Hace muchos años que se usan los convertidores de datos de alta velocidad en aplicaciones de comunicación, y podemos encontrarlos en gran parte de los equipos que constituyen la base de nuestro mundo conectado: desde las estaciones de base telefónica celular hasta los equipos integrales por cable, los radares y los sistemas de comunicación especializados.
Los avances tecnológicos más recientes han permitido que las velocidades de reloj en los convertidores de datos de alta velocidad pasen a frecuencias cada vez más altas. Junto con la interfaz de alta velocidad en serie JESD204B, que posibilita la transferencia y administración prácticas de datos de salida, estos convertidores de datos de velocidad de reloj más alta constituyen una nueva clase de convertidor, llamado convertidor de datos de radiofrecuencia (RF, por sus siglas en inglés) . Pueden capturar o sintetizar directamente señales de RF sin una conversión convencional ascendente o descendente con una cadena de radio análoga.
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Este artículo se centrará en una nueva familia de productos convertidores de RF digital a análoga (RF DAC), el AD9162 y el AD9164, y su capacidad de ampliar la definición del radio definido por software (SDR, por sus siglas en inglés). El AD9164 ofrece un nuevo nivel de rendimiento a la clase RF DAC y permite que los diseños de radio convencionales sean más eficientes que con las generaciones anteriores de clases de RF o de DAC de clase IF. La combinación del mejor rendimiento del mundo y un conjunto completo de características hacen que el AD9164 sea la elección natural para cambiar el contexto de la radio de un sistema al otro, para así acercarnos más a la realidad de una radio verdaderamente definida por software.
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Introducción
Los equipos de radio convencionales han usado convertidores de datos de alta velocidad y moduladores de cuadratura como algunos de los principales componentes de los enlaces de comunicación inalámbrica o por cable. Las arquitecturas de conversión directa, heterodinas y superheterodinas comparten la misma necesidad de contar con convertidores de datos en el transmisor y el receptor para cruzar el límite del procesamiento digital a las señales análogas del mundo real y viceversa. Con la tecnología de filtros y la tecnología amplificadora de energía, las mejoras en la tecnología de los convertidores de datos marcan el ritmo de los avances en el diseño de radios.
La Figura 1 muestra un transmisor de radio clásico implementado con un grupo de DAC de alta velocidad de banda base. La banda base digital se envía a través de dos convertidores de datos de alta velocidad sincronizados con datos en fase que pasan por el I DAC y datos de cuadratura que pasan por el Q DAC. Las salidas de los DAC se envían a un modulador de cuadratura. Según el tipo de modulador, su salida puede estar en una frecuencia baja intermedia de 200 a 400 MHz, una frecuencia IF más alta de 500 MHz a 1 GHz, o incluso una frecuencia RF en el rango de 1 a 5 GHz. El diagrama muestra una conversión ascendente de una eventual frecuencia final. La señal resultante se filtra con un filtro de paso de banda y luego se envía a través de un amplificador de energía y otro filtro de paso de banda que puede ser parte de un duplexor, por ejemplo. 
Figura 1. Ilustración de un transmisor superheterodino clásico que usa convertidores de datos de alta velocidad
El ancho de banda instantáneo que se transmite usualmente con dicha arquitectura tiene entre decenas y varios cientos de MHz, limitados principalmente por el convertidor, el amplificador de energía y los anchos de banda de filtros. A veces no es suficiente para algunos sistemas, como las nuevas radios de redireccionamiento de microondas de banda electrónica que necesitan canales de audio de 500 MHz, 1 GHz o incluso 2 GHz. Si se considerase usar una radio de banda múltiple, como las que se implementan en las estaciones de base de infraestructura inalámbrica, quizá sea necesario contar con un espacio amplio de 500 MHz o 700 MHz o incluso 1 GHz para cubrir algunas combinaciones de banda. Una radio convencional lo solucionaría si se implementasen dos radios, una para cada banda. Quizá convenga más combinar radios en una cadena de radios, ya sea por el costo, el tamaño o cualquier otro factor. En este caso hace falta un nuevo enfoque.
Activar la tecnología
El foco del desarrollo de la tecnología para los convertidores de datos de alta velocidad hace tiempo es aumentar la velocidad de la conversión de datos mientras se mantiene un factor de mérito de rendimiento consistente. El factor de mérito incluye elementos como la densidad espectral de ruido (NSD, por sus siglas en inglés) y el rango dinámico libre de espurios (SFDR, por sus siglas en inglés). También es importante la distorsión de intermodulación (IMD, por sus siglas en inglés), tanto con las señales de tono único como con las señales moduladas, como las de los sistemas de comunicación inalámbrica populares como GSM y 3G (WCDMA) y 4G (OFDM), y las aplicaciones de cable donde se usa 256-QAM.
