wersja mobilna
Online: 687 Niedziela, 2016.12.11

Technika

Szybki przetwornik analogowo-cyfrowy poprawia skuteczność działania wieloantenowego systemu komunikacji

czwartek, 03 marca 2016 12:25

W nowoczesnych systemach komunikacji bezprzewodowej stosuje się wiele technik zwiększających wydajność transmisji danych i niezawodność tej komunikacji. Dane koduje się w dziedzinie czasu i częstotliwości tak, aby osiągnąć jak najlepsze wyniki. Przeplatanie w czasie pakietów, wykorzystanie kilku kanałów częstotliwości oraz kodowanie sekwencji binarnych ma także na celu ograniczenie stopy błędów.

Opisane techniki są z powodzeniem stosowane od lat i stale są doskonalone, na przykład łączy się je dodatkowo za pomocą technik takich jak MIMO (multiple input, multiple output - wiele wejść i wyjść) z systemami wieloantenowymi i układami kształtującymi wiązkę sygnału po to, aby w warunkach wielotorowej propagacji zapewnić najlepsze warunki odbioru.

W takim przypadku odbiór sygnału następuje za pomocą kilku równolegle pracujących odbiorników i zestawów antenowych, z których każdy dołączony jest do innego kanału przetwornika analogowo-cyfrowego. Dla precyzyjnej demodulacji i dekodowania sygnału staje się bardzo istotne, żeby wykorzystywany przetwornik zapewniał jak najlepszą synchronizację pomiędzy poszczególnymi kanałami, na poziomie pikosekundowym.

W takim przypadku zapewnione są optymalne warunki dekodowania, w których moment odczytania wartości analogowych reprezentujących sygnał przypada na środek przedziału czasowego odpowiadającemu pojedynczemu bitowi.

TDMA, FDMA, CDMA

Rys. 1. System komunikacyjny z synchronizowanymi przetwornikami LTC2000A

Innym ważnym zagadnieniem technicznym w systemach komunikacyjnych jest zapewnienie wielodostępu, czyli możliwości pracy dla wielu użytkowników jednocześnie. Podstawową techniką w tym obszarze jest TDMA (time division multiple access ), czyli wielodostęp z podziałem czasowym.

Można powiedzieć, że w tym rozwiązaniu odbiornik po prostu czeka chwilę na otwarcie swojego okienka czasowego do komunikacji i wówczas odbiera i dekoduje dane. W technice FDMA (frequency division multiple access) działa podobnie, z tym że podział dokonywany jest w dziedzinie częstotliwości, a nie czasu. Odbiornik dekoduje tutaj dane pojawiające się na określonych częstotliwościach, inne ignoruje.

Z kolei w CDMA (code division multiple access), wielodostęp do danych, realizowany jest za pomocą specjalnego kodowania danych przed nadawaniem. Pozwala ono w odbiorniku na stwierdzenie, czy dane są przeznaczone dla tego odbiornika, czy nie. Nietrudno zauważyć, że ponieważ te trzy techniki zapewniania wielodostępu bazują na różnych dziedzinach, można je łączyć w ramach jednego systemu komunikacyjnego po to, aby uzyskać jak największą elastyczność. Są one bazą dla wielu generacji protokołów komunikacyjnych różniących się wydajnością komunikacji.

Poza licznymi zaletami techniki wielodostępu mają też wady, a jedną z najbardziej znanych jest zanikanie (fading). Zanikanie pojawia się w momencie, gdy amplituda sygnału obniża się poniżej progu czułości odbiornika w transmitowanym kanale na skutek wielotorowości propagacji. Liczne odbicia sygnału radiowego od obiektów zlokalizowanych pomiędzy anteną nadawczą i odbiorczą powodują, że pojawia się kilka dróg propagacji sygnału.

Fale w okolicy anteny odbiorczej sumują się i z uwagi na przesunięcia fazowe opóźnienia i zniekształcenia poszczególnych składowych (wynikające z krótszej lub dłuższej drogi) dodają się lub odejmują. Czasem odejmowanie jest na tyle skuteczne, że prowadzi do wytłumienia sygnału, czyli fadingu.

Walka z zanikami polega głównie na stosowaniu systemów wieloantenowych, przez co jeśli w obrębie jednej anteny pojawi się zanik pola, można liczyć, że druga będzie w stanie odebrać sygnał. Ponieważ zaniki pojawiają się losowo i trwają najczęściej krótką chwilę, zwłaszcza w komunikacji mobilnej, systemy wieloantenowe poprawiają znacznie szybkość komunikacji radiowej.

System wieloantenowy

Rys. 2. Oscylogram dla 16-kanałowego sygnału CDMA na wyjściu przetwornika

Jest wiele sposobów na realizację efektywnego od strony radiowej wieloantenowego systemu antenowego (antena diversity). Elementy antenowe mogą być rozłożone w przestrzeni w pobliżu odbiornika, co tworzy system SDMA (spatial division multiple access). Można użyć wielu anten po stronie nadawczej i pojedynczej anteny w odbiorniku - jest to system klasy MISO - (multiple input, single output). Może to być także system odwrotny z jedną anteną nadawczą i kilkoma odbiorczymi - SIMO albo system z wieloma antenami po stronie nadajnika i odbiornika - MIMO.

Nietrudno się domyślić, że systemy MIMO dają najlepsze rezultaty, ale są jednocześnie najbardziej skomplikowane. Wymagane jest też ciągłe sprawdzanie warunków komunikacyjnych w każdym kanale (charakteryzacja).

