Von Anfang an bestand eine der größten Herausforderungen für Entwickler von Funksystemen, und damit auch Breitband-Emfpängern, darin, die Einschränkungen der Bandbreite zu meistern. Schon frühzeitig dachten die Vorväter der Funksysteme, Frequenzen über mehrere Hundert Kilohertz seien aufgrund der Detektor-Einschränkungen nicht praktikabel. Pioniere wie etwa Fessenden oder Marconi plagten sich mit dieser Situation, bis Armstrong und Levy die Überlagerung perfektionierten und die Möglichkeit eröffneten, höhere Frequenzen des Spektrums auf niedrigere Frequenzen zu wandeln, sodass Detektoren sie mit der damaligen Technologie entsprechend verarbeiten konnten. Während dies höhere Frequenzen durch den Überlagerungsprozess ermöglichte, blieb die Bandbreite noch immer relativ begrenzt.

Eckdaten

Während Funksysteme mit Überlagerungstechnik die Entwicklung weiterhin beherrschen, hat die Breitband-ADC-Technologie den Punkt erreicht, wo HF-Sampling für eine Vielzahl von Anwendungen möglich ist, die einst durch Frequenzübersetzungsschaltungen dominiert wurden. Dieser Beitrag zeigt neue Möglichkeiten für direkt abtastende Breitbandsysteme.

Von bescheidenen Anfängen in den frühen 1990er Jahren bis heute hat sich die Fähigkeit der direkten Hochfrequenz (HF)-Abtastung von AD-Wandlern von einer Nyquist-Bandbreite von etwa 20 MHz auf über 5 GHz bei Produkten wie dem AD9213 erhöht. Durch die Markteinführung des AD9213 von Analog Devices und der großen Momentan-Bandbreite, die es unterstützt, haben sich neue Möglichkeiten eröffnet – nicht nur für messtechnische Empfänger, sondern auch für HF-Sampling-Funksysteme, signalerfassende Aufklärung (SIGINT) und Radar.

Typische GSPS-AD-Wandler stellen eine besondere Herausforderung an die gesamten Leistungsdaten, da sie mit mehreren parallel arbeitenden ADC-Cores aufgebaut sind, um eine höhere Abtastrate zu erreichen. Jeder Wandler benötigt ein präzises Timing, weil sonst bereits kleine Fehler zwischen einzelnen Wandlern zahlreiche spektrale Artefakte hervorrufen.

Darüber hinaus müssen AD-Wandler den analogen Eingangssignalen genau folgen und sie sorgfältig abtasten und digitalisieren, um lineare Verzerrungen zu verhindern. Die beiden Herausforderungen, Interleaving und Rohbandbreite, erschweren die Entwicklung von Breitband-ADCs, wenn eine hohe Qualität notwendig ist, beispielsweise in spektralen Anwendungen wie fortschrittliche Funk- und Messsysteme.

Bild 1: Blockschaltung des 10,25 GBit/s schnellen 12-bit-HF-A/D-Wandlers AD9213.

Bild 1: Blockschaltung des 10,25 GBit/s schnellen 12-bit-HF-A/D-Wandlers AD9213. Analog Devices

On-Chip-Dithering und -Kalibrierung erhöht Leistungsfähigkeit von Breitband-Empfängern

Der AD9213 ist aufgrund seiner hohen Linearität unter allen Signalbedingungen den Herausforderungen gewachsen. Erreicht wird dies durch die Implementierung von On-Chip-Dithering und -Kalibrierung, was den Betrieb mit höheren Frequenzen ermöglicht und die Leistungsfähigkeit erhöht. Bei einem CW-Eingang mit 4 GHz beträgt die spektrale Rauschdichte (NSD) etwa -152 dBFS/Hz und der störungsfreie Dynamikbereich (SFDR) ist typischerweise besser als 65 dBc, einschließlich zweiter und dritter Harmonischer. Dies ermöglicht echte 5G-Empfänger-Leistungsdaten auf Messtechnikniveau.

Bild 2: Single-Tone-Leistungsdaten.

Bild 2: Single-Tone-Leistungsdaten. Analog Devices

Zusätzlich zu den guten HF-Eigenschaften folgt das Verhalten von Harmonischen niedriger Ordnung dicht dem, was man von einem linearen Bauteil erwartet. Das heißt, Harmonische verhalten sich so, wie durch ein einfaches Polynom vorausgesagt, was atypisch für einen AD-Wandler ist. Dies ist wichtig, da es für hohe Leistungsfähigkeit in Umgebungen mit großen und kleinen Signalen sorgt.

Wie in den Power-Sweep-Daten in Bild 3 gezeigt, folgen die zweiten und dritten Harmonischen entsprechend ihres Eingangspegels dem vorhergesagten Verlauf und sobald das Grundrauschen der Messung erreicht ist, gibt es keine zusätzlichen Wiederholungen bei niedrigeren Eingangspegeln. Dies ist wichtig, weil es bei der Wahl eines Frequenzplans die Platzierung dieser dominanten Störungen außerhalb des Frequenzbands erlaubt. Störprodukte vierter Ordnung und höher sind nicht von Bedeutung. Bei der Überlagerung von Funksignalen sind Störungen von Funkmischern sorgfältig zu planen, um Interferenzen zu vermeiden. Das gleiche gilt für direkte HF-Abtastung.

Welche Entwcklungen bei den Breitband-Empfängern in den vergangenen Jahren stattfand, lesen Sie auf Seite 2.

Bild 3: Kenndaten des AD9213 bei zweiten und dritten Harmonischen.

Bild 3: Kenndaten des AD9213 bei zweiten und dritten Harmonischen. Analog Devices

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