Las mayores velocidades de conversión de datos ofrecen varias ventajas al diseñador de radios. Primero, la imagen de la señal sube en frecuencia, lo cual simplifica el diseño del filtro de reconstrucción análogo y lo vuelve más realizable. Además, las mayores velocidades de actualización crean zonas de primer Nyquist más amplias, que a su vez permiten que el convertidor sintetice directamente las frecuencias de salida más altas. Cuando la señal sintetizada directamente es lo suficientemente alta, se puede eliminar de la radio una etapa entera de traslación de frecuencia análoga o conversión ascendente y, de este modo, se simplifica la planificación de frecuencia y se reduce el consumo de energía y el tamaño de la radio. Una mayor velocidad de actualización también aumenta la cantidad de ancho de banda disponible para difundir el ruido de cuantificación del convertidor de datos, y así brinda “ganancia de procesamiento” a la densidad espectral de ruido del transmisor.
Con el avance de la tecnología de procesamiento de CMOS, se ha vuelto común la adición de procesamiento de señales a los convertidores de datos. Los conjuntos de características agregadas de los NCO e interpoladores en los DAC eliminan del FPGA o el ASIC la carga y el consumo energético de implementar dichas características y permite que los DAC operen a velocidades de transferencia de datos más bajas que las que normalmente harían falta. Las velocidades de datos más bajas reducen el consumo energético general en el sistema, y en algunos casos facilitan que el chip digital, donde la velocidad del tejido puede ir de los 300 a los 400 MHz, le siga el ritmo al convertidor. Al tener NCO en los chips, es posible realizar la primera traslación de frecuencia en una radio en el dominio digital, de manera que es común encontrar frecuencias intermedias en los cientos de MHz en las radios de hoy, posibilitadas por los NCO y los interpoladores en los convertidores de datos.
Procesamiento de señales DAC RF
Lo que cambió en relación a los convertidores de datos de RF es la última velocidad de actualización bajo la cual el convertidor de RF puede operar, además del agregado de procesamiento de señales que puede, a su vez, manipular dichas velocidades. Esta poderosa combinación de configuración y velocidad de características da lugar a cambios drásticos al diseño arquitectónico de radio y abre el camino hacia nuevas posibilidades de radios reconfigurables y definidas por software. 
Figura 2. Diagrama de bloques de la familia AD9162 y AD9164 de DAC RF
Un buen ejemplo de esto son las series AD9162 y AD9164 de DAC RF. En la figura 2, se muestra un diagrama de bloques AD9162 y AD9164. Por su parte, AD9162 es un DAC RF de 6 GSPS y 16 bits, con varias opciones de interpolación, desde el modo de derivación 1x hasta la interpolación 24x. Los interpoladores operan en un ancho de banda clásico de 80 % o en uno más amplio de 90 %, para lograr un ancho de banda de señal más instantáneo a una potencia levemente más alta. La ruta de acceso a los datos tiene un interpolador final de media banda, FIR85, que se muestra como el bloque “HB 2x” antes de NCO en la figura 2, lo que efectivamente duplica la velocidad de actualización del DAC hasta 12 GSPS, desplaza aún más las imágenes y facilita los requisitos de filtración. El interpolador optativo FIR85 está seguido de un oscilador controlado numéricamente (NCO, por sus siglas en inglés) de 48 bits, que funciona tanto a la velocidad de actualización de 6 GSPS como a la de 12 GSPS, cuando FIR85 está habilitado. Después del NCO, sigue un filtro de compensación x/sinx que corrige la caída de sinx/x del DAC mediante la enfatización previa de la entrada del núcleo del DAC.
El núcleo del DAC esta diseñado con la arquitectura patentada de conmutador Quad de Analog Devices[i], que ofrece un rango dinámico libre de espurios (SFDR) y una densidad espectral de ruido (NSD) superiores que producen el rango más dinámico de la industria; además, proporciona las opciones familiares de decodificadores DAC que habilita Quad Switch: el modo sin retorno a cero (NRZ, por sus siglas en inglés), el modo retorno a cero (RZ, por sus siglas en inglés) y el modo mezcla™. El FIR85 agrega una nueva característica al decodificador DAC denominada “modo 2xNRZ”, que se describirá más adelante con mayor detalle.
