Design de rádio de fator de forma pequeno para bandas X e Ku

Muitos sistemas eletrônicos aeroespaciais e de defesa nos campos de satcom, radar e EW / SIGINT há muito tempo exigem acesso a uma parte ou a todas as bandas de frequência X e Ku. À medida que esses aplicativos mudam para plataformas mais portáteis, como veículos aéreos não tripulados (UAVs) e rádios de mão, é fundamental desenvolver novos designs de rádio de baixa potência e fator de forma pequeno que operem nas bandas X e Ku, enquanto ainda mantém níveis muito altos de atuação. Este artigo descreve uma nova arquitetura IF de alta frequência que reduz drasticamente o tamanho, peso, potência e custo do receptor e do transmissor, sem afetar as especificações do sistema. A plataforma resultante também é mais modular, flexível e definida por software do que os designs de rádio existentes. Introdução Nos últimos anos, tem havido um esforço cada vez maior para alcançar larguras de banda maiores, maior desempenho e menor potência em sistemas de RF, ao mesmo tempo em que aumenta a faixa de frequência e diminui o tamanho. Essa tendência tem impulsionado as melhorias tecnológicas, que permitiram uma maior integração de componentes de RF do que antes. Existem muitos fatores que impulsionam essa tendência. Os sistemas Satcom estão obtendo taxas de dados desejadas de até 4 Gbps para dar suporte à transmissão e ao recebimento de terabytes de dados coletados por dia. Esse requisito está forçando os sistemas a operar nas bandas Ku- e Ka devido ao fato de que larguras de banda maiores e taxas de dados mais altas são mais fáceis de alcançar nessas frequências. Essa demanda significa uma maior densidade de canais e uma largura de banda mais ampla por canal. Outra área de requisitos crescentes de desempenho está em EW e inteligência de sinais. As taxas de varredura para esses sistemas estão aumentando, levando à necessidade de sistemas que tenham um PLL de ajuste rápido e ampla cobertura de largura de banda. O impulso em direção a menor tamanho, peso e potência (SWaP) e sistemas mais integrados origina-se do desejo de operar dispositivos portáteis no campo, bem como aumentar a densidade de canal em grandes sistemas de localização fixa. O avanço de matrizes em fases também é possibilitado por uma maior integração de sistemas de RF em um único chip. Conforme a integração empurra os transceptores cada vez menores, ela permite que cada elemento da antena tenha seu próprio transceptor, que por sua vez permite a progressão da formação de feixe analógica para a formação de feixe digital. A formação digital de feixes oferece a capacidade de rastrear vários feixes ao mesmo tempo a partir de uma única matriz. Os sistemas Phased Array têm uma infinidade de aplicações, seja para radar meteorológico, aplicações EW ou comunicações direcionadas. Em muitas dessas aplicações, o impulso para frequências mais altas é inevitável, pois o ambiente do sinal em frequências mais baixas se torna mais congestionado. Neste artigo, esses desafios são abordados usando uma arquitetura altamente integrada baseada no transceptor AD9371 como um receptor e transmissor IF, permitindo a remoção de um estágio IF inteiro e seus componentes associados. Inclui uma comparação entre os sistemas tradicionais e a arquitetura proposta, bem como exemplos de como essa arquitetura pode ser implementada por meio de um processo de design típico. Especificamente, o uso de um transceptor integrado permite algum planejamento de frequência avançado que não está disponível em um transceptor de estilo super-heteródino padrão. Visão geral da arquitetura super-heteródina A arquitetura super-heteródina tem sido a arquitetura de escolha por muitos anos devido ao alto desempenho que pode ser alcançado. Uma arquitetura de receptor super-heteródino normalmente consiste em um ou dois estágios de mixagem, que são alimentados em um conversor analógico-digital (ADC). Uma típica arquitetura de transceptor super-heteródina pode ser vista na Figura 1.