Die Nutzung eines Händlers mit einem umfassenden Sortiment an Komponenten für die komplette RF-Signalkette kann den Designprozess beschleunigen. Designer haben die Wahl zwischen unterschiedlichen Geräten und Kompromissen ohne unerwünschte Überraschungen.
RF- bzw. Drahtlosentwickler wurden bislang gut von Spezialherstellern bedient, die wichtige Teile der Signalkette zwischen der Analogantenne und den digitalisierten Bits anbieten. Es gibt nach wie vor eine Fülle von unabhängigen Lieferanten, die im Rahmen der funktionalen Blöcke und Komponenten für Empfangs- und Sendekanäle PLLs, LNAs sowie A/D- und D/A-Wandlern anbieten.
Dieses Modell der mehreren Quellen entwickelt sich jedoch weiter, da infolge der technischen Fortschritte eine wachsende Anzahl von RF-/Drahtlosfunktionen als integrierte Schaltungen (ICs) und Module implementiert werden. Verbesserte IC-Prozesse ermöglichen es IC-Händlern, in noch höhere Frequenzbereiche vorzudringen. Gleichzeitig bieten sie Funktionen, die zuvor von mehreren Geräten unterschiedlicher Hersteller bereitgestellt wurden. Anstatt die Signalkette aus unterschiedlichen Quellen zusammenzustückeln, können Designingenieure jetzt so gut wie alle Komponenten von einer einzigen qualifizierten Quelle beziehen.
Das Ergebnis ist, dass Designer anders an die Planung, Analyse und Erfüllung der Anforderungen von Signalketten herangehen können. Anstatt mit mehreren Websites sowie Datenblattstilen und Definitionen von Herstellern zu jonglieren, können sich die Designer auf die Ermittlung der Komponenten fokussieren, um eine ausgewogene Mischung aus notwendigen und praktischen Attributen zu erhalten, die ihren Anforderungen entsprechen. Dies spart Zeit, reduziert Frustrationen und erleichtert die ordnungsgemäße Abstimmung von Komponenten in der heutigen Designumgebung, in der jedes dB an Leistung kritisch ist, Verluste sich akkumulieren und Spezifikationen der zweiten und dritten Ordnung den Unterschied zwischen einem lediglich „ausreichend guten“ Design und einem Top-Design ausmachen, das alle Anforderungen erfüllt (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1: Designingenieure müssen heute mehr Funktionen bei höheren Frequenzen in komplexe Designs implementieren und dabei strenge Leistungsanforderungen erfüllen.
Erheblich mehr als nur ein angenehmer Marketingtrend
Für Designer, die nach Händlern mit einem vollständigen Produktsortiment für Signalketten suchen, bieten sich konkrete Vorteile. Dies zeigt beispielsweise die 2014 erfolgte Übernahme der Hittite Microwave Corp. durch Analog Devices, Inc (ADI). Händler waren zu dieser Zeit anerkannte Führer, die sich primäre auf separate Funktions- und Frequenzbereiche der RF-Signalkette spezialisiert hatten, ohne dass es nennenswerte Überschneidungen gab. Obgleich diese Kombination interne Vorteile hinsichtlich der Produktionseffizienz sowie des Test- und Lieferkettenmanagements bot, sind die wahren Nutznießer des Wandels die Designer, die zwischen Komponenten und Händlern entscheiden müssen. Designer profitieren jetzt von einem zentralen Ansprechpartner für erstklassige Technologie und lieferfähige, unterstützte Produkte.
Diese Vorteile für Ingenieure haben mehrere Gründe. Zunächst erhalten Designer einen besseren Überblick über die Möglichkeiten für ihre Signalkette, was die Reichweite und Kompromisse hinsichtlich der Leistung sowie die Preis-/Leistungsstufen anbelangt. Dank der verbesserten Abstimmung der Signalkettenkomponenten hinsichtlich Parametern und Leistung reduzieren sich auch die Herausforderungen, der Zeitaufwand und die Risiken. So erübrigt sich beispielsweise die Suche nach einem Händler mit einem passenden Pufferverstärker für einen bereits ausgewählten High-End-A/D-Wandler, da ein Händler jetzt beides bietet. Dieser kann dem Designer zudem unter anderem über Online-Auswahlhilfen passende Kombinationen vorschlagen.