Por otro lado, AD9164 tiene las características básicas del AD9162 con el agregado de una función de síntesis digital directa (DDS, por sus siglas en inglés) bajo la forma de un motor de NCO de salto rápido de frecuencia (FFH, por sus siglas en inglés). El NCO de FFH tiene varias características únicas que lo vuelven atractivo para los mercados, como la instrumentación de prueba de alta velocidad, el reemplazo del oscilador local, comunicaciones por radio seguras y excitadores de radar. El motor del NCO FFH se implementa con treinta y dos NCO de 32 bits, cada uno con su propio acumulador de fase y un bloque de selección que habilita el salto rápido de frecuencia.
El AD9162 incluye dos productos derivados que se destinan a mercados específicos. AD9161 es un DAC RF de 11 bits y 6 GSPS con una interpolación mínima de 2x. Tanto el SFDR como la NSD del AD9161 son aptos para cabeceras de cables y aplicaciones remotas de PHY y cumplen con las especificaciones DOCSIS 3.0. El ancho de banda de señal reducida y el rango dinámico descartan los requisitos para la licencia de exportación del AD9161. Por su parte, AD9163 es un DAC RF de 16 bits y 6 GSPS incluye una interpolación mínima de 6x y retiene todo el rango dinámico del producto principal, AD9162. Todo el rango dinámico del dispositivo y su ancho de banda instantáneo de 1 GHz, más el NCO de rango total, hacen que el dispositivo sea apto para estaciones básicas de infraestructura inalámbrica de banda doble o simple, además de sistemas de microondas de punto a punto en las bandas tradicionales, mientras que brinda el beneficio de no requerir una licencia de exportación. En la tabla 1 se resume la familia de productos y las características clave.
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Tabla 1. Resumen de familia de AD9162 y AD9164 de características de DAC RF de 6 GSPS y mercados objetivos.
Aspectos destacados de la ruta de acceso a los datos digitales
Los datos se transmiten a AD9162 y AD9164 mediante una interfaz, JESD204B, de 8 canales y 12,5 GBPS. La interfaz en serie de alta velocidad simplifica la complejidad del diseño de placa mediante la reducción de la cantidad de cables necesarios para conectar el dispositivo de banda base digital con el DAC. En la hoja de datos se detallan las instrucciones para la operación de la interfaz y en el sitio web de Analog Devices se brinda una guía completa para la interfaz JESD204B.
El primer interpolador en la ruta de acceso a los datos de AD9162 y AD9164 es una banda media de 2x o un filtro de tercera banda de 3x. Ambos filtros tienen un ancho de banda de señal seleccionable de 80 o 90 %. Ambos incluyen 85 dB o más de eliminación de banda de detención. Los filtros de 90 % operan bajo una potencia superior debido a su característica más marcada de desconexión y, por lo tanto, a su mayor número de tomas. Los filtros restantes de banda media de 2x funcionan a un ancho de banda de 90 % para dar cabida a cualquiera de los primeros interpoladores. Además, FIR85 funciona a un ancho de banda de 90 %. Dado que los filtros subsiguientes se encuentran mucho más abajo en la línea de interpolación, pueden funcionar a un ancho de banda de 90 % con un aumento de potencia casi imperceptible.
FIR85, que aplica el modo 2xNRZ cuando está habilitado, se implementa de manera diferente desde los otros filtros del interpolador. Se aprovecha de la arquitectura del conmutador Quad del DAC y emplea los flancos ascendentes y descendentes del reloj del DAC para probar los datos. Este método de muestreo comprueba los datos nuevos de cada flanco del reloj, por lo que actúa para duplicar la velocidad de muestreo del DAC hasta 12 GSPS. Esto impulsa la imagen de la señal a 2xfDAC - fOUT de fDAC - fOUT, por lo que facilita aún más el filtrado de las imágenes con filtros analógicos más factibles. El método de muestreo e interpolación sensibiliza más la salida del DAC al equilibrio del reloj, pero la entrada a dicho reloj se puede regular para lograr un mejor rendimiento. Los encargados de realizar estos ajustes son los registradores de programación, a través de la interfaz periférica en serie (SPI, por sus siglas en inglés). En la hoja de datos se brindan los detalles.
El NCO de 48 bits es un oscilador de cuadratura completa que permite el cambio de frecuencia sin imágenes de la señal de entrada de datos o de la síntesis digital directa de un tono único. El NCO tiene dos modos seleccionables de operación: cambio de frecuencia de fases continuo o discontinuo. En el cambio continuo de fases, se actualiza la palabra binaria de sintonía (FTW, por sus siglas en inglés), pero no se resetea el acumulador de fase, lo que origina un cambio continuo de frecuencia en la fase. En el modo discontinuo de fase, se resetea el acumulador de fase cuando se actualiza la FTW. Se garantiza la interfaz periférica en serie (SPI) a 100 MHz para habilitar la actualización rápida de la FTW.
