HF-Technik Integrierte Transceiver für xG-Basisstationen

Der integrierte Ansatz erreicht die erforderliche statische Empfindlichkeit stets bei niedriger HF-Frontend-Verstärkung, gegenüber dem diskreten Aufbau.

Eine neue Tranceiver-Familie für Basisstationen deckt sämtliche existierenden Mobilfunkstandards von 2G bis 5G sowie den gesamten Sub-6-GHz-Abstimmbereich ab. Damit erhalten Entwickler eine einzige kompakte Technologiebasis.

Empfänger für Mobilfunk-Basisstationen zu entwickeln, kann sich als schwierige Aufgabe erweisen. Obwohl die Eigenschaften von typischen Empfängerbauteilen wie Mischer, rauscharme Verstärker (LNAs) und A/D-Wandler im Laufe der Zeit schrittweise weiter verbessert werden konnten, haben sich die Architekturen nur unwesentlich verändert. Aufgrund der begrenzten Architekturauswahl blieb es Entwicklern von Basisstationen bisher verwehrt, differenzierte Produkte auf den Markt zu bringen.

Jüngste Produktentwicklungen, speziell aber integrierte Transceiver, haben die bisherigen Einschränkungen - selbst der schwierigsten Basisstationsentwicklungen - relaxiert. Mit der neuen Basisstationsarchitektur dieser Transceiver erhalten Entwickler mehr Auswahl und Möglichkeiten, um Produkte zu differenzieren.

Die Mitglieder der im Folgenden erläuterten Familie integrierter Transceiver sind die branchenweit ersten Bauteile, die sämtliche existierenden Mobilfunkstandards, von 2G bis 5G, unterstützen und den gesamten Sub-6-GHz-Abstimmbereich abdecken. Beim Einsatz der Transceiver können Entwickler von Mobilfunk-Basisstationen eine einzige kompakte Funkentwicklung für alle Frequenzband- und Leistungsvarianten nutzen.

Zum besseren Verständnis werden im Folgenden zunächst mehrere Basisstationsklassen betrachtet. Die bekannte Normungsorganisation 3GPP (3rd Generation Partnership Project) kennt mehrere definierte Basisstationsklassen mit verschiedenen Namen. Im weitesten Sinne bieten die größten Basisstationen, auch Wide Area Base Stations (WA-BS) genannt, die größte geografische Abdeckung und unterstützen die meisten Nutzer. Außerdem liefern sie die größte Ausgangsleistung und müssen die höchste Empfängerempfindlichkeit aufweisen. Jede kleinere Basisstation benötigt weniger Ausgangsleistung und stellt geringere Anforderungen an die Empfängerempfindlichkeit.

Darüber hinaus definiert die Normungsorganisation 3GPP auch verschiedene Modulationsverfahren. Vereinfacht gesagt, bietet sich eine sinnvolle Aufteilung von Modulationsverfahren in Nicht-GSM (einschließlich LTE- und CDMA-Modulationsarten) und GSM-Modulation – speziell Multicarrier GSM (MC-GSM) an.

Von den beiden weit verbreiteten Konzepten ist GSM das anspruchsvollste hinsichtlich HF- und Analog-Leistungsdaten. Da sich Funksysteme mit höherem Durchsatz inzwischen weiter verbreitet haben, ist MC-GSM zur Norm gegenüber Single-Carrier-GSM geworden. Im Allgemeinen kann ein Radio-Frontend in einer Basisstation, die MC-GSM-Performance unterstützen kann, auch mit Nicht-GSM-Performance umgehen. Träger, die mit MC-GSM umgehen können, haben mehr Flexibilität bei Marktchancen.

Bisher hat man Basisstationen mit diskreten Bauteilen aufgebaut. Bei Analog Devices ist man überzeugt, dass die heute verfügbaren integrierten Transceiver viele diskrete Bauteile ersetzen können und zugleich Systemvorteile bieten. Zunächst sind jedoch die Herausforderungen bei der Entwicklung von Basisstationen zu betrachten.

Die Wide-Area- oder Macrobase-Station ist seit jeher die anspruchsvollste und teuerste Empfängerentwicklung sowie die Arbeitsgrundlage für drahtlose Kommunikationsnetze. Ihr Anspruch liegt vor allem in der Empfindlichkeit.

