Mobilfunkbasistationen VCO/PLL-RF-Synthesizer vereinfachen das Design

Die Anforderungen für Phasenrauschen und Spurious bei GSM-Synthesizern stellen eine Herausforderung dar, die eine ausgefeilte Optimierung des aus VCO, PLL und Schleifenfilter bestehenden Synthesizers erfordert. Moderne integrierte VCO/PLL-Synthesizer erfüllen diese strengen Anforderungen und reduzieren gleichzeitig Kosten, Platzbedarf und Komplexität.

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Beim Entwurf von Mobilfunksystemen zählt der Synthesizer für den LO-Takt (Local Oscillator) zur Versorgung von Mischern und (De-)Modulatoren zu den kritischen Komponenten für die Systemleistung. Seine Imperfektionen beinträchtigen direkt sowohl die Empfängerempfindlichkeit als auch die EVM (Error Vector Magnitude) sowie die Spektralmaske des Senders und verringern somit die Systemreserve.

Das Beispiel einer typischen Anwendung (Bild 1) zeigt einen Mobilfunk-Transceiver mit einem Sender basierend auf Direct Conversion und einem Diversity-Empfänger beruhend auf einer heterodynen Architektur mit zwei Mischern.

Synthesizer-Parameter beeinflussen die Systemleistung

Zur Illustration des Einflusses der Synthesizer Parameter auf die Systemleistung betrachten wir einen Empfänger, wobei ähnliche Überlegungen für den Sender angestellt werden können. Zugrunde liegende Standards, wie z.B. der 3GPP-Standard für GSM [1], spezifizieren die Empfängerempfindlichkeit und notwendige Toleranzen hinsichtlich der Einwirkung von Störsignalen. Diese sind typischerweise Mobiltelefone oder Basisstationen, die auf einer benachbarten Frequenz potenziell mit wesentlich höherer Leistung senden können als es für das tatsächlich zu empfangende Signal der Fall ist.

Während sich im Abwärtsmischer das zu empfangende Signal mit dem LO mischt, um auf der Zwischenfrequenz (ZF) ein Nutzsignal zu erzeugen, kann sich der Störer mit dem Phasenrauschen und Spurious-Komponenten mischen und so ein Interferenzsignal auf der Signalfrequenz erzeugen, das letztendlich den Signalrauschabstand verringert. Ursache und Wirkung dieser Störungen können anhand einer typischen Synthesizerarchitektur erklärt werden [2]:

Die Struktur eines so genannten PLL-Synthesizer (Phase-Locked-Loop) in Bild 2 vergleicht eine niederfrequente Referenzfrequenz fref mit der Ausgangsfrequenz fVCO eines hochfrequenten VCO. Dies spielt sich im so genannten Phase Frequency Detector (PFD) ab.

Damit beide Frequenzen, die bis zu einem Faktor von 200 oder mehr voneinander abweichen können, übereinstimmen, wird die Eingangsfrequenz durch einen Faktor R geteilt, die VCO Frequenz durch einen Faktor N, wodurch am PFD die Vergleichsfrequenz fPFD resultiert.

Der PFD vergleicht die jeweils geteilten Frequenzen von Eingang und VCO und erzeugt ein Regelsignal, um die VCO-Frequenz zu verringern oder zu erhöhen, bis beide Eingänge des PFD identisch sind. Dann wird die PLL als eingerastet bezeichnet.

Ausgangssspektrum des Synthesizer enthält Phasenrauschen

Der ideale LO-Synthesizer würde nur eine diskrete Frequenz erzeugen. In der Realität jedoch ist dies nicht der Fall und das Ausgangsspektrum des Synthesizers enthält einen breitbandigen Rauschbeitrag, das so genannte Phasenrauschen.

Verschiedene mögliche Rauschquellen tragen dazu bei: Das Phasenrauschen des VCO selbst, das durch die Teiler der PLL erzeugte Rauschen, Rauschbeiträge der Schleifenfilterkomponenten, usw.

Aufgrund der Filtereigenschaften des PLL-Schaltkreises und im Besonderen des (Low-Pass)-Schleifenfilters wird innerhalb der Bandbreite des Schleifenfilters das Rauschen von der PLL selbst dominiert, außerhalb davon durch das Phasenrauschen des VCO. Das Phasenrauschen des LO kann nun im Mischer der Empfängerschaltung zu Mischprodukten mit Störsignalen führen, wodurch am Ausgang des Mischers Interferenzen auf der Signalfrequenz erzeugt werden, wie Bild 3 zeigt. Durch Störsignale, die potenziell viel stärker sein können als das Nutzsignal, existiert das Risiko der Überdeckung des Nutzsignals nach dem Mischen auf die ZF.

Am Synthesizerausgang können diskrete Spurious-Signale entstehen

Ist die PLL eingerastet, so werden theoretisch von der PFD keine Regelsignale zur Änderung der VCO-Frequenz erzeugt. Praktisch jedoch werden kurze wechselnde Strompulse mit der Frequenz fPFD erzeugt, die im Mittel die Ausgangsfrequenz konstant halten sollen. Wenn diese nicht perfekt abgestimmt sind, so können am Ausgang des Synthesizers diskrete Spurious-Signale im Abstand der mehrfachen fPFD zum Träger entstehen.