Denken Sie beispielsweise an ein repräsentatives RF-Design eines Low-End-Spektrumanalysators, wie in Abbildung 2. Für alle aktiven Funktionen bietet Analog Devices jetzt neben den zahlreichen Parametern, die jedes Gerät ausmachen, eine Auswahl an Komponenten mit unterschiedlichen Leistungsspezifikationen.
Abbildung 2: Analog Devices bietet für jede aktive Komponentenfunktion in diesem Blockdiagramm eines typischen Low-End-Spektrumsanalysators anstelle von Einheitsprodukten ein individuelles Sortiment an Komponenten.
Die Verfügbarkeit dieser umfassenden Produktlinie bietet Designern zahlreiche Vorteile. Zunächst stehen ihnen mehr vollständig charakterisierte Lösungen zur Verfügung, deren elektrische und spezifikationstechnische Kompatibilität sichergestellt ist. Aufgrund der konsistenten Parameterdefinitionen und Terminologie müssen Designers nicht länger herausfinden, ob unterschiedliche Händler für ein und dieselbe Funktion auch tatsächlich die gleiche Definition und dieselben Testbedingungen verwenden.
Faktoren wie SFDR, Dynamikbereich, Bandbreite, ENOB, IP3 und Rauschzahl lassen sich in einem aussagekräftigen Teilevergleich auf einfache Weise gegenüberstellen. Gleichzeitig erhalten Designer die Gewissheit, dass die Schnittstellen zwischen funktionalen Blöcken konsistente Definitionen und Kompatibilitäten aufweisen. Dies erleichtert die Auswahl der gesamten Komponentenreihe.
Auch hinsichtlich der Referenzdesigns, die von Designteams heute zum Aufbau des Rahmens und als Grundlage ihrer Projekte in hohem Umfang genutzt werde, gibt es Vorteile zu verzeichnen. Wenn ein einzelner Händler alle oder die meisten aktiven Geräte der Signalkette anbietet, lassen sich auf einfache Weise komplette, getestete und vollständig charakterisierte Referenzdesigns und Dokumentationen erstellen. Patchworkdesigns für Einzelkomponente oder Unterfunktionen wie den Digitalisierer gehören damit der Vergangenheit an. Dies beschleunigt sowohl die Entscheidungsfindung als auch die Beurteilung. Zudem kann der Händler kritische Supportsoftware einschließlich GUIs, Testsuites und sogar formale Qualifikationen für Branchenstandards anbieten.
Ein Beispiel ist der flexible, frequenzagile IF-zu-Basisband-Direktmischempfänger CN0320 von Analog Devices mit variabler Basisbandverstärkung und programmierbarer Basisbandfilterung sowie einem Dual-A-D-Wandler (siehe Abbildung 3). Den Kern des Schaltkreises bildet ein integrierter I/Q-Demodulator mit Fractional-N-PLL und -VCO. Mit nur einer Referenzfrequenz kann der PLL/VCO einen lokalen Oszillator mit 750 bis 1150 MHz bereitstellen. Der präzise Quadraturausgleich und die geringen Gleichspannungsoffsets am Ausgang stellen einen minimalen EVM-Verlust (Error Vector Magnitude) sicher.
Dieser Schaltkreis verfügt über vollständig differentielle Schnittstellen. Die Vorspannungsstufen der angrenzenden Stufen sind im Fall einer DC-Kopplung miteinander kompatibel. Das komplette Referenzdesignpaket beinhaltet ein Schaltbild, eine Stückliste, Gerber-Dateien, Allegro-Dateien und sogar die Montagezeichnung.
Abbildung 3: Vom Händler bereitgestellte Referenzdesigns gewinnen bei der Designentscheidung zunehmend an Bedeutung. Dieses vereinfachte Schaltbild eines IF-zu-Basisband-Direktmischempfängers verwendet als Kern der Antenne-zu-Bits-Signalkette ein Trio aus RF-Komponenten von Analog Devices.