Ein Basisstationsempfänger muss die gewünschte Empfindlichkeit unter bestimmten Bedingungen erreichen. Die Empfindlichkeit drückt aus, mit welcher Güte ein Basisstationsempfänger ein gewünschtes schwaches Signal von Mobilgeräten demodulieren kann. Sie ist ausschlaggebend dafür, wie weit eine Basisstation maximal von einem Mobilgerät entfernt sein kann, bis die Verbindung abreißt. Es gibt zwei Kategorien der Empfindlichkeit: Statische Empfindlichkeit ohne externe Interferenzen und Dynamische Empfindlichkeit mit Interferenzen.

Im Folgenden geht es zunächst um die Statische Empfindlichkeit. Im Sprachgebrauch der Ingenieure wird die Empfindlichkeit durch die Systemrauschzahl (NF) bestimmt. Eine niedrigere Rauschzahl bedeutet bessere Empfindlichkeit. Die gewünschte Empfindlichkeit lässt sich erreichen, indem man die Verstärkung erhöht, um die angestrebte Systemrauschzahl zu erzielen. Für die Verstärkung ist ein teures Bauteil, genannt LNA (rauscharmer Verstärker), zuständig. Mit zunehmender Verstärkung steigen die Kosten und die Leistung des LNA.

Leider erfordert die dynamische Empfindlichkeit einen Kompromiss. Dynamische Empfindlichkeit bedeutet, dass die statische Empfindlichkeit sich bei Interferenzen verschlechtern kann. Interferenzen sind alle unerwünschten Signale am Empfänger. Dazu gehören Signale außerhalb des Systems oder Signale, die der Empfänger unbeabsichtigt erzeugt, zum Beispiel Intermodulationsprodukte. Linearität in diesem Zusammenhang beschreibt, wie gut ein System mit Interferenzen umgehen kann.

Bei Interferenzen verliert ein System genau die Empfindlichkeit, die so schwer zu erzielen war. Dieses Zugeständnis verschlimmert sich mit zunehmender Verstärkung, da diese normalerweise mit einer niedrigeren Linearität einhergeht. Kurz – zu viel Verstärkung beeinträchtigt die Linearität, was eine Verschlechterung der Empfindlichkeit bei starken Interferenzen bewirkt.

Drahtlose Kommunikationsnetze sind so aufgebaut, dass sich die größte Netzwerklast auf der Seite der Basisstation und nicht auf der Mobilgeräteseite befindet. Wide-Area-Basisstationen (WA-BSs) sind für eine Netzabdeckung über große Bereiche ausgelegt und erzielen eine ausgezeichnete Empfindlichkeit. Eine WA-BS muss die beste statische Empfindlichkeit aufweisen, um den Betrieb von Mobilgeräten am Zellenrand zu ermöglichen, an dem das Signal der Geräte nur sehr schwach ausfällt. Andererseits muss bei Interferenzen oder Blocking-Situationen die dynamische Empfindlichkeit einer WA-BS immer noch gut sein. Der Empfänger muss bei einem schwachen Mobilgerätesignal noch immer gute Leistungsdaten aufweisen, selbst wenn ein starkes Signal von einem Mobilgerät in der Nähe der Basisstation Interferenzen erzeugt.

Bei der Signalkette in (Bild 1, oben) handelt es sich um einen vereinfachten, mit diskreten Bauteilen aufgebauten, Systemempfänger. LNA, Mischer und VGA bilden die HF-Eingangsstufe. Die HF-Eingangsstufe ist für eine Rauschzahl von 1,8 dB ausgelegt, während der A/D-Wandler eine Rauschzahl von 29 dB aufweist. Bei der Analyse von (Bild 1, oben) ist die Verstärkung der HF-Eingangsstufe auf der X-Achse aufgetragen, um die Systemempfindlichkeit zu zeigen.

Im Folgenden wird eine vereinfachte Transceiver-Empfangssignalkette verglichen. Man kann sehen, dass die Stückliste (BOM) für die Transceiver-Empfangssignalkette kleiner ist als die für die mit diskreten Bauteilen aufgebaute Signalkette. Zusätzlich sind die Transceiver mit zwei Transmittern und zwei Empfängern auf dem Chip aufgebaut. Die scheinbar einfache Integration verbirgt die Eleganz der Empfängerentwicklung, die typisch eine Rauschzahl von 12 dB erzielt. Die Analyse in (Bild 1, unten) zeigt, wie sich die Empfindlichkeit in einem System bezahlt macht.