Na koniec warto dodać, że w miarę jak zwiększa się dystans pomiędzy odbiornikiem i nadajnikiem, złożoność systemu rośnie, a zalety wynikające z systemu wieloantenowego stają się coraz mniejsze. Nietrudno też zauważyć, że najczęściej konstruktorzy decydują się na użycie systemu z wieloma antenami nadawczymi i pojedynczą odbiorczą, bo tak jest najtaniej zapewnić dużą wydajność w systemach mobilnych.

W systemach MISO wykorzystuje się wiele przetworników cyfrowo-analogowych zapewniających jednoczesną transmisję danych w wielu kanałach. Niemniej jak wspomniano wcześniej, przy transmisji za pomocą wielu anten rozłożonych w przestrzeni, na przykład zlokalizowanych w różnych miejscach na maszcie antenowym, na skutek wielu dróg transmisji sygnał pojawiający się na zaciskach odbiornika jest sumą wielu różnych składowych pochodzących od każdej z anteny nadawczej i warunków propagacyjnych dla jej kanału radiowego.

Charakteryzacja poszczególnych kanałów, aby wybrać ten w danej chwili najlepszy, wymaga dodania do każdego tzw. tonu pilotującego, pozwalającego ocenić warunki propagacji, plus w konsekwencji także wybrać stosowną modulację, kodowanie i wielkość danych nadmiarowych do korekcji błędów.

W efekcie okazuje się, że do każdego kanału nadawczego w nadajniku wymagany jest oddzielny układ DSP i precyzyjny przetwornik DAC zapewniający perfekcyjne zgranie w czasie danych dla wszystkich kanałów. Brak synchronizacji powoduje, że wszystkie korzyści, na jakie liczy się z użycia systemu wieloantenowego, staną się niedostępne, a system zamiast transmisją, zajmie się korekcją błędów, ciągłą zmianą kanałów itp. Bezsprzecznie takie przetworniki muszą być zatem precyzyjnie synchronizowane i nietrudno domyślić się, że dokładna i precyzyjna synchronizacja ma tutaj znaczenie kluczowe.

Synchronizacja

Wydajny przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) pracujący z szybkością gigahercową jest niezwykle trudny do synchronizacji, zwłaszcza gdy proces dotyczy wielu oddzielnych układów. Przy próbkowaniu z częstotliwością 2,7 GHz stan na wyjściu zmienia się co 370 ps, co stwarza wiele problemów po stronie generatora sygnału zegarowego niezbędnego do taktowania tych układów i jego dystrybucji w ramach urządzenia, do poszczególnych jednostek.

Do takich zadań kierowany jest przetwornik LTC2000A firmy Linear Technology. Jest to układ 16-bitowego DAC pracujący z sygnałem cyfrowym 2,7 Gsps, który ma wewnętrzny rejestr pozwalający na precyzyjną regulację opóźnienia sygnału pojawiającego się na wyjściu, co umożliwia programową synchronizację.

Korekcja ta pozwala na zmiany w obrębie przestrzeni czasowej obejmującej 0,4 cyklu zegarowego, a więc dość dużo. Na rysunku 1 pokazano idealny system zawierający dwa przetworniki LTC2000A. Poprawne działanie wymaga zgrania długości ścieżek zapewniającej zgodność zboczy zegara rzędu pikosekundy. Dalej regulacja odbywa się poprzez wpis do rejestru opóźnienia w każdym z przetworników w poszczególnych kanałach transmisyjnych.

Wydajność

Rys. 3. Typowy schemat aplikacyjny LTC2000A

LTC2000A dzięki dużej szybkości pracy zapewnia możliwość konstrukcji wydajnego systemu komunikacji bezprzewodowej. Na rysunku 2 pokazano widmo 16-kanałowego sygnału CDMA z usuniętą szczeliną międzykanałową. Moc sygnału dla każdej z nośnych wynosi -36 dBm i jak widać, sygnał ma zaskakująco dobrą czystość widmową, stąd wymaga tylko minimalnego filtrowania na wyjściu przed skierowaniem do nadajnika.

Rysunek 3 pokazuje przykładowy układ sieci dopasowującej pomiędzy przetwornikiem a driverem stopnia mocy w.cz.

LTC2000A jest taktowany sygnałem zegarowym o szybkości do 2,7 GHz, co pozwala na pracę z sygnałem o paśmie do 1 GHz. Wysoka częstotliwość próbkowania sygnału wyjściowego pozwala na budowę wydajnych i nowoczesnych systemów komunikacyjnych wysokiej jakości.

Widmowa gęstość szumów dla LTC2000A jest lepsza niż 158 dBc/√Hz dla sygnałów o częstotliwościach do 500 MHz, co zapewnia dobry stosunek sygnał-szum. Niezły jest też bezzakłóceniowy zakres dynamiczny (Spurious Free Dynamic Range, SFDR) - lepszy niż 74 dB do 500 MHz i 65 dB do 1 GHz. Pozwala to na generowanie sygnałów czystych spektralnie bez konieczności późniejszej filtracji, a więc także z lepszą synchronizacją czasową.

Podsumowanie

Nowoczesne systemy komunikacji bezprzewodowej przez cały czas się rozwijają, zapewniając większą wydajność. Poprzez wykorzystanie systemu wieloantenowego można rozwiązań dokuczliwy problem z zanikami sygnału wynikający z wielotorowości propagacji sygnałów radiowych. Układ LTC2000A zapewnia wymaganą w takich rozwiązaniach precyzyjną synchronizację poprzez wpis do rejestru opóźnienia.

To proste z punktu widzenia użytkowego rozwiązanie zapewnia możliwość budowy systemu wieloantenowego wykorzystującego wszystkie techniki wielodostępu z podziałem w dziedzinie czasu, częstotliwości lub kodowania. Więcej informacji na temat LTC2000A można znaleźć w Internecie na www.linear.com/LTC2000A.

Clarence Mayott
Linear Technology Corp.

www.linear.com