beamforming, שבהם אנטנות מרובות נפרסות על המשדר והמקלט על מנת להגדיל את הגיוון המרחבי. כאשר עושים שימוש במספר רב של אנטנות שידור ישנה חשיבות רבה לאפשר שונות תזמון בטווח picosecond בין ממירי דיגיטלי לאנלוגי (DACs) בכל אחד מהערוצים. זה דורש ממירי DACs שניתן לסנכרן אותם יחד, כך שהנתונים המועברים משודרים בו זמנית. כאשר ישנה עמידה בקריטריונים אלה, המערכת יכולה להעביר נתונים זהים על גבי מספר רב של אנטנות למקלט משותף ובכך למקסם את הסבירות של קליטת אות טובה ולמזער את הסבירות של נפילת אות ממשדר.

איור 1: מערכת עם מספר רב של LTC2000A DACs מסונכרנים

TDMA, FDMA, CDMA

מערכות תקשורת יכולות לטפל במספר רב של משתמשים באמצעות שימוש בסוג של גיוון. הגרסה הבסיסית ביותר של זה היא ריבוי גישה בחלוקת זמן (TDMA), שלמעשה כרוך בהעברת נתונים למספר רב של משתמשים בזמנים שונים. המקלט פשוט מחכה לחלון הזמן שלו ומפענח את הנתונים המתאימים. ריבוי גישה בחלוקת תדר (FDMA) פועלת באופן דומה, אך בתחום התדרים. הנתונים מועברים למשתמשים שונים בתדרים מוגדרים והמקלט מפענח רק את הנתונים בתדרים אלה. מערכות מודרניות יותר משלבות ריבוי גישה בחלוקת קוד (CDMA) במערכות אלחוטיות שבהן הנתונים המועברים מסודרים בקוד מסוים לפני העברתם. קוד זה משמש לאחר מכן במקלט על מנת לפענח את הנתונים המועברים באופן ספציפי לאותו משתמש. מאחר וטכניקות אלה מיושמות בתחומים שונים, ניתן להשתמש בהן יחד באותה מערכת על מנת להשיג גיוון מקסימלי.

טכניקות אלה שימשו כמה דורות של פרוטוקולים אלחוטיים ובכל איטרציה הם שיפרו את תפוקה הנתונים של המערכת. טכניקות אלה מתייחסות לאפקט הדעיכה הבלתי נמנע המתרחש כאשר מעבירים נתונים על פני מרחק. הדעיכה מתרחשת כאשר עוצמת האות פוחתת בשל הביטול בערוץ בו הוא מועבר. האות יעבור ללא ספק במספר נתיבים שונים בדרכו מאנטנת השידור אל המקלט. האות המשודר ישתנה בשלב על השביל אל המקלט. הבדלים אלה עשויים לבטל את האות במקלט, מה שמוביל לדעיכה. על מנת לנטרל אפקט זה ניתן להשתמש במספר רב של אנטנות שידור או קליטה. הסבירות שהביטול יתרחש בכל המקרים כאשר האות מועבר או מתקבל על גבי מספר רב של אנטנות הוא נמוך מאד. השימוש במספר רב של אנטנות מכונה גיוון אנטנות והוא יכול לשפר את תפוקת הנתונים במערכת אלחוטית.

