Radio utan mellansteg blir både enklare och billigare

Direktkonvertering har erövrat GSM och kommer för Bluetooth, Wlan och WCDMA

I jakten på billiga enkretslösningar för radiotekniker som Bluetooth och Wlan är direktkonverterande radio ett alternativ som allt fler sneglar på.Konstruktionen bjuder på svårigheter, men om man väl kommit över dem är direktradio enklast och billigast.

Det finns en lång rad olika radiomottagararkitekturer. För mobiltelefoni och datakommunikation kan standardmodellen sägas vara superheterodynmottagaren.

Den inkommande signalen plockas in i en rf-del, blandas ner till en lägre frekvens i ett mellansteg, där den mottagna kanalen filtreras ut och rensas från störningar och spegelfrekvenser, för att sedan blandas ner till basbandsnivå utan någon bärvåg.

Superheterodynmottagaren är lätt att konstruera och ger bra signalegenskaper, men för enkretsradiomottagare i CMOS är den utesluten. Nedblandningen till ett mellansteg gör att spegelfrekvenser uppstår, och de filter som behövs för att ta bort dessa kräver passiva komponenter som inte går att integrera i en krets.

Hoppar över mellansteget

Med direktradio hoppar man över mellansteget och blandar ner direkt till basband - signalen ligger kring DC (likspänningsnivå). Man slipper komplicerade filter eftersom det då inte uppstår några spegelfrekvenser, och dessutom spar man ett steg och får en billigare konstruktion.

Den stora nackdelen är att man istället får problem med läckage av lokaloscillatorn, som nedkonverterad skapar en spänningsförskjutning (DC-offset). Större delen av denna är statisk, men det finns även en dynamisk del. Dessutom kan det stora konverteringssteget i kombination med uppdelningen i imaginär- och realdel ge problem med obalanser.

- Den statiska spänningsförskjutningen är den största störningen, men den är lättast att åtgärda. Den dynamiska är unik för direktradio, eftersom det bara är där den mottagna frekvensen är samma som den lokala. Vi tar bort all form av likspänningsförskjutning med en kalibreringsteknik som mäter förskjutningen och kompenserar för den, berättar Mark Lane, radiotekniker på Silicon Wave.

Allt vanligare i Wlan

Silicon Wave hävdar att man än så länge är ensam om att ha byggt en direktradio på en krets i CMOS för Bluetooth. I Wlan-utrustning börjar direktradio bli allt vanligare, och i GSM-telefoner är den vid det här laget standard.

- Vår demonstrator Soctrix blir direktkonverterande, åtminstone för Wlan. Det är det enda sättet att integrera kretsen så långt vi vill gå, säger Magnus Danestig på Acreos Socwareprojekt. Soctrix är en planerad demonstratorsändtagare för såväl 3G som Wlan, på banden 2,4 GHz och 5 GHz.

En orsak till att direktradio är olika etablerat för olika tekniker är att de störningsproblem som uppstår varierar med teknik och till och med konstruktionssätt.

- Den mest komplicerade störningen är 1/f-brus. Det kallas så för att bruset är starkast vid likspänning och avtar vid högre frekvenser, och det är fortfarande en aning mystiskt. Det finns rätt bra modeller för bruset, men dess orsaker är omstridda. Det varierar dessutom med processen, förklarar Mark Lane.

- Bruset är värre i CMOS än BiCMOS, och blir värre ju mindre processgeometrier man använder. De flesta CMOS-processer är dessutom inriktade på digital kretskonstruktion, med lite eller ingen hänsyn till 1/f-bruset. Detta brus måste man hantera med systemplanering och kretsdesign. Om det blir för stort är det ingenting man kan göra åt det.

Detta är problem som måste lösas på konstruktionsnivån. Om och när man väl har löst dem och har en färdig krets finns det egentligen bara fördelar med direktradio.

- Tidigare har man inte kunnat använda CMOS i så här höga frekvenser. När nu behovet av enchipsradio har uppstått har man lärt sig hantera bristerna hos direktradio med bättre korrektionsmetoder, tror Magnus Danestig.

Elias Nordling