Vereinfachung der Frequenzstabilität für Hochgeschwindigkeits-5G- und Datenwandlerdesigns

Die Frequenzquelle stellt oft den versteckten Flaschenhals in Hochgeschwindigkeits-Datenwandlern und 5G-Funksystemen dar. Mit steigenden Datenübertragungsgeschwindigkeiten und dem Übergang von 5G in höhere Frequenzbänder werden die Leistungsanforderungen deutlich schwieriger zu erfüllen. Die Liste der Anforderungen wächst stetig, oft in Richtungen, die den Leistungszielen entgegenstehen.

Wie das Fundament eines Gebäudes: Verschiebt sich die Frequenzquelle, ist alles darauf Errichtete beeinträchtigt. Der lokale Spannungsregleroszillator (VCO) stellt dieses Fundament dar, und jede Instabilität dort breitet sich im gesamten System aus, wo sie auch durch sorgfältigste Konstruktion an anderer Stelle nicht behoben werden kann.

Das Herzstück jedes Frequenzsynthesizers ist eine Phasenregelschleife (PLL). Die PLL ist der Mechanismus, der die Ausgangsfrequenz auf einen präzisen Referenzwert einstellt und diesen konstant hält. Sie ist es, die eine stabile, steuerbare Frequenzquelle von einem driftenden Oszillator unterscheidet.

Moderne Anwendungen wie Funkgeräte, Radargeräte, Phased-Array-Antennen, Multiband-Testgeräte und drahtlose Infrastrukturen wechseln ständig die Frequenz, um Interferenzen zu vermeiden, mehrere Kanäle zu unterstützen oder Strahlen elektronisch zu steuern. Bei jedem Frequenzwechsel muss die PLL (Phasenregelschleife) neu synchronisiert werden. Bis dahin ist das Signal instabil und praktisch unbrauchbar. Diese Synchronisationszeit beeinträchtigt die Reaktionsfähigkeit des Produkts erheblich.

Ein Datenwandler misst ein eingehendes Signal in präzisen, regelmäßigen Abständen, oft millionenfach pro Sekunde. Der Taktgeber bestimmt den Zeitpunkt jeder Messung. Jede Ungenauigkeit des Taktgebers, auch Jitter genannt, führt dazu, dass die Messungen zum falschen Zeitpunkt erfolgen und Fehler entstehen, die sich als Rauschen im Ausgangssignal bemerkbar machen. Je schneller das Signal, desto stärker ist dieser Effekt.

Bei 5G-Funkgeräten äußert sich dasselbe Problem anders. Der Lokaloszillator platziert das Funksignal präzise auf der korrekten Frequenz. Phasenrauschen in der Taktquelle führt zu Abtastjitter, der das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Wandlers direkt begrenzt und letztendlich zu Systemkennzahlen wie der Fehlervektormagnitude (EVM) beiträgt.

In beiden Fällen ist das Ergebnis dasselbe: Unsicherheiten in der Frequenzquelle führen zu Fehlern, die nachgelagert nicht mehr korrigiert werden können. Ein für außergewöhnliche Dynamik ausgelegter Wandler kann seine Zielwerte nur erreichen, wenn der ihn ansteuernde Taktgeber ebenso präzise ist.

In der Praxis bestimmt das Phasenrauschen des Synthesizers, wie viel Zeitunsicherheit sich im Taktsignal aufbaut – ausgedrückt als RMS-Jitter, eine einzelne Zahl, die die durchschnittliche Größe dieser Zeitfehler darstellt – und somit, wie viel vom Rausch- und Verzerrungsbudget des Wandlers verbraucht wird, bevor das Signal überhaupt digitalisiert wird.

Entwurfsüberlegungen

Bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Datenwandlern und 5G-Anwendungen ist es wichtig, die Kompromisse zu berücksichtigen, die die Leistung beeinflussen können:

• Das Phasenrauschen bestimmt das Hintergrundrauschen und legt die Obergrenze für den Dynamikbereich fest, um die bestmögliche Signalqualität zu erzielen – unabhängig von der Qualität aller anderen Komponenten. Bei einem 5G-Funkgerät entscheidet es darüber, ob das Modulationsverfahren vom Empfänger überhaupt dekodiert werden kann.
• Der Frequenzbereich bestimmt die Flexibilität. Ein Synthesizer, der das Zielband ohne externe Multiplikation oder Division abdeckt, vereinfacht den Entwurf, reduziert die Anzahl der Bauteile und eliminiert das Rauschen und die Komplexität, die durch diese zusätzlichen Stufen entstehen.
• Die Blockierungszeit bestimmt, wie schnell das System die Kanäle wechseln oder auf dynamische Bedingungen reagieren kann, was bei Frequenzsprung- und Strahlsteuerungsanwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

Eine PLL stabilisiert eine Frequenz, indem sie ihr Ausgangssignal kontinuierlich mit einem Referenzsignal vergleicht und Korrekturen vornimmt. Dieser Korrekturprozess wird durch eine Rückkopplungsschleife gesteuert und benötigt, wie jede Rückkopplungsschleife, eine gewisse Einschwingzeit, da die Schleife den Fehler erkennen, darauf reagieren und sich stabilisieren muss, bevor das Ausgangssignal nutzbar ist.

