Оборудование систем мобильной связи. Учебное пособие

Управление фазой, Ф(t)

Тактовая частота fo

Рис. 5.8. Фазовый модулятор на основе ПЦС

Цифровые усилители мощности DPA

Цифровой усилитель мощности (ЦУМ, Digital Power Amplifier, DPA) состоит из массива подключаемых элементарных усилителей, имеющих общий вход. Выходная мощность элементарных усилителей суммируется, а управление величиной выходной мощности ЦУМ происходит путем подключения необходимого количества элементарных усилителей.

Рис. 5.9. Пример обобщенной структуры цифрового усилителя мощности

Подключение элементарных усилителей, называемых обычно ячейками (Cell, Power Cell, Unit Cell), как правило, происходит путем подачи на них напряжения питания. Чаще всего в ЦУМ используются ячейки равного усиления (unary weighted cell), как это показано на рис. 5.9, однако применяются и бинарные (двоичные) ячейки (binary weighted cell), когда используется ряд мощности Р, 2Р, 4Р, 8Р и т.д. Сложение мощности от отдельных ячеек на выходе ЦУМ может производиться различными методами [5.7].

Для включения и выключения усилителей используется битовые комбинации управления амплитудой {Am,...,A1,A0}. Например, при 6-ти разрядном управлении ЦУМ в нем могут быть использованы 64 усилителя, как показано на рис. 5.9. При этом битовая

43

комбинация {А5,А4,А3A2,A1,A0} = {000000} будет выключать все усилители, Комбинация

{А5,А4,А3A2,A1,A0} = {111111} включит все 64 усилителя.

Иногда ЦУМ называют радиочастотными цифро-аналоговыми преобразователями

(RF DAC), так как в них происходит преобразование входной управляющей кодовой комбинации в выходное РЧ колебание, величина которого пропорциональна значению кодовой комбинации.

Таким образом, с помощью управляющего цифрового сигнала {Am,...,A1,A0}, поключающего необходимое количество элементарных усилителей, ЦУМ может быть использован для получения амплитудно-модулированных РЧ сигналов.

Из-за конечного числа уровней квантования по амплитуде неизбежно возникает некоторая погрешность между аналоговым и цифровым представлениями сигнала. Эта погрешность может быть охарактеризована как шум квантования (quantization noise) и приводит к изменению спектральных свойств выходного сигнала. Для многих видов сигналов шум квантования рассматривается как равномерно распределенный в пределах ±1/2∆, где ∆ - размер шага квантования одного младшего значащего бита.

Использование термального кода

Весьма удобным и часто используемым для подключения элементарных ячеек при управлении ЦУМ является цифровой термальный код (Digital Thermal Code), называемый зачастую термокодом.

Изменение цифрового термального кода аналогично поведению жидкости на шкале термометра. В отличие от двоичного кодирования или других методов кодирования, количество '1' в выходном коде увеличивается, начиная с младшего разряда, по мере увеличения кодируемой величины, например, выходной мощности:

∙0 Вт – 00000;

∙0,1 Вт – 00001;

∙0,2 Вт – 00011;

∙0,3 Вт – 00111;

∙0,4 Вт – 0111 и т.д.

Преимущество использования термального кода в ЦУМ состоит в том, что при повышении выходной мощности, подключенный элементарный усилитель остается в таком состоянии постоянно – однажды появившаяся в соответствующем разряде единица не меняется.

При использовании же бинарного кодирования элементарные усилители то включаются, то выключаются в зависимости от состояния соответствующего разряда, которое в этом случае периодически изменяется. Однако для достижения термального кодирования обычная двоичная (бинарная) последовательность должна быть перекодирована с помощью двоично-термального преобразователя кода ДТПК (Binary-to- Thermal Decoder).

44

fвх

4 MSB

(b7-b4)

Рис. 5.10. Структура ЦУМ с использованием термального кодирования

На рис. 5.10 приведена блок-схема реализации ЦУМ с матрицей из 256 элементарных ячеек усиления [5.8]. Восемь битов управляющей последовательности разделены на 4 старших значащих бита MSB и 4 младших значащих бита LSB. Каждые 4 бита декодируются в 16 бит термокода и повторно синхронизируются, чтобы предотвратить появление ложных сигналов. Все 16 младших значащих битов полученного термокода используются для управления рядом (row control) матрицы элементарных ячеек усилителей, в то время как 16 старших значащих битов кода используются для управления колонкой ячеек (column control). На выноске на Рисунок 6 показана схема элементарной ячейки усиления, которая содержит логический элемент "И-ИЛИ" (AND-OR) для того, чтобы декодировать коды рядколонка, и два транзистора. Нижний транзистор действует как коммутируемый источник РЧ сигнала (RF-driven current source), в то время как верхний используется как каскодная схема коммутации.

Цифровой РЧ модуль (DRFM) и цифровой РЧ процессор (DRP)

В цифровых РЧ модулях DRFM (Digital Radio Frequency Module) обработка сигналов происходит с максимальным использованием цифровых технологий. По сути дела, в

аналоговой форме сигнал присутствует только на входе приемника и на выходе передатчика.

Обобщенная архитектура структура цифрового РЧ модуля показана на рис. 5.11. В полностью цифровых передатчиках, выполненных на основе цифровой петли фазовой синхронизации ADPLL (all-digital phase-locked loop) используется полярная архитектура с полностью цифровыми трактами фазой/частотой и амплитудной модуляции с использованием конверторов время-цифра TDC (time-to-digital converter). В приемнике используется архитектура дискретного времени (discrete-time architecture), в которой происходит выборка и преобразование в цифровую форму непосредственно РЧ сигнала и используются аналоговые и цифровые методы обработки сигналов. Управляемый в

45

цифровой форме кварцевый генератор DCXO (digitally-controlled crystal oscillator)

генерирует высококачественный опорный сигнал, и в абонентском оборудовании синхронизируется сигналом базовой станции. РЧ приемопередатчик интегрирован с цифровым бейсбенд трактом DBB (digital baseband), оперативной памятью SRAM, системой управления питанием (power management) и блоком встроенного РЧ самотестирования RF BIST (RF built in self-test).

Рис. 5.11. Обобщенная структура цифрового РЧ модуля с трактом цифрового передатчика и приемником дискретного времени

Выполняемый в законченном виде в микросхеме системой на кристалле решении SoC (system-on-chip) и называется цифровым РЧ процессором DRP (Digital RF Processor).

Ключевые идеи и схемотехнические решения, используемые при разработке двух поколений цифрового РЧ процессора DRP для технологий Bluetooth и GSM/EDGE, реализованных в цифровой КМОП технологии, можно найти в работе [5.9, 5.10].

46