Schaltungen für Funkempfänger

Direkte HF-Abtastung und Direktmischempfänger im Vergleich

19. Mai 2022, 6:00 Uhr | Brad Brannon
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Für Entwickler von Funksystemen bieten sich zwei gängige Empfängerschaltungen an: die direkte Abtastung des HF-Signals oder der Direktmischempfänger (Synchrodyn-Empfänger, Null-ZF). Für die richtige Wahl sind die Kompromisse abzuwägen, die für jede der beiden Schaltungen eingegangen werden müssen.

Die Wahl der richtigen Schaltung ist für den Entwickler von Funksystemen eine Herausforderung. Zusätzlich zum Ziel, Kosten, Abmessungen und Leistungsaufnahme zu minimieren, muss die Funkschaltung nicht nur eine solide Leistung bieten, sondern zusätzlich auch die Peripherieschaltung vereinfachen. Mit Blick auf die weiterwachsende Zahl von Funkanwendungen, muss ein geeignetes Funksystem unempfindlich gegenüber derzeitigen und künftigen Funksystemen in der Nachbarschaft sein, die im Betrieb Interferenzen hervorrufen könnten.

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Eine wachsende Herausforderung – neuartige Funksysteme in der Nachbarschaft

Als die Funk-Revolution vor rund 30 Jahren begann, wurden nur eine Handvoll Frequenzbänder belegt – die meist auf den Bereich unter 900 MHz beschränkt waren – und typischerweise gab es jeweils ein Band für ein Land. Als die Nachfrage nach Funkdiensten stieg, wurden ständig immer neue Frequenzbänder hinzugefügt und nun gibt es 49 Bänder [1] die global nur dem 5G-NR-Mobilfunkstandard zugeordnet sind – der Millimeterwellenbereich nicht mit eingerechnet. Der Großteil des neuen Spektrums liegt über 2,1 GHz mit Frequenzbändern, die 500 MHz (n78), 775 MHz (n46), 900 MHz (n77) und bis zu 1.200 MHz (n96) abdecken.

Als diese neuen Frequenzbänder eingeführt wurden, war es eine der größten Herausforderungen, wie sich eine ausreichende Empfangsleistung erzielen lässt, wenn andere Sender in den vorhandenen Frequenzbändern aktiv sind. Diese Anforderung kommt überwiegend von Sendern in benachbarten Bändern (co-location), z.B. mit den Frequenzbändern 2, 4 und 7 in den USA und den Bändern 1 und 3 in anderen Regionen. Sender in benachbarten Bändern sind besonders für breitbandige Funksysteme kritisch, die z.B. in Band n48 (CBRS, Citizens Broadband Radio Service) und in Teilen der Bänder n77 und n78 arbeiten.

Entwurf von Funksystemen

Da die Nachfrage nach Funkdiensten auch in Zukunft weiter steigen wird, werden auch die Herausforderungen durch benachbarte Sender und Interferenzen unverändert bestehen bleiben.

HF-Schutzmaßnahmen sowie Trennschärfe

Eine der größten Herausforderung bei der Entwicklung eines Funkempfängers ist das Ausblenden von Signalen, die nicht von Interesse sind. Bereits von Anfang an haben die Entwickler von Funksystemen unterschiedliche Wege beschritten, um dies zu erreichen, zuerst mit brachialer Filterung und später mit unterschiedlichen Heterodyntechniken und verteilter Filterung. Über die Jahre wurden drei Grundschaltungen entwickelt, die diese Herausforderungen erfüllen:

  • Direktmischempfänger auch als Homodyn- oder Synchrodyn-Empfänger bezeichnet,
  • Superheterodyn-Prinzip (mit mehreren Zwischenfrequenzen, ZF) und
  • direkte HF-Abtastung.

Obwohl die Superheterodynschaltung recht populär ist, liegt sie nicht im Fokus dieses Aufsatzes. Stattdessen liegt der Fokus auf dem Vergleich der direkten HF-Abtastung mit der Synchrodyn-Schaltung, da diese beiden Schaltungen derzeit die fortschrittlichsten Empfängerschaltungen sind. Jede dieser Techniken erfordert unterschiedliche Kompromisse im Entwurfsprozess und stellt eigene Anforderungen an die peripheren Schaltungen. Dies schließt mit ein: die Methoden der Frequenzumsetzung, die Höhe der HF- und Basisbandverstärkung, wie mit HF-Spiegelfrequenzen umgegangen wird und wie die Filterung ausgeführt wird (siehe Tabelle 2 am Ende des Aufsatzes).

Verstärkungsverteilung und Verlustleistung

Eine typische Empfängerschaltung mit direkter HF-Abtastung.
Bild 1. Eine typische Empfängerschaltung mit direkter HF-Abtastung enthält mehrere Verstärkerstufen.
© Analog Devices

Die direkte HF-Abtastung und das Prinzip der Signalumsetzung ohne Zwischenfrequenz, wie beim Synchrodyn-Empfänger, unterscheiden sich besonders in der Anordnung der Verstärker. Wie in Bild 1 dargestellt, benötigt die Schaltung mit direkter HF-Abtastung ihre gesamte Verstärkung im HF-Bereich, da alle Funkfrequenzen bei der Signalverarbeitung konstant bleiben.

Eine typischen Empfängerschaltung ohne Zwischenfrequenz.
Bild 2. Bei einer typischen Empfängerschaltung ohne Zwischenfrequenz – auch Null-ZF- (ZIF, Zero Intermediate Frequency) oder Synchrodyn-Schaltung genannt – erfolgt ein Teil der Verstärkung nach der Mischung (Frequenzumsetzung) ins Basisband.
© Analog Devices

Zum Vergleich zeigt Bild 2 eine Synchrodyn-Empfängerschaltung. Hier erfolgt nur ein Teil der Verstärkung im HF-Bereich, der andere Teil nach der Frequenzumsetzung im Basisband.