גיוון אנטנות

ישנן מספר דרכים להטמיע גיוון אנטנות במערכת אלחוטית. גיוון אנטנה הוא אחת הדרכים להטמעת ריבוי גישה בחלוקת מרחב (SDMA), שכן המרחב שבין האנטנות משמש להבחין בין האותות. יכולות להיות אנטנות מרובות בצד המשדר ואנטנה יחידה בצד המקלט (MISO), אנטנות שידור יחידות ומספר רב של אנטנות קולטות (SIMO) או מספר רב של אנטנות שידור ואנטנות קולטות (MIMO). מערכות מבוססות MIMO מאפשרות את התוצאות הטובות ביותר במונחים של גיוון אנטנות, אך מורכבות הפענוח דורשת שימוש במשדר ומקלט מתוחכמים. בסביבה המשתנה ללא הרף, נדרש אפיון ערוצים קבוע. בנוסף, ככל שהמרחק בין המשדר למקלט גדל, כך מורכבות הערוץ בין האנטנות המשדרות והאנטנות הקולטות הופך לבלתי יציב וקשה להבחנה, מה שהופך את היתרונות של MIMO לפחות משמעותיים. מערכות עם מספר רב של אנטנות שידור ואנטנת קליטה יחידה נדירות למדי בתקשורת האלחוטית, ועושות שימוש בגיוון אנטנות על מנת לשפר את הביצועים.

איור 2: תחום תדרים המציג 16 ערוצי CDMA המיוצרים על ידי LTC2000A
עם פער ערוץ אחד.

במערכת אלחוטית MISO עם גיוון אנטנות, מספר ממירי DAC מעבירים נתונים על גבי מספר רב של אנטנות בו זמנית. משום שאנטנות שידור מאורגנות פיזית במקומות שונים, על מגדל למשל, האותות יופצו למקלט בדרכים שונות. הנתיב מאנטנת השידור לאנטנה הקולטת יהיה שונה. האות המתקבל מכל אחת מהאנטנות יהיה שונה בגלל ההשפעה המסוימת שיהיה לריבוי הנתיבים בכל אחד מהערוצים. אפיון של כל אחד מהערוצים טוני פיילוט המועברים יספק למקלט מידע רב ערך על הביצועים של כל ערוץ. ניתן להשתמש במידע זה על מנת לשנות את הנתונים הדיגיטליים לפני השידור, ובכך למקסם את הסבירות לקליטה במקלט. מכיוון שכל ערוץ מחייב שינוי ותיקון ספציפיים, נדרשים ממירי DAC נפרדים ומעבד אותות דיגיטלי (DSP) ייעודי לכל אנטנת שידור. אם ממירי DACs המשדרים אינם מיושרים באופן מושלם מבחינת הזמן, האותות המועברים יותאמו בצורה לא נכונה ורמת דיוק ה- beamforming תהיה נמוכה. המשדר לא יוכל לשמור על ערוץ יציב מנקודה לנקודה. המקלט לא יהיה מסוגל לתקן את השגיאות הללו. כדי למנוע זאת בתחום הזמן, יש צורך לסנכרן את ממירי ה- DAC, כלומר, יש להעביר את הנתונים מכל DAC בדיוק באותו הזמן. השינוי הקל ביותר מבחינת הזמנים עלול לפגום בביצועי המערכת.

סנכרון

כאשר פלט הנתונים של ממירי DACs הוא במהירויות gigahertz (GHz), קשה מאוד לסנכרן את הפלט שלהם על גבי מספר מכשירים. אם ה- DAC דוגם ב- Gsps 2.7, קוד הפלט משתנה כל ps 370. יש לתאם את שעון הדגימה ושעון הנתונים מה- FPGA לכל אחד מממירי ה- DAC המשדרים. ממיר ה- LTC2000A, 2.7Gsps, 16 bit, הופך את הסנכרון לפשוט יותר על ידי הוספת רשם פנימי שיכול לשנות את זמן האחזור של הנתונים באמצעות ה- DAC. על מנת להשתמש בתכונה זו, חוסר ההתאמה של הזמנים בין קווי הנתונים וקווי השעון לכל אחד מה- DACs חייב להיות בטווח של 0.4 מחזורים של תדר שעון הדגימה. איור 1 מציג את הניתוב האידיאלי של שני LTC2000As. אורכי העקבות של נתיבי הנתונים ונתיבי השעון לכל אחד מממירי ה- DAC צריכים להתאים ברמה של picoseconds. ניתן להשיג דיוק זה באמצעות טכניקות ניתוב דיגיטלי מתאימות. אם קריטריונים אלה מתקיימים, אז מובטח כי הנתונים יהיו בתוך טווח של מחזור אחד ממכשיר למכשיר. יש רשם פנימי בתוך LTC2000A כדי לתכנת את ההשהיה של צינור נתונים. ניתן להגדיר בנפרד רשם של כל DAC, שבסופו של דבר יתאמו את כל ממירי ה- DAC בתחום הזמן. הדבר מאפשר ביצועים מיטביים כאשר עושים שימוש בכל טכניקות הגיוון. הגדלת מספר ממירי ה- DAC המשדרים מגדיל גם את הגיוון האפשרי. היכולת לסנכרן מספר רב של ממירי DAC משפרת את גיוון האנטנות ומאפשרת מערכי אנטנות גדולים יותר.

