Visionen att skapa en radiomottagare som kan programmeras till att fungera för valfria standarder, som en mikroprocessor, har funnits i många år. Men ursprungsidén – att sätta en AD-omvandlare direkt på antennen – är i nuläget inte aktuell. Den ställer alldeles för höga krav på AD-omvandlaren.

Vid forskningscentret Stringent, på Linköpings universitet, har forskarna dock tagit fasta på visionen att ta fram byggblock till en hårdvara som kan hantera alla typer av rf-system, från antenn till tillämpning, vid frekvenser mellan, säg, 1 till 10 GHz.

–    Vi väljer områden som vi tror är nyttiga framåt. Jag övertygar mig om att det kommer att vara nyttigt, annars skulle vi inte forska inom detta, säger Christer Svensson, professor i elektroniska komponenter.

–    Här om veckan höll jag ett föredrag om programvarustyrd radio på Nokia. Tidsperspektivet är inte så långt. Inom tio år tror jag att tekniken finns i produkter som mobiler och bärbara datorer. Basstationer är också på väg dit, säger han.  

Han pekar ut radiofrekvensdelen som klart besvärlig. Likaså är AD-omvandlingen en utmaning. Dessa två delar är också centrala i Stringents forskningsarbete.

Just nu görs där det sista på en andra generation av en flexibel direktsamplande front-end. Chipset ska vara klart för tapeout i mitten på februari för tillverkning hos ST Microelectronics i en 0,13 µm-process. Intressant är att direkt samplande mottagare blivit mer etablerad inom industrin på senare tid. Bland annat har Texas Instruments publicerat flera resultat kring just samplande mottagare. Det stärker Linköpingsgänget.

–    Vi försöker göra något nytt mellan antenn och AD-omvandlare. Idén är att sampla signalen direkt efter lågbrusförstärkaren, säger Stefan Andersson, doktorand i elektroniska komponenter.

Kretsen han jobbar med ska sampla i en hastighet nära bärvågssignalen samt decimera och filtrera signalen - allt i ett. Resultatet är en tidsdiskret analog signal, alltså en signal med ett trappstegsutseende. För att signalen ska bli hanterbar för AD-omvandlaren måste antal trappsteg minskas.

–    Decimering är en klurig process. Spegelfrekvenser måste bort och filterkraven blir mycket höga, säger Stefan Andersson.

Det man byggt är ett decimeringsfilter som i själva verket består av fyra kaskadkopplade decimeringsfilter. Decimeringen sker med switchade kapacitanser.

–    Vi har möjlighet att ta ut signalen efter både tredje och fjärde steget så vi kan välja om vi vill ha decimering med 8 eller 16. Detta gör vi för att visa på skalbarheten i arkitekturen och hos filtret, säger Stefan Andersson.

Varje decimeringssteg innehåller tre tidsflätade (time-interleaved) filter som vart och ett har fyra koefficienter som är skalade inbördes för att ge önskad filterfunktion. En insignal på 2.4 GHz decimerad 16 gånger ger en 150 MHz-signal till AD-omvandlare, vilket är fullt möjligt att klara idag.

–    Men vi tänker även försöka klara 802.11a (5-6 GHz-bandet), säger Stefan Andersson.

I en traditionell arkitektur filtrerar man blockern (störsignalen) direkt efter lågbrusförstärkaren. I en generell front-end blir det knepigt. Tanken är istället att låta störningarna passera rf-delen och AD-omvandlaren för att tas om hand i den digitala domänen av omkonfigurerbara filter. Det ställer dock höga krav på AD-omvandlare som måste ha stort dynamiskt område så att även mycket svaga signaler kan upptäckas.

–    Utmaningen är framförallt effektförbrukningen i AD-omvandlaren. Kretsar med tillräcklig upplösning och samplingshastighet finns redan, men effektförbrukningen måste ner en faktor tio, säger Christer Svensson.

Samtidigt ökar ständigt behovet av högre samplingshastighet, vid bibehållen upplösning, vilket också driver utvecklingen av dagens AD-omvandlare.

–    Fast idag finns det egentligen inga AD-omvandlare, förutom sigma-delta, som har en upplösning bättre än 13 till 14 bitar om man tittar på effektiva bitar, säger Håkan Johansson, professor i elektroniksystem.

En AD-omvandlare måste alltid kompromissa mellan upplösning och samplingshastighet. Därför är idén att parallellkoppla flera AD-omvandlare som tidsflätas, varvid utdata felkorrigeras digitalt. Tidsflätning innebär att omvandlarna klockas med en viss fördröjning sinsemellan.

Teoretiskt skulle tre tidsflätade AD-omvandlare uppnå tredubblad samplingshastighet. Fast verkligheten är inte fullt så trevlig. Fel uppstår exempelvis på grund av kanalmissmatch i samplingsögonblicket och olika förstärkning samt offset hos de ingående AD-omvandlarna.

–    Har man en AD-omvandlare på 14 bitar blir upplösningen typiskt mindre än 10 bitar vid time-interleaving, även om man konstruerat noga, säger Per Löwenborg, forskarassistent i elektroniksystem.

–    Genom att vi gör signalbehandling direkt efter AD-omvandlarna, med estimering och korrigering, kan vi få ut en signal som har samma upplösning som respektive omvandlare. Men samplingshastigheten blir betydligt högre, säger han.

Tekniken är generell och kan användas oberoende av omvandlararkitektur och för alla tänkbara tillämpningar. Men telekom är helt klart ett lockande område. Redan idag skulle man kunna realisera 0,5 GSa/s med 14 bitars upplösning om man använder tre stycken ADS5546, en färsk krets från Texas Instruments.

Just nu jobbar tre personer med att skapa en produkt i form av ett hårt IP-block som hanterar digital felrättning av parallella AD-omvandlare.
Man utgår ifrån de algoritmer som utvecklats på högskolan, men arbetet görs inom ramen för det drygt årsgamla företaget Signal Processing Devices.

–    Affärsidén är att sälja ett IP-block som sedan kan integreras på samma chips som AD-omvandlingen, säger Per Löwenborg .

Parallellt med detta jobbar han med att ta fram en arkitektur på en flexibel AD-omvandlare. Ett testchips ska vara klart under året för tillverkning i endera 0,12 eller 0,18 µm.

Med flexibel omvandlare menar man en konstruktion som kan variera samplingshastighet och upplösning efter vad tillämpningen kräver. Allt för att optimera effektförbrukningen. En flexibel omvandlare vore mycket attraktiv att ha i den programvarustyrda radion eftersom olika standarder förutsätter olika centerfrekvens, bandbredd och dynamikområde. 

–    Den flexibla omvandlaren för oss in på sigma-delta-arkitekturen. Det är en trevlig arkitektur för varierbarhet, säger Håkan Johansson.

Grundtanken är att använda många parallella bandpassfiltrerade sigma-delta-omvandlare som tar hand olika frekvensområden. Själva filtreringen görs i en gemensam filterbank, allt för att effektivisera arkitekturen.

–    Vi tror att det är realistiskt att parallellkoppla fem-tio omvandlare. Då kan man få 14 till 16 effektiva bitar som samplas med 50 till 100 MSa/s, säger Per Löwenborg.

Här bör man dock observera att Per Löwenborgs effektiva bitar inte kan jämföras med halvledartillverkarnas mått på upplösning.

–    En 16-bitars omvandlare i handeln har aldrig mer än 14 effektiva bitar, säger han.

Anna Wennberg

Läs även:
Svensk forskning – mitt i prick
GSM regerar i basstationen