Aus Bild 2 ist die Verstärkung der HF-Eingangsstufe gegenüber der statischen Empfindlichkeit für die beiden oben gezeigten Implementierungen ersichtlich. Eine WA-BS arbeitet in der Region mit den  höchsten Empfindlichkeitsanforderungen. Im Gegensatz dazu arbeitet eine Small Cell dort, wo der Anstieg der Empfindlichkeitskurve am steilsten ist, während der Standard mit einer kleinen Spanne erreicht wird. Der Transceiver erreicht die gewünschte Empfindlichkeit mit einer wesentlich geringeren HF-Frontend-Verstärkung für die WA-BS und Small Cell.

In der HF-Frontend-Verstärkungsregion, für die Wide-Area-Basisstationen mit einem Transceiver entwickelt werden, ist die dynamische Empfindlichkeit ebenfalls wesentlich besser als die Empfindlichkeit einer diskreten Lösung.

Dies lässt sich darauf zurückführen, dass HF-Eingangsstufen mit niedrigerer Verstärkung normalerweise eine höhere Linearität bei einer bestimmten Leistungsaufnahme aufweisen. Bei diskreten Lösungen, die normalerweise eine hohe Verstärkung aufweisen, wird die Linearität oft durch die HF-Eingangsstufe dominiert. Bei Transceiver-Entwicklungen wird die Herabsetzung der Empfindlichkeit aufgrund von Interferenzen gegenüber einer diskreten Lösung deutlich reduziert.

Es ist zu erwähnen, dass Systeme so entwickelt sind, dass sie bei zu vielen Interferenzen die Verstärkung auf einen Punkt herabsetzen, an dem die Interferenzen toleriert werden können. Gleichzeit wird die Verstärkung erhöht, wenn sich die Interferenzen verringern. Dieses Verhalten bezeichnet man als automatische Verstärkungssteuerung (AGC). Eine Verminderung der Verstärkung verringert auch die Empfindlichkeit. Falls ein System die Störer tolerieren kann, ist es oft am besten, eine möglichst hohe Verstärkung beizubehalten, um die Empfindlichkeit zu maximieren. AGC ist ein weiteres Thema.

Zwei herausragende Leistungsmerkmale dieser Transceiver-Klasse sind eine ausgezeichnete Rauschzahl sowie eine höhere Immunität gegenüber Interferenzen. Der Einsatz eines Transceivers in einer Signalkette bedeutet, dass sich eine gewünschte statische Empfindlichkeit mit wesentlich geringerer Eingangsstufenverstärkung erreichen lässt. Zusätzlich bedeutet das geringere Maß an Interferenzen, dass Entwickler eine bessere dynamische Empfindlichkeit erreichen können. Falls dennoch ein LNA erforderlich ist, wird dieser weniger kosten und weniger Leistung aufnehmen. Auch lassen sich verschiedene Entwicklungskompromisse an anderen Stellen im System finden, um die Vorteile dieser Leistungsmerkmale vorteilhaft zu nutzen.

Heutzutage werden konfigurierbare Transceiver angeboten, die Aufgaben sowohl in Wide-Area- als auch in Small-Cell-Basisstationen übernehmen. Analog Devices bietet hier die Bauteilen ADRV9009 und ADRV9008 an, die  für Wide-Area- und Multicarrier-GSM-Basisstationen geeignet sind. Zusätzlich bietet die Familie AD9371 Optionen mit Nicht-GSM (CDMA, LTE) Leistungsdaten und Bandbreite, aber mehr Leistungsoptimierung.

Dieser Beitrag stellt noch keinen umfassenden Überblick. Das Thema Empfindlichkeit wird in weiteren Artikeln ausführlicher betrachtet werden. Weitere Herausforderungen bei der Entwicklung von Basisstationsempfängern sind AGC-Algorithmen, Kanal-Abschätzung (Channel Estimation) und Equalization-Algorithmen.