I convertitori di dati ad alta velocità sono stati utilizzati per molti anni nelle applicazioni di comunicazione e li si possono trovare in molte delle apparecchiature che costituiscono la base del nostro mondo connesso, dalle stazioni base di telefoni cellulari a dispositivi testa di rete via cavo al radar e ai sistemi di comunicazione specializzati.
I recenti progressi tecnologici hanno consentito velocità di clock sui convertitori di dati ad alta velocità per passare a frequenze sempre più alte. Insieme all'interfaccia seriale ad alta velocità JESD204B che consente la gestione pratica e il trasferimento dei dati di output, questi convertitori di dati con velocità di clock più elevata formano una nuova classe di convertitori detta convertitori di dati RF (per la radiofrequenza) . Sono in grado di sintetizzare direttamente o acquisire segnali RF senza conversione ascendente o discendente tradizionale con una catena radio analogica.
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Questo articolo verte su una nuova famiglia di convertitori RF da digitale ad analogico (RF DAC), l'AD9162 e il AD9164 e sulla loro capacità di ampliare la definizione di una radio definita dal software (SDR). L'AD9164 porta un nuovo livello di prestazioni alla classe RF DAC e consente di rendere i progetti radio tradizionali più efficienti delle precedenti generazioni di DAC di classe RF o IF. La combinazione delle prestazioni migliori al mondo e un ricco elenco di caratteristiche fa dell'AD9164 una scelta naturale per l'ambito della commutazione della radio da un sistema a un altro e compiere un passo in direzione della realizzazione di una vera radio definita dal software.
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Introduzione
Le apparecchiature radio tradizionali hanno impiegato convertitori di dati ad alta velocità insieme a modulatori di quadratura come alcuni dei principali blocchi che costituiscono un collegamento di comunicazione cablato o wireless. Le classiche eterodine, supereterodine e architetture di conversione diretta condividono l'esigenza comune di convertitori di dati nel trasmettitore e nel ricevitore per attraversare i confini dall'elaborazione digitale ai segnali analogici del mondo reale e viceversa. Insieme ai miglioramenti nella tecnologia dei filtri e nella tecnologia degli amplificatori radio, quelli nella tecnologia dei convertitori di dati segnano il passo per i progressi nella progettazione radio.
In figura 1 è mostrato un classico trasmettitore radio implementato con un set di DAC ad alta velocità di banda base. I dati di banda base digitali sono inviati attraverso due convertitori di dati ad alta velocità sincronizzati, con dati in fase che passano attraverso i DAC e dati di quadratura che passano attraverso i Q DAC. Gli output dei DAC vengono inviati a un modulatore di quadratura. In base al tipo di modulatore, il suo output può essere una frequenza intermedia bassa come 200-400 MHz, una frequenza IF superiore compresa tra 500 MHz e 1 GHz o persino una frequenza RF nella gamma 1-5 GHz. Il diagramma mostra una conseguente conversione ascendente a una frequenza finale conclusiva. Il segnale risultante viene filtrato con un filtro passa-banda e poi inviato attraverso un amplificatore di potenza e un altro filtro passa-banda che può far parte di un duplexer, ad esempio. 
Figura 1. Illustrazione di un classico trasmettitore supereterodina che impiega convertitori di dati ad alta velocità
L'ampiezza di banda istantanea tipicamente trasmessa con una simile architettura va da decine ad alcune centinaia di MHz, limitata principalmente dal convertitore, dall'amplificatore di potenza e dalle ampiezze di banda del filtro. Ciò non è sufficiente per alcuni sistemi, come le nuove radio backhaul a microonde E-band che richiedono canali radio di 500 MHz, 1 GHz o persino 2 GHz. Se si considera una radio multi-banda, come potrebbe essere implementata in una stazione base ad infrastruttura wireless, può essere necessario un passo dell'ampiezza di 500 MHz o 700 MHz o persino 1 GHz per coprire alcune combinazioni di banda. Una radio tradizionale risolverebbe la questione implementando due radio, una per ogni banda. Può essere preferibile combinare le radio in una catena radio, per un fattore di costo, dimensione o altro. In questo caso è necessario un nuovo approccio.
Soluzioni tecnologiche
L'attenzione degli sviluppi tecnologici nei convertitori di dati ad alta velocità è stata per lungo tempo concentrata sull'elevare sempre più la velocità della conversione di dati continuando a mantenere una costante cifra di merito in termini di prestazioni. La cifra di merito include elementi come densità spettrale del rumore (NSD) e campo di variazione dinamico privo di componenti spurie (SFDR). È importante anche la distorsione di intermodulazione (IMD), entrambi con segnali a singolo tono oltre a segnali modulati, come quelli presenti in popolari sistemi di comunicazione wireless come GSM e 3G (WCDMA) e 4G (OFDM) e nelle applicazioni via cavo in cui si utilizza 256-QAM.
