CN0248: IF & BB VGA とプログラマブル BB フィルタを応用したIQ 復調器ベースの受信 IF 回路

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回路の説明

回路集(PDF版), 06/2012 (pdf, 192 kB)
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回路の機能とその利点
  • IF-to-based receiver
  • 30MHz to 2GHZ quadrature demodulation
  • Low EVM
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回路の機能とその利点

この回路は、フレキシビリティの高い、周波数変更が可能な受信IF回路です。信号レベルを調整するために、可変ゲイン・アンプ(VGA)を中間周波数(IF)およびベースバンド(BB)の両方で使用しています。BB用ADCを駆動するADRF6510には、周波数特性をプログラムできるローパス・フィルタ(LPF)が内蔵されており、帯域外妨害波やノイズを除去できます。BB信号の帯域に応じて、フィルタの帯域幅をダイナミックに調整することができます。これにより回路が駆動するADCの入力ダイナミックレンジをフルに活用できます。

回路の中心はIQ復調器です。2×LOの周波数で動作する位相スプリット方式の ADL5387は、広い周波数範囲で利用可能です。高い直交精度と低い出力DCオフセットにより、EVM (Error Vector Magnitude)の劣化を最小限にすることができます。

この回路内のすべてのコンポーネント間は完全差動でインタフェースされています。各段間でDC結合が必要な部分では、隣接する段間はそれぞれ直結できるバイアス・レベルになっています。

図 1. 簡略化したダイレクト・コンバージョン・レシーバの回路図(接続とデカップリングのすべては示されていません)

回路の説明

レシーバの構成

この回路ノートでは、ダイレクト・コンバージョン(ホモダインまたはゼロIFとも言います)構成のレシーバを紹介します。ダイレクト・コンバージョン・レシーバは、複数の周波数変換を行う必要性のあるスーパーヘテロダイン・レシーバと比べ、周波数変換は1回のみになっています。

周波数変換が1回のみであることは、以下の利点があります。

  • レシーバの複雑度、必要段数を削減可能。性能を向上でき、消費電力を小さくできる
  • イメージ除去の問題とスプリアス受信を防ぐ事ができ、BB信号でのLPFが必要なだけ
  • 高い信号選択性(隣接チャネル除去比[ACRR])をもつ

図1はシステムの概略図です。自動ゲイン制御(AGC)ループをもつ、カスケード接続されたIF VGA、直交復調器、VGA付きBBプログラマブルLPFから構成されています。図1に灰色で示した ADF4350 AD9248 は参考のために記載していますが(これらのデバイスの詳細はバリエーション回路の項を参照)、システム・レベルでの測定では使用しませんでした。

本来であれば初段の入力レベルと最終段の出力レベルが、システムのダイナミック・レンジ(信号対雑音比)を決定します。しかし現実はそうはなりません。直交復調器の前段にVGAを接続する事は、システムのゲインを得られるだけではありません。VGAのノイズ・フィギア(NF)が直交復調器よりも小さく、VGAがプラスのゲインで動作(減衰状態でない)している場合には、システム全体のノイズ性能を向上させることができます。システムの後段のNFは、初段VGAのゲインで割った値に低下します。単なる固定ゲイン・アンプではなく、VGAを使用する別のメリットは、AGCループにより直交復調器の入力レベルを一定にできるということです。直交復調器とその後段の信号レベルを制限するには、この機能が重要です。

IF VGAとAGCループ

IF VGAとAGCループ動作はADL5336で行います。

ADL5336 はカスケード接続可能な2つのVGA(VGA1、VGA2)を内蔵しています。各VGAは24 dBのアナログ・ダイナミック・レンジがあり、デジタルSPIポートでそれぞれのVGAのゲインレンジを変更する事ができます。

信号を一定レベルにするAGC機能を実現するために、ADL5336の各VGAの出力には、プログラマブル・アッテネータを介して2乗検出型ディテクタが接続されています。このディテクタは63 mVrmsの内蔵リファレンスとアッテネータ出力を比較し、この間に差があると誤差電流を生成します。この誤差電流はCAGCコンデンサで積分されます。

GAIN1/GAIN2ピンとDTO1/DTO2ピンを接続することでAGCループが実現されます。AGCループを正しく機能させるために、MODEピンを「ロー」にして、VGAのゲイン傾斜を負に設定してください。

ADL5336 の各VGAは、AGC回路をもちいて設定レベル(AGC動作点)にレベルを制御可能な、入力電力の許容範囲があります。その範囲外では、VGA出力は入力に対してデシベルに比例して増加あるいは減少します(VGAが飽和状態でないか、信号がノイズフロア以下でない限り)。