Leider muss bei Integer-N-PLLs fPFD für gewöhnlich identisch mit dem Kanalabstand des Systems gewählt werden (z.B. 200 kHz bei GSM), wodurch Mischprodukte zwischen den Spurious-Signalen und sowohl dem Nutzsignal als auch möglichen Störsignalen entstehen können.

Speziell die Mischprodukte zwischen Spurious und Störsignal können nach dem Heruntermischen auf die ZF zu Interferenzen auf der Signalfrequenz führen. Im Sender können die Mischprodukte zwischen Nutzsignal und Spurious möglicherweise die Anforderungen für die Spektralmaske verletzen. Der Effekt ist für den Empfänger in Bild 4 dargestellt.

Der 3GPP-Standard stellt hohe Anforderungen

Wie beschrieben können Mischprodukte zwischen Phasenrauschen bzw. Spurious und dem Nutzsignal bzw. Störsignalen unerwünschte Interferenzen mit Signalkanälen erzeugen, wodurch der Signalrauschabstand verringert und schließlich die Empfängerempfindlichkeit beeinträchtigt wird. Für den störungsfreien Betrieb eines GSM-Systems müssen die vom 3GPP-Standard gesetzten Anforderungen eingehalten werden. Diese betreffen:

• Empfängerreferenzempfindlichkeit
• Anforderungen für Blockersignale
• Interferenzverhältnis (Träger-zu-Störer) und Intermodulation

Dies erlaubt die Ableitung der relevanten Spezifikationen für den Empfängersynthesizer. Unter Annahme eines minimalen Signalpegels von -101 dBm und eines Interferenzverhältnisses von 9 dB ergeben sich die in der Tabelle dargestellten Anforderungen [1,2].

Die Anforderung für integriertes Breitbandrauschen kombiniert die Beiträge von Phasenrauschen und Spurious innerhalb der 200-kHz-Kanalbandbreite, da sie beide ähnliche Auswirkungen auf die Empfängerempfindlichkeit haben. Die Betrachtungen für den Sender erfolgen etwas anders, wobei Effekte infolge von Breitbandrauschen und Modulationsmaske spezifiziert werden, um Interferenzen des Sendekanals mit Nachbarkanälen zu vermeiden.

Herkömmliche Implementierungen und integrierte Lösungen

Die Erfüllung der Anforderungen für Phasenrauschen und Spurious bei GSM-Synthesizern war schon immer eine Herausforderung, die eine ausgefeilte Optimierung des aus VCO, PLL und Schleifenfilter bestehenden Synthesizers erforderte. Implementierungen mit diskreten VCOs, meistens durch Laser-Trimming in der Frequenz abgestimmt, und rauscharmen PLLs wie der TRF3750 von Texas Instruments ermöglichten den Aufbau eines Synthesizers, der die strengen Anforderungen erfüllte.

Um diesen Ansatz einen Schritt weiterzuentwickeln und dabei Platzbedarf, Kosten und Komplexität zu reduzieren, wurde schon einige Zeit das Konzept integrierter VCO/PLL- Synthesizer verfolgt, das heute in Mobiltelefonen Standard ist.

Die äußerst strengen Anforderungen in Mobilfunkbasisstationen, besonders bei GSM, haben die Verwendung dieses attraktiven Konzepts jedoch lange Zeit verhindert. Fortschritte in der Leistungsfähigkeit integrierter Synthesizer konnten diese Limitierung jedoch überwinden: Der TRF3761 von Texas Instruments ist der erste integrierte VCO/PLL-Synthesizer einer neuen Generation, die einen Einsatz in Mobilfunkbasisstationen ermöglichen.

Er besteht aus einer voll integrierten Integer-N-PLL mit einem On-Chip-VCO (siehe Bild 5). Zusätzlich erlauben eingebaute Teiler einen Betrieb bei der halben und einem Viertel der VCO-Frequenz, wodurch sich der nutzbare Frequenzbereich erweitert. Als eine der wenigen zur Komplettierung des Synthesizers benötigten externen Komponenten erlaubt der Schleifenfilter zusätzliche Flexibilität bei der Optimierung der Synthesizereigenschaften.

Phasenrauschen und Spurious sind kritische Parameter des Synthesizers. Um die Leistungsfähigkeit zu bestimmen, werden dessen Phasenrauschdiagramme analysiert, wobei fVCO = 1800 MHz programmiert ist. Das Schleifenfilter weist eine Bandbreite von 15 kHz auf und die PFD arbeitet bei 200 kHz mit einer Referenzfrequenz von 10 MHz. Durch Verwenden der Ausgangsteiler lassen sich die gleichen Daten für 900 MHz und 450 MHz bestimmen.

Ein Vergleich der Diagramme mit den in der Tabelle dargestellten Anforderungen bestätigt, dass die Anforderungen für einen Empfängersynthesizer eines GSM-Systems sowohl hinsichtlich Phasenrauschen als auch Breitbandrauschen (inkl. Spurious) unter den angegebenen Bedingungen erfüllt werden können.

Dies bedeutet gleichzeitig, dass ein derartiger Baustein ohne weiteres für 3G-Mobilfunksysteme wie UMTS und CDMA2000 oder den WiMAX- 802.16-Standard geeignet ist, die allesamt weniger strenge Anforderungen stellen.

Referenzen:

[1] 3GPP TS 05.05 V8.20.0 (2005-11)

[2] GSM transceiver analysis, Heinz-Peters Beckemeyer, Texas Instruments

*Matthias Feulner ist Business Development Manager Communications Infrastructure bei Texas Instruments

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