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: // www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design/figure1.png?w=435 'alt = 'Figura 1' & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; Figura 1. Os super-heteródinos tradicionais das bandas X e Ku ​​recebem e transmitem cadeias de sinais. O primeiro estágio de conversão upconverters ou downconverters as frequências de RF de entrada para um espectro fora da banda. A frequência do primeiro IF (frequência intermediária) depende da frequência e do planejamento do spur, bem como do desempenho do mixer e dos filtros disponíveis para o front-end RF. O primeiro IF é então traduzido para uma frequência mais baixa que o ADC pode digitalizar. Embora os ADCs tenham feito avanços impressionantes em sua capacidade de processar larguras de banda maiores, seu limite máximo hoje é em torno de 2 GHz para desempenho ideal. Em frequências de entrada mais altas, há compensações no desempenho vs. frequência de entrada que deve ser considerada, bem como o fato de que taxas de entrada mais altas requerem taxas de clock mais altas, que aumentam a potência. Além dos mixers, existem filtros, amplificadores e atenuadores de passo. A filtragem é usada para rejeitar sinais fora de banda indesejados (OOB). Se desmarcados, esses sinais podem criar espúrios que caem em cima de um sinal desejado, tornando difícil ou impossível demodular. Os amplificadores definem a figura de ruído e ganho do sistema, fornecendo sensibilidade adequada para receber pequenos sinais, mas não fornecendo tanto que o ADC over sature. Uma coisa adicional a ser observada é que essa arquitetura freqüentemente requer filtros de onda acústica de superfície (SAW) para atender aos rígidos requisitos de filtragem de anti-serrilhamento no ADC. Com os filtros SAW, vem uma filtragem nítida para atender a esses requisitos. No entanto, um atraso significativo, bem como uma ondulação, também são introduzidos. Um exemplo de um plano de frequência de receptor super-heteródino para a banda X é mostrado na Figura 2. Neste receptor, deseja-se receber entre 8 GHz e 12 GHz com largura de banda de 200 MHz. O espectro desejado se mistura com um oscilador local ajustável (LO) para gerar um IF em 5.4 GHz. O IF de 5.4 GHz então se mistura com um LO de 5 GHz para produzir os 400 MHz IF finais. O IF final varia de 300 MHz a 500 MHz, que é uma faixa de frequência em que muitos ADCs podem funcionar bem.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: // www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design/figure2.png?w=435 'alt = 'Figura 2' & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; Figura 2. Exemplo de plano de frequência para um receptor de banda X. Especificações do receptor - O que importa Além do ganho bem conhecido, figura de ruído e especificações de ponto de interceptação de terceira ordem, algumas especificações típicas que influenciam o planejamento de frequência para qualquer arquitetura de receptor incluem rejeição de imagem, rejeição de IF, espúria autogerada e radiação LO. Esporas de imagem - RF fora da banda de interesse que se mistura com LO para gerar tom em IF. IF spurs - RF na frequência IF que se esgueira pela filtragem antes do mixer e aparece como um tom no IF. Radiação LO - RF do LO vazando para o conector de entrada da cadeia receptora. A radiação LO fornece um meio de ser detectado, mesmo quando em uma operação de recepção apenas (consulte a Figura 3).       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/media/analog/en/landing- pages / technical-articles / x-and-ku-band-small-form-radio-design / figure3.png? w = 435 'alt =' Figura 3 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Figura 3. Radiação LO vazando de volta pela extremidade dianteira. Espúrio auto-gerado - estímulo em IF que resulta da mistura de relógios ou osciladores locais dentro do receptor. As especificações de rejeição de imagem se aplicam ao primeiro e ao segundo estágio de mixagem. Em uma aplicação típica para Banda X e Ku, o primeiro estágio de mixagem pode ser centralizado em torno de um FI alto na faixa de 5 GHz a 10 GHz. Um alto FI é desejável aqui, devido ao fato de que a imagem cai em Ftune + 2 × IF, conforme mostrado na Figura 4. Portanto, quanto maior o IF, mais longe a banda da imagem cairá. Esta banda de imagem deve ser rejeitada antes de atingir o primeiro mixer, caso contrário, a energia fora da banda nesta faixa aparecerá como espúria no primeiro IF. Esta é uma das principais razões pelas quais dois estágios de mistura são normalmente usados. Se houvesse um único estágio de mixagem, com o IF na casa das centenas de MHz, a frequência da imagem seria muito difícil de rejeitar no front end do receptor.