Vollständige Empfangsschaltung auf einem Chip realisiert
Störungsresistenter Empfänger für UWB
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Gilbert-Mischstufe für die Demodulation
Die I- und Q-Eingänge des Überlagerungsoszillators für die Gilbert-Mischstufe werden durch einen Mehrfachton-Generator synthetisiert, der ebenfalls mit dem Philips-Testchip in QUBiC4G-SiGe-Technologie ausgestattet ist. Die drei Überlagerungsoszillatorfrequenzen für die Teilbänder können auf verschiedene Weise generiert werden; hier liegt die Verwendung einer einzelnen, schnell einschwingenden PLL-Schaltung (Phase Locked Loop) nahe, eine Alternative wäre der Aufbau von drei getrennten PLLs mit Signalführung über einen HF-Schalter. Die erste Schaltungsvariante würde eine unrealistisch hohe Referenzfrequenz erfordern, um die geforderte Einschwingzeit zu realisieren. Die andere Variante ist anfällig für induktive Kopplung und Träger-Streuverluste zwischen den PLLs.
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Die gewählte Schaltung für den Frequenzsynthesizer verwendet zwei Quadratur-PLLs für I und Q; eine davon erzeugt eine Überlagerungs-Oszillatorfrequenz für das mittlere Teilband (3960 MHz), die andere eine dem Abstand der Teilbänder entsprechende Frequenz (528 MHz). Anschließend werden die Überlagerungs-Oszillatorfrequenzen für das obere und untere Teilband erzeugt, indem die Ausgangssignale dieser beiden PLLs gemischt werden – in einem Einseitenband-Mischer (ESB). Hier-bei wird das Vorzeichen der Frequenz 528 MHz umgekehrt, um die Trägersignale für das obere und untere Teilband zu erzeugen (3960 MHz + 528 MHz = 4488 MHz und 3960 MHz – 528 MHz = 3432 MHz). Anschließend wird das 3960-MHz-Signal um 0 Hz verschoben, um die Überlagerungs-Oszillatorfrequenz für das mittlere Teilband zu erzeugen. Mit dieser Schaltung kann der Frequenzwechsel in weniger als 1 ns erfolgen.
Bild 3 zeigt die Prinzipschaltung dieses Mehrfachton-Generators. Das Filter wird zur Unterdrückung der harmonischen Oberwellen 3. Ordnung benötigt, die durch den Frequenzteiler der 528-MHz-PLL erzeugt wird. Andernfalls würden nach der Abwärtsumsetzung Innerband-Störsignale entstehen, wenn eine starke Störquelle wie z.B. ein IEEE-802.11a-Signal vorhanden ist. Beide Überlagerungs-Oszillatoren verwenden Drosseln zur Minimierung des Phasenrauschens und der Leistungsaufnahme; sie werden durch digital gesteuerte MOS-Kondensatoren abgestimmt. Alle Komponenten sind im Chip integriert; dies ist durch die Verwendung der QUBiC4G-Prozesstechnologie möglich.
Aktives Filter mit digitalem Abschwächer
Nach dem Mischen des HF-Eingangssignals mit denen des Überlagerungs-Oszillators im Gilbert-Mischer durchlaufen die ZF-Quadraturausgänge ein vollständig differentielles, aktives Tschebyscheff-Filter mit einer Nennverstärkung von 45 dB und einer Welligkeit von 2,8 dB im Durchlassbereich. Dieses aktive Filter enthält einen digital geschalteten Abschwächer zwischen den Verstärkerstufen, mit denen sich die maximale Linearität unter allen UWB-Signalbedingungen sicherstellen lässt – selbst dann, wenn starke Störquellen bei trägernahen Frequenzen vorhanden sind. Prozessabweichungen, die sich auf die Filterleistung auswirken, werden kompensiert mit einer Anordnung schaltbarer, hoch verdichteter (5 fF/µm2) MIM-Abstimmkondensatoren (Metall-Isolator-Metall). Diese gehören ebenfalls zu der passiven Integrations-Toolbox, die für den QUBiC4G-Chip verfügbar ist.
Bis etwa 13 GHz sind hiermit hervorragende Verstärkungs- und Rauschwerte möglich; dadurch ist diese Empfangsstufe geeignet für den gesamten UWB-Frequenzbereich von 3,1 GHz bis 10,6 GHz. Der komplette Testchip-Empfänger hat bei einer Versorgungsspannung von 2,7 V eine Stromaufnahme von weniger als 80 mA; etwa 47 mA entfallen hier auf den Empfangsteil, 27 mA auf den Mehrfachton-Generator. Bild 4 zeigt Großaufnahmen der beiden Testchips.
 | Dr. Domine M.W. Leenaerts erlangte 1992 den Doktortitel der Elektrotechnik an der Eindhoven University of Technology in den Niederlanden, wo er bis 1999 Associate Professor in der Micro Electronic Circuit Design Gruppe tätig war. Seine akademische Karriere führte ihn auch zur University of California Berkeleym und an die Technical University of Lausanne (EPFL) in der Schweiz. Seit 1999 widmet er sich in den Philips Research Laboratories in Eindhoven dem Design integrierter HF-Transceiver für WLAN/WPAN-Applikationen. Neben über 150 wissenschaftlichen Veröffentlichungen hält er mehrere Patente und verfasste als Co-Autor verschiedene Bücher – unter anderem das Standardwerk „Circuit Design for RF Transceivers“. E-Mail: domine.leenaerts@philips.com |
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