Unter Zeitdruck stehende Designer von Systemen, die von kostensensiblen Produkten mit moderater Leistung bis hin zu führenden Hochleistungssystemen reichen können, müssen infolgedessen weniger Zeit für die Auswahl der „besten“ Teile für jede Stufe aufwenden. Sie können sich stattdessen auf die kritischsten Stufen in ihren Anwendungen fokussieren und mehr Zeit für das detaillierte Systemdesign und Tests aufwenden. Als weiterer Vorteil reduzieren sich die Herausforderungen hinsichtlich der Komponentenbeschaffung, da alle Komponenten von einem qualifizierten, angesehenen Händler bezogen werden können. Selbst die Wiederverwendung bekannter und vertrauter Komponenten in aktualisierten Designs oder Produkterweiterung vereinfacht sich. Mit der Verwendung neuer Teile häufig einhergehende Überraschungen eliminieren sich fast gänzlich.
Ein konkreter Vorteil für den Händler liegt in der Möglichkeit, eine vollständige Signalkettenunterstützung anbieten zu können, von der folglich auch die Benutzer profitieren. Die Anwendungsgruppe des Händlers, die bei der Markteinführungszeit eine wichtige Rolle spielt, kann Benutzern aufgrund der fundierteren technischen Einblicke in den vollständigen Antenne-zu-Bits-Pfad und die spezielle Anwendung besser helfen. Darüber hinaus kann der Händler potenzielle Lücken hinsichtlich erforderlicher Geräte oder Leistungen, wie etwa einen für bestimmte Anwendungen optimierten Puffer-Vorverstärker für einen Wandler, schneller erkennen und füllen.
Der Händler ist durch den Zugriff auf unterschiedliche Designtechniken und Verpackungsoptionen (z. B. monolithisch, Multichip oder Flip-Chip) in der Lage, ein breites Sortiment an Teilen anzubieten. Benutzer können basierend auf den jeweiligen Parametern zwischen verschiedenen Teilen mit erstklassiger Leistung wählen.
So zeichnet sich der Fractional-Synthesizer HMC703 für DC-zu-8-GHz-RF-Eingängen (Abbildung 4) beispielsweise durch das geringste Phasenrauschen und die niedrigsten Störemissionen der Branche aus (-112 dBc/Hz bei 8 GHz Fractional, 50 kHz Offset), wodurch Modulationsschemen einer höheren Ordnung möglich sind. Zudem weist er mit -230 dBc/Hz (Fractional-Modus) und -233 dBc/Hz (Ganzzahl-Modus) die höchsten Leistungszahlen auf. Des Weiteren bietet der HMC703 unter anderem Attribute wie Frequenzdurchlauf- und Modulationsfunktionen, externe Auslösung, Doppelpufferung, exakte Frequenzsteuerung sowie Phasenmodulation.
Abbildung 4: Der Fractional-Synthesizer für DC-zu-8-GHz-RF-Eingänge zeichnet sich durch das branchenweit geringste Phasenrauschen, die niedrigsten Störemissionen und die höchsten Leistungskennzahlen aus.
Für Benutzer, die ein höheres Maß an funktionaler Integration bevorzugen, bietet der 6,8-GHz-Breitband-Synthesizer ADF4355 (Abbildung 5) einen integralen VCO mit einer grundlegenden Ausgangsfrequenz zwischen 3400 und 6800 MHz. Die VCO-Frequenz ist mit durch 1, 2, 4, 8, 16, 32 oder 64 teilbaren Schaltkreisen verbunden, sodass Benutzer Frequenzen von nur 54 MHz erzeugen können. Der Fractional-N-Synthesizer und der Ganzzahl-N-Synthesizer zeichnen sich durch einen hochauflösenden modularen 38-Bit-Zähler aus. Der VCO zeichnet sich durch ein geringes Phasenrauschen zwischen 113 dBc/Hz (100 kHz Offset vom 5,0-GHz-Träger) und -155 dBc/Hz (10 MHz Offset vom 3,4-GHz-Träger), ein normalisiertes bandinternes Phasengrundrauschen von -221/-223 dBc/Hz (Fractional-Kanal/Ganzzahl-Kanal) sowie einen integrierten RMS-Jitter von 150 fsec aus.