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/ - / media / analog / en / landing-pages / technical-articles / x-and-ku-band-small-form-radio-design / figure4.png? w = 435 'alt =' Figura 4 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Figura 4. Imagens se misturando em IF. Uma banda de imagem também existe para o segundo mixer ao converter o primeiro IF para o segundo IF. Como o segundo IF é mais baixo em frequência (em qualquer lugar de algumas centenas de MHz a 2 GHz), os requisitos de filtragem do primeiro filtro IF podem variar um pouco. Para uma aplicação típica onde o segundo IF tem algumas centenas de MHz, a filtragem pode ser muito difícil com um primeiro IF de alta frequência, exigindo grandes filtros personalizados. Este pode frequentemente ser o filtro mais difícil de projetar no sistema, devido à alta frequência e aos requisitos de rejeição normalmente estreitos. Além da rejeição de imagem, os níveis de potência LO que voltam do mixer para o conector de entrada de recepção devem ser filtrados agressivamente. Isso garante que o usuário não seja detectado devido à energia irradiada. Para conseguir isso, o LO deve ser colocado bem fora da banda de passagem de RF para garantir que uma filtragem adequada possa ser realizada. Apresentando a arquitetura de alto IF A última oferta de transceptores integrados inclui o AD9371, um transceptor de conversão direta de 300 MHz a 6 GHz com dois canais de recepção e dois de transmissão. A largura de banda de recepção e transmissão é ajustável de 8 MHz a 100 MHz e pode ser configurada para operação duplex de divisão de frequência (FDD) ou duplex de divisão de tempo (TDD). A peça está alojada em um pacote de 12 mm2 e consome ~ 3 W de potência no modo TDD ou ~ 5 W no modo FDD. Com o avanço das calibrações de correção de erro de quadratura (QEC), uma rejeição de imagem de 75 dB a 80 dB é alcançada.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/ - / media / analog / en / landing-pages / technical-articles / x-and-ku-band-small-form-radio-design / figure5.png? w = 435 'alt =' Figura 5 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Figura 5. Diagrama de blocos do transceptor de conversão direta AD9371. O avanço do desempenho dos ICs transceptores integrados abriu uma nova possibilidade. O AD9371 incorpora o segundo mixer, segunda filtragem e amplificação de IF e atenuação variável ADC, bem como filtragem digital e decimação da cadeia de sinal. Nesta arquitetura, o AD9371, que possui uma faixa de sintonia de 300 MHz a 6 GHz, pode ser sintonizado em uma frequência entre 3 GHz e 6 GHz e receber o primeiro IF diretamente (veja a Figura 6). Com um ganho de 16 dB, NF de 19 dB e OIP3 de 40 dBm a 5.5 GHz, o AD9371 é idealmente especificado como um receptor IF.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / technical-articles / x-and-ku-band-small-form-radio-design / figure6.png? w = 435 'alt =' Figura 6 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Figura 6. Transceptor de banda X ou Ku com AD9371 como receptor IF. Com a utilização do transceptor integrado como receptor IF, não há mais preocupação com a imagem através do segundo mixer, como é o caso do receptor super-heteródino. Isso pode reduzir muito a filtragem necessária na primeira faixa de FI. No entanto, ainda deve haver alguma filtragem para compensar os efeitos de segunda ordem no transceptor. A primeira faixa IF agora deve fornecer filtragem em duas vezes a primeira frequência IF para negar esses efeitos - uma tarefa muito mais fácil do que filtrar a segunda imagem e afastar o segundo LO, que pode estar próximo a várias centenas de MHz. Normalmente, esses requisitos de filtragem podem ser atendidos com pequenos filtros LTCC de baixo custo e prontos para uso. Este design também fornece um alto nível de flexibilidade no sistema e pode ser facilmente reutilizado para diferentes aplicações. Uma maneira de fornecer flexibilidade é na seleção de frequência IF. Uma regra geral para a seleção de IF é colocá-lo em uma faixa de 1 GHz a 2 GHz mais