Hochintegrierte Mobilfunkempfänger arbeiten mit komplexen Filtern Höhere Integration mit niedrigerer Zwischenfrequenz

In den letzten zehn Jahren hat sich der innere Aufbau mobiler Geräte drastisch gewandelt: Die Anzahl der diskreten Komponenten und der Leistungsverbrauch sind stark zurückgegangen. Verantwortlich dafür ist eine Architektur, die das Hochfrequenzsignal auf eine relativ niedrige Zwischenfrequenz umsetzt. Dieses Konzept eignet sich für so unterschiedliche Standards wie DECT, GSM und Bluetooth.

Hochintegrierte Mobilfunkempfänger arbeiten mit komplexen Filtern

In den letzten zehn Jahren hat sich der innere Aufbau mobiler Geräte drastisch gewandelt: Die Anzahl der diskreten Komponenten und der Leistungsverbrauch sind stark zurückgegangen. Verantwortlich dafür ist eine Architektur, die das Hochfrequenzsignal auf eine relativ niedrige Zwischenfrequenz umsetzt. Dieses Konzept eignet sich für so unterschiedliche Standards wie DECT, GSM und Bluetooth.

Vergleicht man den inneren Aufbau von heutigen mobilen Geräten mit dem der Geräte vor zehn Jahren, so fällt auf, dass die Anzahl der diskreten Komponenten drastisch zurückgegangen ist. Darüber hinaus konnten die Systemkosten und der Leistungsverbrauch auf einen Bruchteil der ursprünglichen Werte reduziert werden. Möglich wurde dies in erster Linie durch höhere Integration in einer kostengünstigen Technologie (z.B. CMOS), was die Kosten verringert und den Leistungsverbrauch reduziert.

Das klassische Heterodynkonzept, das vor zehn Jahren in den Mobilfunkgeräten fast ausschließlich zum Einsatz kam, ist allerdings auf Grund der hohen Zwischenfrequenz für eine weitere Integration nur bedingt geeignet. Damit die großen Fortschritte der letzten Jahre erreicht werden konnten, mussten daher neue, besser integrierbare Architekturkonzepte entwickelt werden, die externe Komponenten wie teure und große Oberflächenwellenfilter vermeiden. Zu diesen innovativen Architekturen gehört insbesondere das Low-IF-Konzept, das auf der Umsetzung des HF-Signals auf eine sehr niedrige Zwischenfrequenz ZF basiert. Hierfür werden neben einem Image-Reject-Mischer komplexe analoge Filter benötigt.

Im ersten Teil dieses Artikels wird die Frequenzumsetzung im Low-IF-Konzept beschrieben und mit dem klassischen Heterodynkonzept verglichen. Darüber hinaus werden die erforderlichen Funktionsblöcke im entsprechenden Empfänger betrachtet. Zu diesen Funktionsblöcken gehören insbesondere komplexe Filter, deren Prinzip und geeignete Realisierungskonzepte im Anschluss daran erläutert werden. Im zweiten Teil des Artikels werden zunächst einige verfügbare Transceiverbausteine für drahtlose Systeme vorgestellt, bei denen das Low-IF-Konzept zum Einsatz kommt. Dieses Architekturkonzept hat sich bei Bausteinen für so unterschiedliche Standards wie GSM, DECT und Bluetooth etabliert. Abschließend erfolgt ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen.

Empfängerkonzept mit niedriger Zwischenfrequenz

Bild 1 zeigt die Architektur eines Empfängers mit niedriger Zwischenfrequenz (Low-IF-Konzept). Die Zwischenfrequenz wird so niedrig gewählt, dass integrierte Filter und kostengünstige und stromsparende A/D-Wandler eingesetzt werden können. Beim klassischen Heterodynkonzept, das im letzten Jahrzehnt in den Mobilfunkanwendungen dominierte, erfolgt die Umsetzung durch den ersten Mischer zunächst auf eine relativ hohe Zwischenfrequenz, wie in Bild 2 dargestellt ist. Der Grund für die Wahl dieser hohen Zwischenfrequenz liegt darin, dass die Spiegelfrequenzen, die durch den Mischvorgang in das Nutzband fallen, dann durch ein Vorfilter mit Bandpass-Charakteristik unterdrückt werden können. Typischerweise liegt die ZF bei etwa 5 bis 10 Prozent der Trägerfrequenz. Bei DECT wird für die erste ZF häufig ein Wert von 110 MHz gewählt. In der Regel wird zur Spiegelfrequenzunterdrückung ein diskretes HF-Keramikfilter eingesetzt.

Im Anschluss an den Mischvorgang erfolgt die Kanalselektion. Bei diesen hohen Frequenzen können jedoch keine integrierten Filter in einer kostengünstigen Standard-Technologie eingesetzt werden. Es kommen daher so genannte Oberflächenwellenfilter (SAW-Filter) für die Kanalselektion zum Einsatz, die relativ groß und teuer sind und eine spezielle Technologie erfordern. Der Nachteil dieser Architektur liegt auf der Hand: Die hochfrequenten Filterfunktionen lassen sich nur schwer oder gar nicht integrieren, so dass das Heterodynkonzept hinsichtlich einer weiteren Integration an seine Grenzen stößt. Trotz der großen Technologiefortschritte sind nach wie vor zahlreiche diskrete Komponenten erforderlich, die einen nicht unerheblichen Kos-tenfaktor darstellen und außerdem Platinenfläche benötigen.

