Software-Defined Radio Herausforderungen bei Direktmischern

Direktmischer (Direct Conversion) ersetzen zunehmend Superheterodynarchitekturen in HF-Empfängern, weil deren Design einfacher und kostengünstiger ist. Allerdings bringt dies neue Herausforderungen mit sich, die erkannt und adressiert werden müssen.

Klassische AM- und FM-Techniken können die steigenden Anforderungen bei hohem Datenaufkommen nicht erfüllen, da moderne Kommunikationssysteme höhere Datenübertragungsraten, höhere Signalqualität, mehr Sicherheit und höhere Kompatibilität der digitalen Daten verlangen. Die I/Q-Modulation ist eine von mehreren neuen Modulationsmethoden, die in den letzten Jahren entwickelt wurden und in Kombination mit anderen digitalen Techniken das Spektrum effizienter nutzen und digitale Daten sowie Sprache effizienter handhaben. Diese Modulationsart basiert auf zwei Trägersignalen: ein phasengleiches Signal (I) und ein um 90° dazu verschobenes Quadratursignal (Q). Jedes Signal lässt sich separat modulieren, was eine Vielzahl verschiedener Modulationen ermöglicht. I/Q-Modulation ist eine effiziente Lösung, um Informationen zu übertragen, und funktioniert gut mit digitalen Formaten.

Direktmischer (Direct Conversion, DC) wurden entwickelt, um die wachsende Nachfrage nach kleineren Funkgeräten mit geringerem Stromverbrauch für Anwendungen wie Mobiltelefonie und IoT-Anwendungen zu erfüllen. Direktmischer nutzen ebenfalls die I/Q-Modulation und wandeln das HF-Signal in einer Stufe direkt in das Basisband herunter – durch Anpassen der Frequenz des lokalen Oszillators an die HF-Trägerfrequenz. Diese Technik erübrigt Bandpassfilter, die in Superheterodynempfängern erforderlich sind, was zu einem kompakteren Empfänger mit kürzerer Stückliste und einem geringeren Energieverbrauch führt. Obwohl die Ursprünge von der Direktmischung bis ins Jahr 1924 zurückreichen, hat der Markt erst in den letzten zwanzig Jahren zusammen mit der Entwicklung der Halbleitertechnik dazu beigetragen, Superheterodynempfänger allmählich abzulösen.

 


Bild 1 beschreibt, wie DC-Empfänger grundlegend aufgebaut sind. Ein einzelner Oszillator verschiebt das eingehende HF-Signal hinab in das Basisband. Das Basisband enthält zwei Pfade, den I- und den Q-Pfad, die dem phasengleichen und dem dazu orthogonalen Quadraturpfad entsprechen. Jeder Pfad wird dann getrennt digitalisiert. Die beiden DC-Varianten sind: Nahe-Null-ZF, wobei sich die LO-Frequenz geringfügig vom Träger unterscheidet, und Niedrig-ZF, wobei die Differenz etwas größer ist, aber nicht so groß wie bei einem Superheterodynempfänger.

Obwohl der DC-Empfänger in Bezug auf Bandbreite und Kompaktheit gegenüber dem Superheterodynempfänger Vorteile bietet, sind bei der Umsetzung dieser Technik einige Herausforderungen zu meistern. Erstens können aufgrund leichter Fehlanpassungen in der Empfängerkette Ungleichgewichte zwischen I- und Q-Signal auftreten, wenn deren Signalpfade festgelegt werden. Diese Fehlanpassungen können auftreten, wenn der Phasenversatz zwischen I- und Q-Signal nicht exakt 90° beträgt oder wenn die Gesamtverstärkung für jeden der Signalpfade nicht exakt gleich ist. All diese Ungleichgewichte sind über der Frequenz und Temperatur zu korrigieren.

Zweitens hat der Mischer eines DC-Empfängers eine Nichtlinearität zweiter Ordnung. Starke Störungen außerhalb des Passbandes können zu Oberwellen und Intermodulationsprodukten zweiter oder dritter Ordnung führen, die dann im Basisband erscheinen und das Nutzsignal verzerren. Dies lässt sich durch ein ausgewogenes Schaltungsdesign lindern. Dabei wird die Leistungsfähigkeit eines DC-Empfängers durch den Intercept Point zweiter Ordnung (IP2) und die Intermodulations-Leistungsfähigkeit zweiter Ordnung (IM2) festgelegt.

Drittens ist da noch der Gleichspannungsoffset. Ein starkes, in der Nähe befindliches Signal, einschließlich des empfängereigenen lokalen Oszillators (LO) kann mit sich selbst bis auf Null-ZF (Selbstmischer) herabmischen und erzeugt einen Gleichspannungspegel, der in der Mitte des gewünschten Bandes als Interferenz erscheint. Neben Störungen mit niederfrequenten Komponenten im gewünschten Basisbandsignal ändert dieser Offset die Durchschnittsspannung der Signalform (Bild 2). Dabei ergeben sich Probleme für den Dynamikbereich des A/D-Wandlers.

Die Lösung 

Werden die genannten Probleme durch ein sorgfältiges Empfängerdesign beseitigt, ist der DC-Empfänger eine interessante Lösung, um die Forderungen kommerzieller Märkte nach kostengünstigen, stromsparenden, breitbandigen und hochintegrierten HF-Schaltkreisen zu erfüllen.

Die DC-Empfänger der Serie CMX994x von CML Microcircuits eignen sich für professionelle Funkdesigns und bieten Stromsparmodi. Gleichspannungsoffsets werden auf verschiedene Arten bekämpft. Die Empfänger bieten eine IIP2-Mischerleistung von +79 dB, die alle Intermodulationsprodukte zweiter Ordnung dämpft, die bei 0 Hz erscheinen.

Ein gängiges Korrekturverfahren des Gleichspannungsoffsets in DC-Empfängern legt kleine Korrekturspannungen an den Ausgängen des Mischers an, bevor die Basisbandsignale verstärkt werden. Die CMX994-Empfänger ermöglichen dies über ein chipinternes Register (Rx-Offset-Register), auf das der Mikroprozessor oder DSP zugreifen kann, der die IQ-Signale verarbeitet, die er vom CMX994 erhält. Der Zugriff auf das Register erfolgt über die C-BUS-Schnittstelle, und die 8 bit in diesem Register steuern den Wert des angewandten Offsets. Die auf I- und Q-Signale angewandten Offsets sind unabhängig, wobei die Bits 0 bis 3 den Offset am I-Kanal steuern, die Bits 4 bis 7 den des Q-Kanals. Da der Pegel des Gleichspannungsoffsets sich mit der Frequenz und der Verstärkung verändert, sollten verschiedene Messungen durchgeführt werden – idealerweise ohne Signal während das System eingerichtet wird. Der Signalverarbeitungsalgorithmus lässt sich dann entsprechend anpassen, um während des Betriebs die richtigen Offsetspannungen anzulegen. 

Fazit 

Die Direct-Conversion-Topologie ist im Vergleich zu Superheterodynkreisen die ideale Lösung für Hochleistungs-Funkempfänger mit geringer Stromaufnahme und niedrigen Kosten, weniger Filtern und einer kleineren Stückliste. Damit steht eine hochintegrierte Chiplösung zur Verfügung. Durch jüngste Fortschritte können Entwickler viele Herausforderungen meistern, die mit solchen Empfängern einhergehen, unter anderem die Intermodulation zweiter Ordnung und Gleichspannungsoffsets.