alta do que a largura de banda do espectro desejada por meio da filtragem de front-end. Por exemplo, se o projetista deseja 4 GHz de largura de banda de espectro de 17 GHz a 21 GHz por meio do filtro frontal, o IF pode ser colocado em uma frequência de 5 GHz (1 GHz acima da largura de banda desejada de 4 GHz). Isso permite uma filtragem realizável no front end. Se apenas 2 GHz de largura de banda forem desejados, um IF de 3 GHz pode ser usado. Além disso, devido à natureza definível por software do AD9371, é fácil alterar o IF em tempo real para aplicações de rádio cognitivas, onde o bloqueio de sinais pode ser evitado à medida que são detectados. A largura de banda facilmente ajustável do AD9371 de 8 MHz a 100 MHz permite evitar a interferência perto do sinal de interesse. Com o alto nível de integração na arquitetura de alto IF, terminamos com uma cadeia de sinal do receptor que ocupa cerca de 50% do espaço necessário para um super-heteródino equivalente, enquanto diminui o consumo de energia em 30%. Além disso, a arquitetura de alto IF é um receptor mais flexível do que a arquitetura super-heteródina. Essa arquitetura é um habilitador para mercados de baixo SWaP, onde o tamanho pequeno é desejado sem perda de desempenho. Planejamento da freqüência do receptor com a arquitetura de alto IF Uma das vantagens da arquitetura de alto IF é a capacidade de ajustar o IF. Isso pode ser particularmente vantajoso ao tentar criar um plano de frequência que evite qualquer interferência em derivação. Um estímulo de interferência pode ocorrer quando o sinal recebido se mistura com o LO no mixer e gera um estímulo m × n que não é o tom desejado dentro da banda IF. O mixer gera sinais de saída e spurs de acordo com a equação m × RF ± n × LO, onde m e n são inteiros. O sinal recebido cria um estímulo m × n que pode cair na banda IF e, em certos casos, o tom desejado pode causar um estímulo cruzado em uma determinada frequência. Por exemplo, se observarmos um sistema projetado para receber 12 GHz a 16 GHz com um IF em 5.1 GHz, como na Figura 7, as frequências de imagem m × n que fazem com que um estímulo apareça na banda podem ser encontradas com a seguinte equação : & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical -articles / x-and-ku-band-small-form-form-radio-design / figure7.png? w = 435 'alt =' Figura 7 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp ; amp; amp; gt; Figura 7. Receptor de 12 GHz a 16 GHz e arquitetura de alta IF do transmissor. Nessa equação, RF são as frequências de RF na entrada do mixer, que causam a queda de um tom no IF. Vamos usar um exemplo para ilustrar. Se o receptor estiver sintonizado em 13 GHz, isso significa que a frequência LO está em 18.1 GHz (5.1 GHz + 13 GHz). Colocando esses valores na equação anterior e permitindo que m e n variem de 0 a 3, obtemos a seguinte equação para RF: Os resultados estão na tabela a seguir: Tabela 1. M × N Tabela espúria para 18.1 GHz LO mn RFsum (GHz) RFdif (GHz) 1 1 23.200 13.000 1 2 41.300 31.100 1 3 59.400 49.200 2 1 11.600 6.500 2 2 20.650 15.550 2 3 29.700 24.600 3 1 7.733 4.333 3 2 13.767 10.367 3 3 19.800 16.400 Na tabela, a primeira linha / quarta coluna mostra o sinal de 13 GHz desejado, que é o resultado de um produto 1 × 1 no mixer. A quinta coluna / quarta linha e a oitava coluna / terceira linha mostram frequências dentro da banda potencialmente problemáticas que podem aparecer como spurs na banda. Por exemplo, um sinal de 15.55 GHz está dentro da faixa desejada de 12 GHz a 16 GHz. Um tom a 15.55 GHz na entrada se mistura com o LO, para gerar um tom de 5.1 GHz (18.1 × 2–15.55 × 2 = 5.1 GHz). As outras linhas (2, 3, 4, 6, 7 e 9) também podem representar um problema, mas, por estarem fora da banda, podem ser filtradas pelo filtro passa-banda de entrada. O nível do esporão depende de vários fatores. O principal fator é o desempenho do mixer. Como um mixer é inerentemente um dispositivo não linear, existem muitos harmônicos gerados dentro da peça. Dependendo de quão bem os diodos dentro do mixer são combinados e quão bem o mixer é otimizado para desempenho espúrio, os níveis na saída serão determinados. Um gráfico do misturador spur normalmente é incluído na planilha de dados e pode ajudar a determinar