Velocità superiori di conversione dei dati comportano numerosi vantaggi ai progettisti radio. Innanzitutto, l'immagine del segnale viene portata a una frequenza più elevata, semplificando e rendendo più realizzabile il progetto del filtro di ricostruzione analogica. Inoltre, velocità di aggiornamento superiori creano zone Nyquist iniziali più ampie, che a loro volta consentono al convertitore di sintetizzare direttamente frequenze in uscita superiori. Quando il segnale sintetizzato direttamente è sufficientemente alto, un'intera fase di traduzione di frequenza analogica, o conversione ascendente, può essere rimossa dalla radio, semplificando la pianificazione delle frequenze e riducendo il consumo energetico e le dimensioni della radio. Velocità di aggiornamento superiori aumentano anche la quantità di ampiezza di banda disponibile per diffondere il rumore di quantizzazione del convertitore di dati, consentendo un "aumento di elaborazione", alla densità di spettro del rumore del trasmettitore.
Man mano che è progredita la tecnologia di processo CMOS, l'aggiunta di elaborazione del segnale ai convertitori di dati è diventata comune. I set di caratteristiche aggiunti di NCO e interpolatori nei DAC riduce il carico e il consumo energetico legati all'implementazione di tali caratteristiche in FPGA o ASIC, e consente ai DAC di funzionare a velocità di trasferimento dei dati inferiori rispetto a quanto sarebbe necessario altrimenti. I rate dati inferiori riducono il consumo energetico complessivo nel sistema e, in alcuni casi, permettono al chip digitale, su cui la velocità del tessuto può variare tra 300 MHz e 400 MHz, di tenere il ritmo del convertitore. Gli NCO sul chip consentono la prima traduzione della frequenza in una radio nel dominio digitale e, quindi, nelle radio attuali è comune trovare frequenze intermedie di centinaia di MHz, consentite da NCO e interpolatori sui convertitori di dati.
DAC RF di elaborazione dei segnali
Ciò che è cambiato nei convertitori di dati RF è l'aggiornamento massimo al quale il convertitore RF è in grado di funzionare e l'aggiunta di elaborazione del segnale in grado anche di trattare tali velocità. Tale potente combinazione di insieme di caratteristiche e velocità può consentire notevoli cambiamenti nella progettazione dell'architettura radio e apre nuove possibilità per radio riconfigurabili e definite via software. 
Figura 2. Diagramma a blocchi della famiglia di DAC RF AD9162 e AD9164
Un buon esempio di questo sono le serie di DAC RF AD9162 e AD9164. Un diagramma a blocchi di AD9162 e AD9164 è mostrato in Figura 2. L'AD9162 è un DAC RF a 16 bit, 6 GSPS con numerose opzioni di interpolazione, dalla modalità di bypass 1x fino all'interpolazione 24x. Gli interpolatori funzionano su una ampiezza di banda classica all'80% o un'ampiezza maggiore al 90% per un'ampiezza di banda del segnale più istantanea a una potenza leggermente superiore. Il datapath ha anche un interpolatore a mezza banda finale, FIR85, mostrato come blocco “HB 2x” prima dell'NCO in Figura 2, che raddoppia efficacemente la velocità di aggiornamento del DAC fino a 12 GSPS, allontanando le immagini e semplificando i requisiti di filtro. L'FIR85 opzionale è seguito da un oscillatore controllato numericamente (NCO) a 48 bit che funziona sia alla velocità di aggiornamento di 6 GSPS che 12 GSPS quando è attivato FIR85. Dopo l'NCO si trova un filtro di compensazione x/sinx che corregge il roll-off sinx/x del DAC sottolineando l'input al core DAC.
Il DAC è progettato con l'architettura interruttore brevettata Quad di Analog Devices[i], fornendo un campo di variazione dinamico privo di componenti spurie (SFDR) e una densità spettrale del rumore (NSD), che comporta la migliore gamma dinamica del settore, fornendo al tempo stesso le comuni opzioni del decoder DAC consentite dal Quad Switch: modalità non-return-to-zero (NRZ), modalità return-to-zero (RZ) e Mix-mode™. FIR85 aggiunge anche una nuova caratteristica al decoder DAC chiamato modalità 2xNRZ, che sarà descritto più avanti in maniera più dettagliata.
L'AD9164 dispone delle caratteristiche base dell'AD9162 e aggiunge una funzione di sintesi digitale diretta (DDS) in forma di motore NCO a rapidi salti di frequenza (FFH). L'NCO FFH dispone di numerose caratteristiche uniche che lo rendono più interessante per mercati come quello della strumentazione per test di velocità, sostituzione di oscillatori locali, comunicazioni radio sicure ed eccitatori radio. Il motore NCO FFH è implementato con trentadue NCO a 32-bit, ognuno con il proprio accumulatore di fase a un blocco di selezione che consente il salto di frequenza rapido.