Bei herkömmlichen Schaltungen beeinflusst die Schleifenbandbreite, die die Ansprechgeschwindigkeit der PLL bestimmt, auch direkt das Phasenrauschen. Eine Verbreiterung der Schleife zur schnelleren Synchronisation verschlechtert das Phasenrauschen. Eine Verengung der Schleife zur Verbesserung des Phasenrauschens wirkt sich negativ auf die Synchronisationszeit aus. Dieser grundlegende Zielkonflikt zwang Entwickler dazu, Prioritäten für ihre Anwendung abzuwägen und die Konsequenzen dieser Entscheidung zu tragen.

Die neueste Generation integrierter Fractional-N-Synthesizer geht diese Zielkonflikte direkt an. Während frühere Lösungen Entwickler zwangen, zwischen Phasenrauschen und Integrationsgrad zu wählen, kombinieren die neuesten Geräte extrem niedriges Phasenrauschen mit einem breiten Frequenzbereich, kurzen Einrastzeiten und kompakter Bauweise und vereinen so in einer einzigen Lösung, was zuvor mehrere diskrete Bauteile erforderte.

Für die Synchronisierung von Datenwandlern bedeutet dies, dass das Hintergrundrauschen der Frequenzquelle nicht länger den Dynamikbereich des Systems begrenzt. Für 5G-Funkdesigns bedeutet dies, dass die Einhaltung der anspruchsvollen EVM-Vorgaben zu einem bereits gelösten Problem der Frequenzquelle und nicht mehr zu einem technischen Problem wird.

Moderne Hochfrequenzsysteme erzeugen Abtasttakte und Lokaloszillatoren typischerweise mithilfe von Fractional-N-PLL-Synthesizern. Obwohl diese Architekturen eine extrem hohe Frequenzauflösung ermöglichen, führt die Modulation des Teilerverhältnisses zu Quantisierungsrauschen und fraktionalen Störsignalen, die zum gesamten Phasenrauschen beitragen. Rauschen von einem Verstärker oder Filter beeinflusst das Signal, aber Rauschen von der Frequenzquelle verfälscht die Referenz, und eine ungenaue Referenz beeinträchtigt alle darauf basierenden Schaltungen.

Der integrierte VCO vereinfacht das Platinendesign.

Traditionell bedeutete Breitband-Frequenzsynthese das Zusammensetzen einer Signalkette aus diskreten Komponenten: externem VCO, PLL, Puffern und den damit verbundenen Konstruktionsproblemen. Analog Devices, Inc. (ADI) vereinfacht das Platinendesign mit Lösungen, die den VCO auf dem Chip integrieren und diese Kette in einem einzigen Gerät mit schneller Kalibrierung für Frequenzsprünge zusammenfassen, ohne dabei die für 5G-Funkdesigns und Hochgeschwindigkeits-Datenwandler erforderliche Phasenrausch- und Jitter-Performance zu beeinträchtigen.

Die Frequenzänderung erfolgt nicht sofort. Wenn eine PLL den Befehl zum Umschalten auf eine neue Frequenz erhält, durchläuft sie drei Phasen, bevor das Ausgangssignal nutzbar ist. Zunächst empfängt sie den Befehl zum Umschalten. Anschließend sucht sie intern nach den passenden Einstellungen zur Erzeugung der gewünschten Frequenz; diese Suchphase ist der langsamste Teil und dauert in einem modernen Breitbandgerät typischerweise zwischen 100 und 250 Mikrosekunden. Schließlich stabilisiert sie sich und stellt so sicher, dass das Ausgangssignal sauber genug für die Verwendung ist.

Die Familie ADF4382 ADI behebt den langsamen Zwischenschritt direkt. Anstatt bei jeder Frequenzänderung eine neue Suche durchzuführen, nutzt es eine integrierte Lookup-Tabelle mit 32 vorkalkulierten Einstellungen an bekannten Punkten über den gesamten Frequenzbereich für eine schnelle Kalibrierung. Bei einer neuen Frequenzanforderung werden die beiden nächstgelegenen gespeicherten Punkte ermittelt und zwischen ihnen interpoliert, um nahezu sofort die korrekten Einstellungen zu erhalten. Dadurch wird die gesamte Einrastzeit auf unter 10 Mikrosekunden und sogar auf bis zu 2 Mikrosekunden reduziert.