esses níveis. Um exemplo de gráfico de estímulo do misturador é mostrado na Tabela 2, para o HMC773ALC3B. O gráfico especifica o nível de dBc dos spurs em relação ao tom 1 × 1 desejado. Tabela 2. Mixer Spur Chart para HMC773ALC3B n × LO 0 1 2 3 4 5 m × RF 0 - 14.2 35 32.1 50.3 61.4 1 –1.9 - 17.7 31.1 32.8 61.2 2 83 55.3 60 59.6 6 73.7 87.9 3 82.6 86.1 68 68.5 61.9 85.9 4 76 86.7 82.1 77.4 74.9 75.8 5 69.3 74.7 85.3 87 85.1 62 Com este gráfico de estímulo, juntamente com uma extensão da análise que foi feita na Tabela 1, podemos gerar uma imagem completa de quais tons de imagem m × n podem interferir em nosso receptor e em que nível. Uma planilha pode ser gerada com uma saída semelhante à mostrada na Figura 8.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / technical-articles / x-and-ku-band-small-form-radio-design / figure8.png? w = 435 'alt =' Figura 8 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Figura 8. Imagens m × n para receptor de 12 GHz a 16 GHz. Na Figura 8, a parte azul mostra a largura de banda desejada. As linhas mostram diferentes imagens m × n e seus níveis. A partir deste gráfico, é fácil ver quais requisitos de filtragem são necessários antes do mixer para atender aos requisitos de interferências. Nesse caso, há vários estímulos de imagem que caem na faixa e não podem ser filtrados. Agora veremos como a flexibilidade da arquitetura de alto FI nos permite trabalhar em torno de algumas dessas ramificações, algo que a arquitetura super-heteródina não oferece. Evitando interferências no modo receptor O gráfico na Figura 9 mostra um plano de frequência semelhante que varia de 8 GHz a 12 GHz, com um IF padrão de 5.1 GHz. Este gráfico oferece uma visão diferente dos spurs do mixer, mostrando a frequência de ajuste central vs. frequência de imagem m × n, em oposição ao nível de spur, conforme mostrado anteriormente. A linha diagonal 1: 1 em negrito neste gráfico mostra o esporão 1 × 1 desejado. As outras linhas do gráfico representam as imagens m × n. No lado esquerdo desta figura está uma representação sem flexibilidade na afinação IF. O IF é fixado em 5.1 GHz neste caso. Com uma frequência de sintonia de 10.2 GHz, um spur de imagem 2 × 1 cruza o sinal desejado. Isso significa que se você estiver sintonizado em 10.2 GHz, há uma boa chance de que um sinal próximo possa bloquear a recepção do sinal de interesse. O gráfico correto mostra uma solução para este problema com o ajuste flexível de IF. Neste caso, o IF muda de 5.1 GHz para 4.1 GHz perto de 9.2 GHz. Isso evita que o estímulo de crossover ocorra.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / technical-articles / x-and-ku-band-small-form-radio-design / figure9.png? w = 435 'alt =' Figura 9 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Figura 9. spur de crossover m × n sem flexibilidade IF (parte superior) e evitando o cruzamento com ajuste de IF (parte inferior). Este é apenas um exemplo simples de como os sinais de bloqueio podem ser evitados com a arquitetura de alto IF. Quando combinado com algoritmos inteligentes para determinar a interferência e calcular novas frequências IF potenciais, há muitas maneiras possíveis de fazer um receptor que pode se adaptar a qualquer ambiente espectral. É tão simples quanto determinar um IF adequado dentro de uma determinada faixa (normalmente 3 GHz a 6 GHz), então recalcular e programar o LO com base nessa frequência. Planejamento da frequência do transmissor com a arquitetura de alto IF Assim como no planejamento da frequência de recepção, é possível aproveitar a natureza flexível da arquitetura de alto IF para melhorar o desempenho espúrio do transmissor. Já no lado do receptor, o conteúdo da frequência é um tanto imprevisível. No lado da transmissão, é mais fácil prever o espúrio na saída do transmissor. Este conteúdo de RF pode ser previsto com a seguinte equação: Onde o IF é predefinido e determinado pela frequência de sintonia do AD9371, o LO é determinado pela frequência de saída desejada. Um gráfico de mixer semelhante ao feito para o canal do receptor pode ser gerado no lado da transmissão. Um exemplo é mostrado na Figura 10. Neste gráfico, os maiores spurs são a imagem e as frequências LO, que podem ser filtradas para os níveis desejados com um filtro passa-banda após o mixer. Em sistemas FDD onde a saída espúria pode dessensibilizar um receptor próximo, os spurs dentro da banda podem ser problemáticos e é aqui que a flexibilidade da sintonização IF pode ser útil. No exemplo da Figura 10, se for usado um IF estático de 5.1 GHz, haverá um spur de crossover na saída do transmissor, que será próximo a 15.2 GHz. Ajustando o IF para 4.3 GHz em uma frequência de sintonia de 14 GHz, o spur de crossover pode ser evitado. Isso é ilustrado na Figura 11.