AD9162 dispone di due prodotti derivati destinati a mercati specifici. L'AD9161 è un DAC RF a 11-bit, 6 GSPS che ha un minimo di interpolazione 2x. SFDR ed NSD di AD9161 sono adatti per applicazioni testa di rete via cavo e applicazioni PHY remote e soddisfano le specifiche DOCSIS 3.0. La ridotta ampiezza di banda e la gamma dinamica eliminano i requisiti di licenza di esportazione per l'AD9161. L'AD9163 è un DAC RF a 16-bit, 6 GSPS che ha un'interpolazione minima 6x e conserva la gamma dinamica completa del prodotto principale AD9162. La gamma dinamica completa del dispositivo e la sua ampiezza di banda istantanea di 1 GHz più l'NCO a gamma completa rendono il dispositivo adatto per le stazioni base di infrastrutture wireless a banda singola o doppia, oltre a sistemi a microonde point-to-point nelle bande tradizionali, avendo inoltre il beneficio di non richiedere una licenza di esportazione. La tabella 1 riepiloga le caratteristiche chiave della famiglia di prodotti.
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Tabella 1. Riepilogo delle caratteristiche e dei mercati target delle famiglie AD9162 e AD9164 di DAC RF 6 GSPS.
Caratteristiche dei datapath digitali
I dati vengono trasmessi a AD9162 e AD9164 da un'interfaccia JESD204B a 8 canali, 12,5 GBPS. Questa interfaccia seriale ad alta velocità riduce la complessità del layout del circuito riducendo il numero di cavi per collegare il dispositivo di banda base digitale al DAC. Una guida dettagliata al funzionamento dell'interfaccia è fornita nella scheda dati e una guida completa all'interfaccia JESD204B è fornita sul sito Web di Analog Devices.
Il primo interpolatore nel datapath AD9162 e AD9164 è o un filtro a mezza banda 2x o uno a un terzo di banda 3x. Entrambi questi filtri dispongono di un'ampiezza di banda del segnale dell'80% o 90%. Entrambi i filtri sono caratterizzati da rifiuto di banda di arresto di 85 dB o superiore. I filtri al 90 % funzionano a una potenza superiore grazie alle loro caratteristiche di cut-off e quindi a un numero di prese superiore. I restanti filtri a mezza banda 2x funzionano tutti con ampiezza di banda al 90 % per accogliere tutti i primi interpolatori. L'FIR85 funziona anche all'ampiezza di banda del 90 %. Poiché tutti i filtri successivi si trovano oltre nella linea di interpolazione, possono funzionare sull'ampiezza di banda al 90% con un aumento di potenza quasi irrilevante.
L'FIR85, che implementa la modalità 2xNRZ quando è attivato, viene implementato in modo diverso dagli altri filtri di interpolazione. Trae beneficio dall'architettura interruttore Quad del DAC e utilizza il fronte di salita e di rilascio del clock del DAC per campionare i dati. Il metodo di campionamento campiona ogni fronte di nuovi dati del clock e quindi agisce per raddoppiare la velocità di campionamento del DAC fino a 12 GSPS. Ciò spinge l'immagine del segnale a 2xfDAC - fOUT da fDAC - fOUT, semplificando l'azione di filtro delle immagini con filtri analogici più realizzabili. Questo metodo di campionamento e di interpolazione rende l'uscita DAC più sensibile all'equilibrio del clock, ma si possono applicare regolazioni all'ingresso del clock DAC per sintonizzare e ottenere prestazioni migliori. Queste regolazioni vengono effettuate programmando le registrazioni mediante l'interfaccia periferica seriale (SPI). Informazioni dettagliate sono fornite nella scheda dati.
L'NCO a 48 bit è un NCO a quadratura completa che consente lo spostamento della frequenza senza immagini del segnale d'ingresso dei dati o la sintesi digitale diretta di un singolo tono. L'NCO ha due modalità di esercizio selezionabili, spostamento della frequenza di fase continuo o discontinuo. Nello spostamento continuo di fase, la parola di regolazione della frequenza (FTW) è aggiornata ma l'accumulatore di fase non viene reimpostato, con conseguente modifica della frequenza in fase continua. In modalità di fase discontinua, l'accumulatore di fase viene reimpostato quando è aggiornata la FTW. L'interfaccia periferica seriale (SPI) è garantita a 100 MHz per consentire l'aggiornamento rapido della FTW.