IQ 復調器

信号はADL5336 から ADL5387,に送られ、ADL5387で復調されてゼロIFに変換されます。シンセサイザADF4350から、ADL5387で必要な2×LO信号を供給します(バリエーション回路の項を参照)。しかし実際の試験ではADF4350の代わりに信号発生器を使用しました。

ADL5387は、I/Qチャネルそれぞれにダブル・バランスド・ミキサーを使用しています。ミキサーに供給されるLO信号は、2分周直交位相スプリッタで生成されます。これによりIチャネルとQチャネルに、0°信号と90°信号を供給します。ADL5387のRF入力からBB I/Q出力までの変換ゲインは約4.5dBです。

LPF、BB VGA、およびADCドライバ

LPF処理、BB信号の増幅、ADCドライバの機能は、すべて ADRF6510で実現されています。I/Qに分離した信号はADRF6510に入力されますが、ここで最初にプリアンプで増幅されます。次に不要な帯域外信号やノイズを除去するため、LPFでフィルタリングされ、最後にVGAで増幅されます。

ADRF6510の各部は 3段に分けることができます:

  • プリアンプ
  • プログラマブルLPF
  • VGAと出力ドライバ

プリアンプのゲインは、GNSWピンで6 dBか12 dBに選択できます。またSPIポートから、LPFコーナー周波数を1MHz~30MHzに1 MHz刻みで設定できます。VGAのゲイン傾斜は30 mV/dBで、ゲイン制御範囲は50 dBです。VGA のゲインはGAIN端子で制御しますが、ゲイン制御範囲はGNSWピンを「ロー」にした時に-5dB~+45dB、「ハイ」にした時に+1dB~+51dBになります。出力ドライバは2次、3次高調波を-60 dBc以下に抑えながら、1 kΩ負荷に対して差動信号1.5 V p-pで駆動できます。

ADRF6510の高調波レベルを許容範囲内に維持しつつ、LPFに供給できるCW信号の最大値は2 V p-p です。ADL5387、ADRF6510 いずれかを過入力にする可能性のある、大入力の帯域外干渉波があるアプリケーションでは、帯域外干渉波を(および帯域内の希望波も)VGA ADL5336で減衰させることができます。帯域外干渉がADRF6510のLPFで除去されれば、ADRF6510のフィルタ後段のX-AMPによるVGAで希望波のみを増幅できます。AD9248のような適切なA/Dコンバータ(ADC)にADRF6510 からI/Q信号を与えます。

測定結果

QPSK、5 MSPSで変調された信号を、ADL5336の入力に加えました。試験のセットアップの詳細は「回路評価と試験」の項を参照してください。

EVMはデジタル方式のトランスミッタおよびレシーバの性能/品質を表す尺度で、振幅・位相両方の誤差でコンスタレーションに生じる理想的位置からのずれです。これを図2に示します。

図 2. EVM の説明図

図 3は、ADL5336内蔵の2個のVGA(VGA1、VGA2)それぞれのゲインを最大(VGA1=15.2dB、VGA2=19.5dB)とした時の、システム全体でのADL5336入力電力対EVMの測定結果です。ここでは複数のAGC動作点の組み合わせで試験しました。図 4もADL5336入力電力対EVMの測定結果です。内蔵の2個のVGAはそれぞれ9.7dB、13.4dBに設定しました。AGC動作点は、同じ組み合わせで試験しました。

図 3. システムのEVM、デジタルVGA ゲイン= 11
図 4. システムのEVM、デジタルVGA ゲイン= 00

この図 3 と 図 4は、入力段やフィルタが飽和しないようにADRF6510への注入レベルを十分に低く保つ重要性を示しています。AGC動作点を最高(500 mVrmsと707 mVrms)としたときにIQ復調器ADL5387の入力が圧縮し始め、EVMも劣化してきます。AGC動作点が最低(88 mVrms)だと、ベストなEVMが得られます。AGC動作点が250 mVrms でEVMは劣化しはじめます。

図5ではADL5336内蔵のVGA1とVGA2のデジタルゲイン設定を最小と最大(VGAのゲインコードを両方とも「00」か「11」のいずれかに設定)にした時のEVMを比較しています。 AGC動作点もVGA1を250 mVrms、VGA2を88 mVrmsにしています。

図 5. VGA1 AGC動作点= 250 mV rms 、VGA2 AGC動作点= 88 mV rms 時のシステムのEVM

指定したAGC動作点に対して、ゲインコードを最大の「11」に設定した場合、VGA2がその制御範囲から外れると、VGA2からVGA1へ制御動作が切り替えられます。そのためADRF6510への注入レベルは、VGA1のAGC動作点に到達するまで増加していきます。EVMも悪化していきます。いったんVGA1がそれ自身のAGC動作点に到達すると、EVMは再びフラットになります。つまりADRF6510への注入レベルは、VGA1がゲイン制御範囲を外れる入力電力である約5dBmまで変化しないようになります。