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / technical-articles / x-and-ku-band-small-form-radio-design / figure10.png? w = 435 'alt =' Figura 10 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Figura 10. Saída espúria sem filtragem.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / technical-articles / x-and-ku-band-small-form-radio-design / figure11.png? w = 435 'alt =' Figura 11 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Figura 11. O IF estático causa estímulo de cruzamento (topo), ajuste de IF para evitar estímulo de cruzamento (parte inferior). Exemplo de design - Sistema FDD de banda larga Para mostrar o desempenho que pode ser alcançado com esta arquitetura, um protótipo de receptor e sistema de transmissor FDD foi construído com componentes de dispositivos analógicos prontos para uso e configurado para operação de 12 GHz a 16 GHz na banda de recepção, e operação de 8 GHz a 12 GHz na banda de transmissão. Um IF de 5.1 GHz foi usado para coletar dados de desempenho. O LO foi definido para uma faixa de 17.1 GHz a 21.1 GHz para o canal de recepção e 13.1 GHz a 17.1 GHz para o canal de transmissão. O diagrama de blocos do protótipo é mostrado na Figura 12. Neste diagrama, a placa conversora X e Ku ​​é mostrada à esquerda e a placa de avaliação AD9371 é mostrada à direita.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / technical-articles / x-and-ku-band-small-form-radio-design / figure12.png? w = 435 'alt =' Figura 12 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Figura 12. Diagrama de blocos para receptor de banda X e Ku ​​e sistema de protótipo de transmissor FDD. Os dados de ganho, ruído e IIP3 foram coletados no conversor descendente de recepção e são mostrados na Figura 13 (parte superior). No geral, o ganho foi de ~ 20 dB, o NF foi de ~ 6 dB e o IIP3 foi de ~ –2 dBm. Algum nivelamento de ganho adicional pode ser realizado com o uso de um equalizador, ou uma calibração de ganho pode ser realizada utilizando o atenuador variável no AD9371.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / technical-articles / x-and-ku-band-small-form-radio-design / figure13.png? w = 435 'alt =' Figura 13 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Figura 13. Dados do receptor da banda Ku (parte superior), dados do transmissor da banda X (parte inferior). O conversor ascendente de transmissão também foi medido, registrando seu ganho, 0 P1dB e OIP3. Esses dados são plotados em frequência na Figura 13 (parte inferior). O ganho é de ~ 27 dB, P1 dB ~ 22 dBm e OIP3 ~ 32 dBm. Quando esta placa é acoplada ao transceptor integrado, as especificações gerais para recepção e transmissão são mostradas na Tabela 3. Tabela 3. Tabela de desempenho geral do sistema Rx, 12 GHz a 16 GHz Tx, 8 GHz a 12 GHz Ganho 36 dB Potência de saída 23 dBm Ruído Figura 6.8 dB Nível de ruído –132 dBc / Hz IIP3 –3 dBm OIP3 31 dBm Pino, máx (sem AGC ) –33 dBm OP1dB 22 dBm In-Band m × n –60 dBc In-Band Spurs –70 dBc Potência 3.4 W Potência 4.2 W Em geral, o desempenho do receptor está alinhado com uma arquitetura super-heteródina, enquanto a potência é bastante reduzida . Um projeto super-heteródino equivalente consumiria mais de 5 W para a cadeia receptora. Além disso, a placa protótipo foi fabricada sem a prioridade de diminuir o tamanho. Com técnicas adequadas de layout de PCB, além da integração do AD9371 na mesma PCB do conversor descendente, o tamanho geral de uma solução usando essa arquitetura pode ser condensado em apenas 4 a 6 polegadas quadradas. Isso mostra uma economia significativa de tamanho em relação a uma solução super-heteródina equivalente, que seria mais próxima de 8 a 10 polegadas quadradas.

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