Abbildung 5: Der 6,8-GHz-Breitband-Synthesizer ADF4355 mit internem VCO zeichnet sich zudem durch einen modularen 38-Bit-Zähler sowie ein beeindruckend geringes Phasenrauschen und bandinternes Phasengrundrauschen aus.
Ein breit aufgestellter Lieferant bringt neue Vorteile für das Projekt. Der Händler verfügt über einen tieferen Einblick in die gesamte Signalkette und damit kompatible Anwendungen, was die Entwicklung besserer und umfassenderer Modellierungs- und Simulationstools ermöglicht. Simulationen lassen sich leichter und mit weniger oder gar keinen Lücken in der Signalkette einrichten.
ADIsimRF ist beispielsweise ein einfach zu verwendender RF-Signalkettenrechner, mit dem sich hintereinander geschaltete Verstärkerstufen, Rauschwerte, IP3 und P1db sowie der Energieverbrauch berechnen lassen (siehe Abbildung 6). Er enthält eingebettete Gerätemodelle für die meisten RF-Komponenten von ADI (einschließlich neu zum ADI-Portfolio gehörenden Teilen von Hittite) und unterstützt bis zu 20 Stufen. Die Modelle lassen sich einfach einfügen, entfernen oder vorübergehend stummschalten. Bei dem Rechner kann zwischen Sende- und Empfangsmodus umgeschaltet werden. Die Daten werden entsprechend für den Ausgang und Eingang angezeigt.
Abbildung 6: Ein wichtiger Schritt vorab ist beim RF-Kanaldesign die Schaltkreismodellierung und -simulation. Das ADIsimRF-Tool berechnet kritische Leistungsergebnisse für Signalketten mit bis zu 20 Komponenten.
Zudem stehen weitere Tools zur Verfügung. ADIsimPLL ist ein einfach zu verwendendes Design- und Simulationstool für PLL-Synthesizer. Es unterstützt die Simulation der wichtigsten nicht linearen Effekte, die sich auf die PLL-Leistung auswirken, wie Phasenrauschen, Fractional-N-Störemissionen und Anti-Backlash-Impulse. Ebenso wie ADIsimRF bezieht auch ADIsimPLL Komponenten von Hittite ein. Für Designers, die Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler auswählen oder bewerten, bietet VisualAnalog™ eine leistungsstarke Reihe von Simulations- und Datenanalysetools mit einer benutzerfreundlichen grafischen Schnittstelle. Diese ermöglichen Designern die benutzerdefinierte Analyse von Eingangssignalen und Daten. Dank anpassbarer Berechnungen lassen sich Nachbarkanalleistungen (Adjacent Channel Power Ratio, ACPR) vorhersagen und I/Q-Konstellationen für simulierte A/D-Wandlerausgänge oder Daten von Evaluation-Boards anzeigen.
Fazit
Die Nutzung eines Lieferanten mit einem breiten Portfolio von Antennen bis Bits kann das RF-/Drahtlosdesign in vielerlei Hinsicht vereinfachen. Es erleichtert neben der grundlegenden Komponentenauswahl auch die Modellierung und die Simulation und bietet Lösungen bei Herausforderungen mit Softwaretreibern. Zudem kann ein Komplettlieferant einen verbesserten Designunterstützungspfad einschließlich Referenzdesigns, Anwendungsentwicklung und Anwendungshinweisen bereitstellen.
Gleichzeitig stehen dem Designteam Angebote verschiedener Hersteller zur Auswahl zur Verfügung. Dennoch wird sichergestellt, dass das Team mit einem Händler arbeitet, der neben einem Gesamtüberblick über die Signalkette auch über die Möglichkeiten und Teile verfügt, um diese auf unterschiedlichen Leistungs- und Kostenstufen zu unterstützen.