ゲインコードを「00」に設定した場合、2個のVGAはさらに減衰量をとる事ができます、このことにより、VGA2のAGC動作点を、ゲインコード「11」に設定した時と同じような低い入力レベルにすることなく、VGA2のダイナミックレンジを適切な範囲にシフトする事ができます。これによりVGA2のAGC動作点をより高い入力電力レベルに保つ事ができ、VGA2がそのAGC制御範囲から外れる前に、VGA2からVGA1への制御動作の切り替えが可能になります。この事により、入力電力範囲の最大レベルまで、ADRF6510への注入レベルを一定に保つことができます。

図 6は、ADL5336のVGAのデジタルゲイン設定を最大(両方のVGAをゲインコード「11」)と最小(「00」)にした時のEVMを比較したものです。ADL5336のVGA1とVGA2のAGC動作点は、各々707mVrms、88 mVrmsに設定しました。

図 6. VGA1 AGC動作点= 707 mV rms 、 VGA2 AGC動作点= 88 mV rms時のシステムのEVM

図5の現象と同じものが図6でも起きていますが、さらに大きくなっています。ゲインコードが「00」の時、入力電力が約-40 dBmでVGA2はACG動作点に達します。VGA2は-10 dBm程度までそのACG動作点を維持しますが、VGA1は自身のACG動作点である707 mVrmsには達していません。VGA1は0 dBm程度までACG動作点に到達せず、到達後EVMはいくぶん平坦になります。ゲインコードを「11」に設定しても同様な現象が起こります。しかしこの場合はよりゲインが大きいため、-20 dBm程度でVGA2はACG動作点から外れてしまいます。

バリエーション回路

システムとシンセサイザ

ADL5387に2×LOを供給する信号発生器は、ADF4350のようなVCO内蔵の広帯域シンセサイザに置き換えることができます。ADF4350は位相ノイズを調整することができ、出力電力も可変な、広い周波数範囲(135 MHz~4350 MHz)で動作するシンセサイザ・ファミリーのうちのひとつで、アプリケーションの要求仕様に合ったデバイスを容易に選択できます。

システムとADC

ADRF6510のI/Q信号をADCでサンプリングする事で、自然なかたちでアナログ信号チェーンを完成させることができます。デュアルADC のAD9248は14ビット分解能で、20MSPS、40MSPS、65MSPSのサンプリング・レートのものが用意されています。ADRF6510とAD9248の間にアンチエイリアシング・フィルタを接続すると良いでしょう。アンチエイリアシング・フィルタの設計例については、ADRF6510のデータシートを参照してください。

ADRF6510出力コモンモード電圧の考察

ADRF6510出力コモンモード電圧は、駆動特性を犠牲にすることなく、1.5 V~3.0 Vの範囲で調整できます。近年の多くのADCの入力コモンモード電圧は1.5 V以下です。ADRF6510の出力コモンモード電圧が1.5V以下になるようにVOCMピンを駆動すると、ADRF6510の歪み性能が劣化し始めます。とはいえ、その出力コモンモード電圧レベルであってもADRF6510自体は動作します。歪み性能を高く維持するためには、DCレベルシフト回路を追加するか、より低いコモンモード電圧で動作する、フィルタとVGAが統合されたADRF6516などのデバイスを使用すると良いでしょう。

回路評価および試験

Equ使用する/必要な機器

信号発生器

  • ベクトル信号発生器 アジレントE4438C
  • 信号発生器 アジレントE4438C

BB信号を表示させる装置

  • オシロスコープ アジレントDSO90604A

EVM計算用

  • VSAソフトウェア アジレント89600
  • PC:OSはWindows XP、USBケーブルでオシロスコープに接続

電源

  • ±5 V電源。±5 Vが必要なAD8130評価用ボード以外のすべての評価用ボードは+5 Vが必要です。

評価用ボード

始めてみよう

ADL5336とADRF6510を評価するために、各デバイスを柔軟に制御できる評価ソフトウェアが必要となります。このソフトウェアは各製品のWebページに「設計支援ツール、モデル、ドライバ& ソフトウェア」のリンクとして載っています。 ソフトウェアをダウンロードし、インストールしたら、コンピュータと評価用ボードをUSBケーブルで接続し、制御するデバイスのソフトウェアを実行してください。

機能ブロック図

受信系の試験のためのセットアップのブロック図を図 7に示します。ADL5336評価用ボードは、シングルエンド入出力になっています。ADL5387評価用ボードのRF入力も同様です。ベクトル信号発生器のRF出力はシングルエンドです。従って信号発生器とADL5336自体の入力との間には、バランが必須です。図7に示すように、信号経路のそれ以降の部分は、差動アンプAD8130まで差動信号構成です。VSAソフトウェアで制御されるオシロスコープは、シングルエンド信号しか受け付けないので、差動/シングルエンド変換が必要です。