  Null-ZF HF-Abtastung
HF-Gewinn 32 dB ~50 dB
Basisbandverstärkung ~18 dB

 

Es gibt bei jeder dieser Schaltungen Kompromisse zu beachten. So benötigt ein Verstärker bei höheren Frequenzen mehr Gleichstrom als bei niedrigeren Frequenzen. Der Grund ist die erforderliche höhere Anstiegsgeschwindigkeit, insbesondere dann, wenn die Signale durch die Verstärkerstufen schrittweise größer werden. Dies bedeutet auch, dass eine direkte HF-Abtastschaltung im linearen HF-Bereich mehr Leistung braucht als eine Synchrodyn-Schaltung, bei der ein Großteil der Verstärkung im niedrigen Basisband-Frequenzbereich erfolgt. Bei niedrigeren Frequenzen sind die Anstiegsgeschwindigkeiten langsamer und deshalb können auch die korrespondierenden Gleichströme niedriger sein.

Die Herausforderung bei der direkten HF-Abtastung ist, dass ein hauptsächlich kapazitiver Eingang (Abtastkondensator) sowohl bei hoher Frequenz als auch mit relativ hoher Spannung (~1 V) betrieben werden muss. Im Vergleich dazu wirken am Eingang des Homodynempfängers 50 Ω (oder 100 Ω) auf einen Summationspunkt am Eingang eines Basisbandverstärkers. Dieser verstärkt das Signal, trennt den Mischer, der zugleich Abtastelement ist, vom HF-Signal und sorgt dafür, dass die nötige HF-Vorverstärkung reduziert werden kann. Dies hat einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsaufnahme der linearen HF-Schaltung, da die gesamte Verlustleistung bei Synchrodyn-Empfängern im Vergleich zur direkten HF-Abtastung zwischen 25 % und 50 % kleiner ist. Dies liegt daran, dass auf eine dritte HF-Verstärkerstufe verzichtet werden kann und dass im Vergleich zu einem HF-Verstärker ein Basisbandverstärker mit niedrigeren Ruheströmen arbeitet.

Zusätzlich kommt zur analogen Leistung auch noch die mit dem Digitalisierungsvorgang verbundene Leistung hinzu. Bei Synchrodyn-Schaltungen wird nur die benötigte Bandbreite digitalisiert. Bei der direkten HF-Abtastung wird nicht nur eine große HF-Bandbreite digitalisiert, sondern die Abtastrate übersteigt auch das Nyquist-Kriterium bei weitem. Sowohl die Bandbreite als auch die Abtastrate kosten Leistung. Die exakte Leistung hängt vom verwendeten Halbleiterfertigungsprozess ab. Wenn beide Umsetzer jedoch mit derselben Prozesstechnik implementiert werden, brauchen HF-AD-Umsetzer in einer typischen Einzelband-Applikation rund 125 % mehr Leistung als Basisband-ADU. Selbst wenn zwei Bänder von einem HF-ADU digitalisiert werden können, liegt seine Leistungsaufnahme immer noch 40 % über der eines Basisband-ADU.

HF-Spiegelfrequenzen und Störsignale

Es gibt bei diesen beiden Optionen aber auch sekundäre Nachteile zu beachten. So zeigt die Synchrodyn-Schaltung zum Beispiel Übersprechen des Oszillators (LO, Local Oscillator) und I/Q-Fehlanpassungsstörungen [2]. Die direkte HF-Abtastung dagegen weist aufgrund der Fehlanpassung innerhalb der Umsetzerschaltung überlagerte verschachtelte Harmonische (spurs) [3] und auch HF-Harmonische im ADU sowie mit der Abtastung zusammenhängenden Effekte durch Jitter [4] auf. Die gute Sache ist, dass die meisten störenden Signale unabhängig von der Schaltung mit unterschiedlichen Algorithmen, die im Hintergrund laufen, abgeschwächt werden.

Diese beiden Schaltungen arbeiten in sehr unterschiedlichen Frequenzbereichen, die Einfluss darauf haben, wie Aliasing gehandhabt wird und wie viel HF-Filterung (externe) benötigt wird. Neben den schaltungsspezifischen Störsignalen generiert jedes Funksystem HF-Harmonische und unterliegen dem Aliasing [5]. Funksysteme mit direkter HF-Abtastung ziehen Vorteile aus dem Aliasing beim Heruntersetzen des gewünschten Signals, da dieses üblicherweise außerhalb der ersten Nyquist-Zone liegt. Es sind jedoch die von unerwünschten Signalen ausgelösten Reaktionen, die generell ein Problem sind, weil sie sich unabsichtlich auf die gewünschten Signale addieren, nachdem sie durch »Aliasing« in diesen Frequenzbereich verschoben wurden. Diese Signale müssen mit sorgfältiger Frequenzplanung, hoher HF-Filterung oder durch ausreichend hohe Abtastraten gedämpft werden, so dass es kein Aliasing gibt. Allerdings hat jede dieser Methoden herausfordernde Nachteile.

Synchrodyn-Schaltungen setzen das Signal auf das Basisband um, nahe DC. Obwohl dabei stets HF-Harmonische erzeugt werden, werden sie in allen Fällen gut vom Basisband weggemischt und vom Tiefpassverhalten der typischen Synchrodyn-Eingangsstufe, die in den folgenden Absätzen beschrieben wird, ausreichend gefiltert. Aliasing wird durch die relativ hohen Abtastraten des benutzten Basisband-Abtastsystems und derselben Eingangsstruktur ebenfalls gemindert.


  1. Direkte HF-Abtastung und Direktmischempfänger im Vergleich
  2. Herausforderung: Filter

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