CN0248

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と 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 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。

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。

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。