L'AD9164 aggiunge una caratteristica importante all'NCO: l'NCO a salto di frequenza rapido (FFH NCO). Il motore NCO FFH è implementato con trentun NCO a 32-bit aggiuntivi, ognuno con il proprio accumulatore di fase. Ogni NCO ha la propria FTW, quindi nel dispositivo possono essere programmati in totale trentadue NCO FTW. Viene fornita una registrazione della selezione FTW in modo tale che un singolo byte di registrazione SPI possa realizzare un salto a una nuova frequenza con accuratezza a 32 bit. Con l'SPI a 100 MHz, ciò significa che un nuovo FTW può essere scelto in 240 ns, con il singolo byte scritto.
L'NCO FFH dispone di un'ulteriore modalità di salto di frequenza con coerenza di fase che lo rende interessante per la strumentazione e le applicazioni militari. Il salto di frequenza con coerenza di fase è importante per le applicazioni di test e le applicazioni radar che esigono il monitoraggio della fase di un segnale di eccitazione da utilizzare in seguito. Il salto di frequenza con coerenza di fase consente di cambiare da una frequenza all'altra e tornare indietro nuovamente all'originale, senza perdere di vista l'accumulo di fase della frequenza originale. Detto in altro modo, consente di passare da una frequenza all'altra e viceversa e apparire come se la frequenza non fosse mai stata cambiata.
Applicazioni e prestazioni della misurazione
Le caratteristiche di elaborazione del segnale e l'elevata velocità di campionamento di AD9162 e AD9164 consentono una semplificazione dell'architettura radio in Figura 1. Il disegno aggiornato è mostrato in Figura 3. Poiché il convertitore di dati RF può sintetizzare direttamente i segnali alla frequenza in uscita desiderata, non è più necessario un modulatore di quadratura o un mixer di conversione ascendente. Il segnale è creato nel processore digitale e semplicemente riprodotto al di fuori del convertitore di dati RF. La quantità di hardware necessaria ad implementare il trasmettitore è quindi fortemente ridotta. Inoltre, l'implementazione della radio risulta più semplice, senza l'esigenza di calibrare gli ingressi LO e DAC su un modulatore di quadratura per sopprimere la perdita LO e l'immagine indesiderata, poiché il modulatore è implementato digitalmente all'interno del convertitore di dati RF.
Figura 3. Architettura di trasmettitore radio implementata con un convertitore di dati RF
Questo tipo di architettura, con un solo filtro passabasso analogico per filtrare l'immagine del convertitore di dati, apre possibilità per radio riconfigurabili o definite da software. Possono essere utilizzati la stessa parte digitale, il convertitore di dati RF e il filtro passabasso di ricostruzione con un solo amplificatore di potenza e una modifica di filtro passabasso per implementare molte diverse radio. La Figura 4 mostra un esempio di output di trasmettitore a doppia banda di una stazione base wireless di vettori WCDMA da 5 MHz a 1800 MHz e tre vettori WCDMA da 5 MHz a 2100 MHz. La Figura 5 mostra un esempio di trasmettitore di testa via cavo conforme di 194 vettori 256-QAM da 6 MHz nello spettro 50 MHz - 1,2 GHz di DOCSIS 3.1. La Figura 6 mostra un esempio di tempo di mantenimento della frequenza rapido di 260 ns, con 240 ns di programmazione di registrazione (scrittura a un singolo byte) e 20 ns di tempo di salto. La Figura 7 mostra l'eccellente prestazione in termini di rumore di fase dell'AD9164, con un offset migliore di -125 dBc/Hz a 10 kHz quando funziona da un oscillatore a quarzo termostabilizzato da 4 GHz e sintetizza un'onda sinusoidale da 3,9 GHz.
Figura 4. Segnale WCDMA a doppia banda a bande da 1,8 GHz e 2,1 GHz
Figura 5. 194 segnali 256-QAM 6 MHz nella banda di frequenza DOCSIS 3.1 (50 MHz – 1,2 GHz).
Figura 6. Prestazioni di salto di frequenza rapido dell'AD9164: tempo di mantenimento di 260 ns per salto.
Figura 7. Prestazioni aggregate in termini di rumore di fase del AD9164. Fonte del segnale di clock DAC: offset dell'oscillatore a quarzo termostabilizzato da 4 GHz fino a 600 kHz, poi generatore di segnale oltre l'offset di 600 kHz.
Conclusioni
I convertitori di dati RF possono semplificare i progetti di architettura radio e ridurne le dimensioni eliminando molte parti dalla catena di segnali radio. AD9162 e AD9164 combinano un interessante insieme di caratteristiche e prestazioni RF superiori in un convertitore di dati RF in grado di soddisfare un'ampia gamma di applicazioni di trasmissione radio, dando prova del fatto che la realtà di una radio definita dal software è più che mai vicina.
[i] Brevetti statunitensi numero 6,842,132 e 7,796,971