El AD9164 agrega una importante característica al NCO: el NCO con salto rápido de frecuencia (FFH NCO). El NCO FFH se implementa con un adicional de treintaiún NCO de 32 bits, cada uno con su propio acumulador de fase. Cada NCO cuenta con su propia FTW, de manera que se puede programar un total de treintaidós FTW de NCO en el dispositivo. Se brinda un registro seleccionado de FTW para que una escritura única de bytes de registro de SPI logre un salto a una frecuencia nueva con la precisión de 32 bits. Con la SPI de 100 MHz, se puede elegir una FTW nueva en 240 ns, con la escritura única de bytes.
El NCO FFH tiene un modo extra de salto de frecuencia de fase coherente que lo vuelve atractivo para aplicaciones militares y de instrumentación. El salto de frecuencia coherente es importante para probar las aplicaciones, incluidas las de radar, que deben rastrear la fase de una señal de excitador para su uso posterior. Dicho salto permite el cambio de una frecuencia a otra y el retorno a la frecuencia original sin perder el rastro de la acumulación de fase de dicha frecuencia. En otras palabras, permite el cambio de una frecuencia a otra y el regreso a la original, por lo que parece que la frecuencia nunca cambió.
Aplicaciones y rendimiento medido
Las características de procesamiento de señales y una alta velocidad de muestreo de AD9162 y AD9164 dan lugar a la simplificación de la arquitectura de radio en la figura 1. En la figura 3, se muestra el diagrama actualizado. Dado que el convertidor de datos de RF sintetiza directamente las señales a la frecuencia de salida esperada, ya no existe la necesidad de un modulador de cuadratura o un mezclador elevador. La señal se crea en el procesador digital y se reproduce simplemente fuera del convertidor de datos de RF. De esta manera, se reduce ampliamente la cantidad de hardware que se necesita para implementar el transmisor. Además, es más fácil de implementar la radio, sin necesidad de calibrar las entradas de LO y DAC a un modulador de cuadratura para eliminar la fuga de LO y la imagen no deseada, porque se implementa el modulador digitalmente dentro del convertidor de datos de RF.
Figura 3. Arquitectura del transmisor de radio implementada con un convertidor de datos de RF
Este tipo de arquitectura, que incluye solamente un filtro de paso bajo analógico para filtrar la imagen del convertidor de datos, da lugar a posibles radios reconfigurables o definidas por el software. Se puede usar la misma pieza digital, el convertidor de datos de RF, y el filtro de paso bajo de reconstrucción solamente con un amplificador de potencia y un cambio de filtro de paso de banda para implementar una cantidad de radios diferentes. La figura 4 muestra un ejemplo de una salida de transmisor de banda doble de estación de base inalámbrica de cinco portadores WCDMA de 5 MHz a 1800 MHz y tres portadores WCDMA de 5 MHz a 2100 MHz. La figura 5 muestra un ejemplo de salida de transmisor de cabecera de cable compatible de portadores 256-QAM de 1946 MHz de ancho en el espectro de 50 MHz - 1,2 GHz de DOCSIS 3.1. La figura 6 presenta un ejemplo de tiempo de permanencia del salto rápido de frecuencia de 260 ns, con 240 ns de programación de registros (escritura única de bytes) y 20 ns de tiempo de salto. La figura 7 indica el excelente rendimiento de ruido de fase de AD9164, con una compensación superior a los -125 dBc/Hz a 10 kHz cuando se ejecuta desde un oscilador de cristal ovenizado de 4 GHz y una onda sinusoidal sintetizadora de 3.9 GHz.
Figura 4. Señal WCDMA de banda doble bajo bandas de 1,8 y 2,1 GHz
Figura 5. Señales de 1946 MHz 256-QAM en la banda de frecuencia de DOCSIS 3.1 (50 MHz – 1,2 GHz)
Figura 6. Rendimiento del salto rápido de frecuencia de AD9164: tiempo de permanencia de 260 ns por salto.
Figura 7. Rendimiento de ruido de fase agregado de AD9164. Fuente de señal del reloj de DAC: oscilador de cristal ovenizado de 4 GHz hasta compensación de 600 kHz; luego, el generador de señales supera la compensación de 600 kHz.
Conclusiones
Los convertidores de datos de RF simplifican los diseños arquitectónicos de la radio y reducen su tamaño a partir de la eliminación de varios componentes de la cadena de señales de la radio. AD9162 y AD9164 combinan un excitante conjunto de características con un rendimiento superior de RF en un convertidor de datos de RF que aborda un amplio rango de aplicaciones para transmisores de radio, lo que demuestra la realidad de una radio verdaderamente definida por software, más cercana que nunca.
[i] Números de patentes de EE. UU.: 6.842.132 y 7.796.971