ביצועים

ה- LTC2000A מספק גם ביצועי AC מעולים המפשרים עוד יותר את ביצועי המערכת האלחוטית. איור 2 מציג את הספקטרום של 16 ערוצי CDMA עם ערוץ פער מוסר. המתח בכל אחד מהנשאים הוא dBm36- ובערוץ הפער dBm96-. זה מראה את הטוהר הספקטרלי המצוין של ה-LTC2000A המאפשר סינון מינימלי של הפלט של LTC2000A לפני השידור, תוך פישוט רשת הפלט של ה- DAC. איור 3 מציג רשת פשוטה שניתן להשתמש בה להפעלת דרייבר פלט מה- LTC2000A. ה- LTC2000A מעדכן עד Gsps 2.7, אשר מרחיב את רוחב הפס השמיש מעבר ל- GHz 1. קצב הדגימה הגבוה מספק גם הוא רוחב פס מספיק ליישומי תקשורת תובעניים ועדיין מספק ביצועי טובים מבחינת הספקטרל והרעש.

איור 3: סכמה טיפוסית להטמעת ה- LTC2000A

צפיפות ספקטרל הרעש של LTC2000A גבוה מ- 158dBc/rHz עבור אותות עד  MHz 500, מה ששומר על יחס אות לרעש (SNR) גבוה עבור מגוון רחב של תדרים מופקים. בנוסף יש לו טווח דינמי חופשי טוב מ- dB 74 עד MHz 500, וטוב יותר מ- 65dB SFDR עבור תדרי פלט עד GHz 1. זה מאפשר הפקת אותות ללא תוכן מזויף שידרוש סינון מינימלי בלבד. עבור יישומים ה- beamforming המדויקים יותר, גירסת ה- bit 16 סיביות של LTC2000A תספק את רמת הדיוק הגבוהה ביותר. עבור יישומים בעלי ביצועים פחותים, ה- LTC2000A מגיע גם בגרסאות bit 14 ו- bit 11. ה- LTC2000A ישפר את הביצועים של כל מערכת תקשורת אלחוטית.

מסקנה

עיצובי אלחוט מודרניים דוחפים כל הזמן את גבולות הביצועים. באמצעות מספר רב של אנטנות המאפשרות גיוון אנטנות, ניתן להתגבר על הבעיה הקיימת של דעיכה בריבוי נתיבים. ה- LTC2000A הופך את היישום של שימוש במספר אנטנות אפשרי באמצעות תכונות סנכרון מובנות. הסנכרון של כל מספר של LTC2000As יכול להיעשות באופן שפוט על ידי שינוי bit ברשם הבקרה. כאשר מבצעים סנכרון למספר רב של LTC2000As ניתן להשתמש בהם ביישומי beamforming מורכבים המשלבים אנטנות בודדות או מספר רב של אנטנות. ניתן להשתמש ב- LTC2000A גם עם טכניקות גיוון אחרות, כגון זמן, תדירות או קוד. לקבלת מידע נוסף על LTC2000A, כולל קבצי עיצוב, דוגמת מתאר, תכניות הפקת אות ודוגמת קוד FPGA, היכנסו לכתובת: www.linear.com/LTC2000A.

 

קלרנס מאיוט, חברת Linear Technology Corp

תגובות סגורות