Drei Geräte verfügen über einen Dual-Core-VCO mit 512 überlappenden Bändern. Sie weisen außerdem die gleiche Gütezahl (-239 dBc/Hz), das gleiche extrem niedrige Jitter-Verhalten und die gleiche schnelle Kalibrierungsfähigkeit auf. Sie unterscheiden sich in ihrem Frequenzbereich:

• Der ADF4382 (Abbildung 1) deckt am Ausgang einen Frequenzbereich von 687.5 MHz bis 22 GHz ab und ist damit das Mitglied der Familie mit der größten Reichweite. Er ist der natürliche Ausgangspunkt für 5G-Millimeterwellen-Funkdesigns und andere Anwendungen wie Breitbandradare und Testinstrumente, die im oberen Bereich des Frequenzbereichs arbeiten müssen.
• El ADF4382A Abbildung 2 wird zur Synchronisierung von Hochleistungs-Datenwandlern empfohlen, die Ausgangsfrequenzen von 2.87 GHz bis 21 GHz abdecken und eine automatische Ausrichtung des Ausgangssignals an die Eingangsreferenzflanke über mehrere Ausgänge hinweg ermöglichen. Dies erlaubt Designs mit mehreren Wandlern, die von derselben Quelle synchronisiert werden und konsistente Timing-Beziehungen aufweisen.

Abbildung 2. Der ADF4382A ist für anspruchsvolle Taktanwendungen in Hochgeschwindigkeits-Datenwandlersystemen optimiert. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

• El ADF4383 (Abbildung 3) erweitert den Frequenzbereich im Vergleich zum ADF4382 nach unten und erweitert so dessen Einsatzmöglichkeiten auf Designs in niedrigeren Frequenzbändern. Dabei bleibt die Gesamtleistungsarchitektur der Familie, einschließlich schneller Kalibrierung und des gleichen Gütefaktors, erhalten. Der VCO-Bereich wird leicht von 10 GHz auf 20 GHz verschoben, wodurch Ausgangsfrequenzen bis zu 625 MHz mit internen Teilern möglich sind. Das verbesserte Phasenrauschen macht den VCO ideal für Systeme, die besonders saubere Mikrowellen-Taktsignale und Lokaloszillatoren benötigen.

Abbildung 3. Der ADF4383 erweitert den Frequenzbereich auf niedrigere Mikrowellenbänder und bietet gleichzeitig eine noch sauberere Takterzeugung für leistungsstarke HF-Anwendungen und Datenwandler. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Alle drei Varianten nutzen eine Ausgangsteilerarchitektur. Die Teiler ADF4382 und ADF4383 unterstützen Teilungsverhältnisse von 1, 2, 4, 8 und 16. Der ADF4382A verfügt über Teiler mit Teilung durch 2 und durch 4, die Frequenzen in zwei spezifischen Teilbereichen erzeugen: von 5.75 GHz bis 10.5 GHz bzw. von 2.875 GHz bis 5.25 GHz.

Diese Architektur ermöglicht es Entwicklern, die hohe Grundfrequenz des VCO jeder Komponente in eine lokale Takt- oder Oszillatorfrequenz umzuwandeln, die für spezifische Designanforderungen geeignet ist. Da sich der Ausgangsteiler innerhalb der PLL-Rückkopplungsschleife befindet, kann der Ausgang automatisch mit der Eingangsflanke synchronisiert werden, was die Synchronisierung mehrerer Chips erheblich vereinfacht.

Behebung von Hardwareproblemen mit Hilfe der Software

Die programmierbare Referenz-Ausgangs-Verzögerung der ADF4382-Familie mit Subpikosekunden-Auflösung ermöglicht die präzise Einstellung der Timing-Beziehungen zwischen den Bauteilen per Software, anstatt sich ausschließlich auf das exakte Platinenlayout zu verlassen. Dadurch wird ein ehemals schwieriges Hardware-Problem zu einem handhabbaren und programmierbaren.

Bei Verwendung der Schnellkalibrierung muss die Nachschlagetabelle neu generiert werden, wenn die Betriebstemperatur um mehr als ±20 °C von der Erstellungstemperatur abweicht. Für Anwendungen, die einen breiten Temperaturbereich mit schnellen Frequenzänderungen kombinieren, wie beispielsweise in der Automobilindustrie oder im industriellen Außenbereich, stellt dies eine einfache Anpassung der Firmware und keine grundsätzliche Einschränkung dar.

Für einen Produktentwickler ist die Auswahl unkompliziert. Er ermittelt die gewünschte Ausgangsfrequenz, prüft, welche Varianten diese ohne externe Multiplikation oder Division abdecken, und wählt die passende aus. In den meisten Fällen übernehmen die internen Frequenzteiler des Geräts die Umwandlung der VCO-Grundfrequenz in die vom jeweiligen Design benötigte Takt- oder Oszillatorfrequenz. Unabhängig von der gewählten Variante bleibt die zugrundeliegende Leistungsarchitektur unverändert: gleiche Leistungsmerkmale, gleiche schnelle Kalibrierung und gleiche Integrationsvorteile.

Fazit

Durch die Reduzierung der Frequenzumschaltzeit ermöglichen die Fractional-N-PLLs ADF4382, ADF4382A und ADF4383 von ADI schnellere, reaktionsschnellere und effizientere Frequenzsprungverfahren ohne Timing-Risiken. Dank ihrer gemeinsamen Architektur lassen sich Designs bei sich ändernden Anforderungen nahtlos von einer Variante auf eine andere migrieren.

Quelle: https://www.digikey.es/es/articles/simplifying-frequency-stability-for-high-speed-5g-and-data-converter-designs