Die Kunst des Filterns

Weitaus besser für eine weitere Integration geeigneter Empfängerarchitekturen ergeben sich, wenn das HF-Signal entweder direkt ins Basisband umgesetzt wird (Homodynkonzept), oder wenn eine Umsetzung auf eine sehr niedrige Zwischenfrequenz erfolgt (Low-IF-Konzept) [1 – 5]. Diese Architekturen dominieren daher heute bei vielen Mobilfunkanwendungen. Eine Schwierigkeit dieses Ansatzes ergibt sich zunächst daraus, dass die Spiegelfrequenzunterdrückung nicht mehr mit einem einfachen HF-Bandpassfilter möglich ist. Im Unterschied zum Heterodynkonzept wird die erforderliche Spiegelfrequenzunterdrückung durch einen „Image-Reject-Mischer“ erreicht, der im Idealfall eine Multiplikation mit ej2πf1t realisiert, wobei f1 die Mischerfrequenz ist. Dadurch werden keine Spiegelfrequenzen in das Nutzband heruntergemischt, sodass diese vorher auch nicht durch ein Filter unterdrückt werden müssen. Durch die nichtidealen Eigenschaften des Mischers erfolgt die Dämpfung der Spiegelfrequenzen allerdings nur mit einem endlichen Wert.

Das Prinzip der Frequenzumsetzung und Spiegelfrequenzunterdrückung ist für das Low-IF-Konzept in Bild 3 dargestellt. Es wird deutlich, dass bei der gewählten Zwischenfrequenz der erste Nachbarkanal jetzt die Spiegelfrequenzkomponente darstellt, die dem Nutzkanal überlagert wird, falls der Image-Reject-Mischer nichtideal ist. Der maximal erlaubte Pegel der Nachbarkanäle ist in den Mobilfunkstandards in den „Adjacent-Channel-Anforderungen“ festgelegt. Laut GSM-Empfehlung darf der erste Nachbarkanal höchstens um 9 dB größer sein als der Nutzkanal. Geht man davon aus, dass Gleichkanalstörer gegenüber dem Nutzkanal um mindestens 9 dB gedämpft sein müssen, so ergibt sich für den Image-Reject-Mischer eine Anforderung hinsichtlich der Spiegelfrequenzunterdrückung von 18 dB. Heutige integrierte, analoge Quadraturmischer in kostengünstigen CMOS-Technologien erreichen eine Spiegelfrequenzunterdrückung von 20 bis 30 dB [3]. Das Low-IF-Konzept bietet sich daher für eine kostengünstige CMOS-Implementierung eines GSM-Empfängers an [1, 6].

Wird eine höhere Zwischenfrequenz gewählt, was die Unterdrückung der Offset-Komponenten erleichtert, so steigen allerdings auch die Anforderungen an die Spiegelfrequenzunterdrückung. Kann die erforderliche Spiegelfrequenzunterdrückung durch den Image-Reject-Mischer nicht erfüllt werden, so bietet es sich an, vor den Mischer ein komplexes Bandpassfilter zu schalten, das die negativen Frequenzanteile und damit auch die Spiegelfrequenzen unterdrückt.

Das Low-IF-Konzept zeichnet sich gegenüber der Direktumsetzung ins Basisband durch einen wichtigen Vorteil aus. Die bekannten Probleme des Homodynkonzepts mit Gleichspannungs-Offsets und dem 1/f-Rauschen, deren Kompensation mit erheblichem Zusatzaufwand verbunden ist, können stark reduziert werden. Nach der Zwischenfrequenz-Umsetzung lassen sich die niederfrequenten Störungen durch ein einfaches Hochpassfilter unterdrücken, ohne dass das Nutzband davon betroffen ist. Die Vorteile der Direktumsetzung, wie z.B. die gute Integrierbarkeit, bleiben dagegen erhalten.

Betrachten wir nochmals das Blockdiagramm des Low-IF-Empfängers in Bild 1. Die Signalverarbeitung im HF-Bereich ist vergleichsweise einfach, die komplexe Signalverarbeitung erfolgt bei der niedrigen Zwischenfrequenz. Das HF-Signal an der Antenne wird zunächst durch ein einfaches Blockingfilter vorgefiltert. Die Anforderungen sind deutlich geringer als an das Vorfilter beim Heterodynempfänger. Anschließend erfolgt eine Verstärkung durch den rauscharmen Verstärker (LNA). Die Umsetzung auf die niedrige Zwischenfrequenz wird mit Hilfe des Quadraturmischers realisiert. Durch die komplexe Signaldarstellung werden die eng benachbarten Spiegelfrequenzkomponenten nicht in das Nutzband heruntergemischt.

Die Kanalselektion erfolgt bei der niedrigen ZF, sodass kein externes Oberflächenwellenfilter (SAW-Filter) erforderlich ist. Allerdings wird hierzu ein komplexes Bandpassfilter benötigt, das nur für positive Frequenzen einen Durchlassbereich aufweist. Wie sich dieses realisieren lässt wird im nächsten Abschnitt detailliert behandelt.