セットアップと試験

レシーバの試験をするための最初のステップは、すべての試験装置の電源を入れることです。試験装置をウォームアップしている間、このシグナル・チェーンで評価用ボードが適切に動作するように評価用ボードを正しく設定する必要があります。

ADL5336評価用ボード上でVGA1出力をVGA2入力に接続する0Ωジャンパー抵抗が確実に実装されている事を確認してください。

ADL5387評価用ボードでADL5387とADRF6510間を完全差動動作、DC結合にするために、出力バランをバイパスしてください。

ADRF6510評価用ボードでは、次の事を行ってください。

  • 入力と出力のバランをバイパス
  • 出力信号に1 kΩの差動出力負荷を接続(それぞれの出力経路に500 Ω 抵抗をグラウンドに対し接続すればよい)
  • COFS コンデンサを1 μF に置き換え
図 7. ダイレクト・コンバージョン・レシーバを試験するための機能ブロック図

図 7のように、評価用ボード間の全ての信号経路を接続してください。すべての評価用ボードに+5 V電源を接続し、2枚のAD8130評価用ボードには-5 V電源も接続してください。電源電流が適切かどうかも確認してください。

図7に示すように、以下の接続をしてください。

  • ベクトル信号発生器の50Ωシングルエンド出力をADL5336評価用ボードの入力1に接続する
  • AD8130のI信号出力をオシロスコープの入力1に、Q信号出力をオシロスコープの入力3に接続する
  • PCとオシロスコープをUSBケーブルで接続する
  • 信号発生器のRF出力をADL5387評価用ボードのLO入力に接続する

信号発生器(アジレントE4438C)で、次の操作を行ってください。

  • 周波数を400 MHzに設定する
  • 振幅を0 dBmに設定する
  • RF出力をオンする

ベクトル信号発生器(アジレントE4438C)で次の操作を行ってください。

  • RFキャリア周波数を200 MHzに設定する
  • 振幅を-30 dBmに設定する
  • RF出力をオンする
  • ベクトル信号発生器のカスタムARB機能をオンする
  • 信号をQPSK、シンボル・レートを5 MSPS、パルス・シェーピング・フィルタα = 0.35に設定する

アジレント89600 VSAソフトウェアをPCで起動してください。VSAソフトウェアでは、次の事を行ってください。

  • デジタル復調器をオンする
  • 入力をI + jQオプションに設定する
  • 周波数を0 Hzに、シンボル・レートを5 MSPSに、α を0.35に設定する

ベクトル信号発生器の変調パラメータとVSAソフトウェアのパラメータとは一致させる必要があります。ソフトウェアが起動すると、「IQコンスタレーション」のペイン(データ表示部分の枠)と「スペクトラム」のペインが表示されます。次の手順に従って、VSAソフトウェアの情報ウィンドウを追加してください。

  1. 「Display」をクリック
  2. 「Layout」をクリック
  3. 「Grid 2×2」を選択

デフォルトでは 「エラー・ベクトルv.s. 時間」と情報ウィンドウである「Syms/Errs」の2つのペインが現れます。

もしそうならないときは、次の事を実行してください。

  1. どれかのペインのタイトルをダブルクリックする
  2. 表示されたウィンドウの中でSyms/Errsを選択する

「Syms/Errs」ペインは、EMVも含めた多くの測定結果を表示しています。ソフトウェアは信号にロックしEVMの数値を表示するようになります。AGC動作点、最大ゲイン、フィルタ帯域幅は、各々のデバイスの制御ソフトウェアで全て設定できます。ADL5336の入力電力レベル制御はベクトル・シグナル・アナライザで電力レベル掃引することで実現できます。レシーバを試験するために、このセットアップで-80 dBm~ 約+16 dBmでレベル掃引しました。ADRF6510のゲインは差動出力レベルが常に1.5 V p-pになるように設定しました。この場合、ADRF6510が十分なゲインがあると仮定しています。いくつかのケースにおいては、信号レベルが非常に小さかったため、ADRF6510で1.5 V p-p差動出力レベルを得られるだけのゲインが不足していました。

この回路に使用されている製品&サンプル:

製品 概要 サンプルが入手可能な製品
ADL5336 VGA(可変ゲイン・アンプ)、IF用、カスケード接続可能、プログラマブルRMS検出付 ADL5336ACPZ-R7
ADL5387 直交復調器 30 MHz~2 GHz ADL5387ACPZ-R7
ADRF6510 プログラマブル・フィルタ/可変ゲイン・アンプ、30MHz、デュアル ADRF6510ACPZ-R7
沪ICP备09046653号
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