7.7: Estudio de caso- Planeación de frecuencia de un transceptor

Este estudio de caso desarrolla la arquitectura y el plan de frecuencias de un transceptor para el servicio inalámbrico fijo con licencia en la\(15\text{ GHz}\) banda que proporciona canales que soportan hasta\(140\text{ Mbit/s}\). Este es el servicio que proporciona comunicaciones punto a punto bidireccionales más comúnmente para conectar pares de estaciones base celulares entre sí. Una estación base central en un clúster de estaciones base luego conecta el tráfico a una red troncal basada en fibra óptica. La planificación de frecuencias comienza con las especificaciones proporcionadas por las autoridades reguladoras nacionales que generalmente adoptan recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones. (Consulte [9] las recomendaciones relativas al servicio inalámbrico\(15\text{ GHz}\) fijo.)

La banda inalámbrica\(15\text{ GHz}\) fija se extiende desde\(14.4\text{ GHz}\) hasta\(15.35\text{ GHz}\) soportar una serie de canales con varios espacios entre canales. El espaciado utilizado se basará en regulaciones locales y licencias. Un transceptor universal debe soportar espaciamientos de canal de\(2.5,\: 3.5,\: 7,\: 14,\: 28,\) y\(56\text{ MHz}\) [9]. La Figura\(\PageIndex{1}\) (a) muestra la asignación de canales donde\(f_{\text{CH}}\) está el espaciado entre canales. No

Figura\(\PageIndex{1}\): Asignación de canal en la banda de servicio inalámbrico\(15\text{ GHz}\) fijo.

bandas de guarda entre los canales se especifican pero normalmente unos pocos\(10\) kilohercios son suficientes. Así, el espaciado entre canales es solo ligeramente mayor que el ancho de banda de modulación y por lo tanto hay una banda de guarda estrecha Tal banda de protección relativamente apretada es posible ya que se puede usar una potencia de procesamiento digital significativa para resolver canales adyacentes. En los extremos bajo y alto de la\(15\text{ GHz}\) banda hay una banda de guarda que es aproximadamente la mitad de un espacio entre canales para que otros servicios inalámbricos no se vean afectados.

Un transceptor en el servicio inalámbrico fijo soporta uno o más pares de canales de transmisión y recepción. Como especificación en la normativa de la ITU puede ser la separación de los maridajes de canales de transmisión y recepción\(315,\: 322,\: 420,\: 490,\: 640,\: 644,\: 728,\: 840\text{ MHz}\). Es decir, si un canal de recepción (o transmisión) está centrado en\(14.500\text{ GHz}\), entonces el canal de transmisión (o recepción) emparejado se centra en\(14.815,\: 14.822,\: 14.920,\: 14.950,\: 15.140,\: 15.144,\: 15.228,\) o\(15.340\text{ MHz}\). Dado que se establece un enlace bidireccional, la frecuencia central del canal recibido en un extremo del enlace es la frecuencia central del canal transmitido en el otro extremo del enlace.

7.7.1 Arquitectura de transceptor

Un transceptor debe transmitir y recibir simultáneamente canales y generalmente a través de la misma antena. Incluso si se utilizan antenas de transmisión y recepción separadas, habrá un acoplamiento significativo de la señal transmitida y recibida si se encuentran cerca una de la otra. En la práctica, los transceptores utilizan un filtro diplex, un diplexor, para separar la\(15\text{ GHz}\) banda en dos subbandas de igual ancho de banda. En principio, un filtro diplex puede ser dos filtros combinados para proporcionar una función de paso bajo para la sub-banda superior y un filtro de paso alto para la sub-banda inferior. Para la operación de servicio inalámbrico fijo, el filtro diplex está diseñado como dos filtros pasabanda adyacentes, uno pasando por la sub-banda inferior y el otro pasando por la sub-banda superior. Aunque los faldones de filtro pueden diseñarse para ser muy empinados, necesariamente tienen una extensión de frecuencia finita por lo que

Figura\(\PageIndex{2}\): Arquitectura de transceptor.

que la mitad del canal ya no está disponible para este transceptor.

La arquitectura de alto nivel de un transceptor para el servicio inalámbrico\(15\text{ GHz}\) fijo se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). Esta arquitectura proporciona un alto aislamiento de las rutas de transmisión y recepción y admite un enfoque de diseño modular. La sección de transmisión comprende los tres módulos mostrados en la parte superior de la figura. El primer módulo es el módulo de banda base digital de transmisión (Tx) que prepara la señal modulada digitalmente para uno (o más) canales de transmisión. Se utilizan esquemas de corrección de errores hacia delante de Reed-Solomon o de modulación codificada enrejado (TCM). Normalmente se admiten cinco formatos de modulación:\(\text{QPSK, QAM16, QAM32, QAM64}\) o\(\text{QAM128}\) con el esquema de modulación ajustado para mantener una tasa máxima de error de bits de\(10^{−6}\). La señal en forma digital se basa en el módulo de banda base digital de transmisión. El módulo de banda base analógica de transmisión modula la señal en una portadora a una frecuencia intermedia de alrededor\(1\text{ GHz}\). Esto se pasa entonces al módulo de RF de transmisión que genera la señal de RF en la\(15\text{ GHz}\) banda. Típicamente, la potencia transmitida está\(26\text{ dBm}\) usando\(\text{QPSK}\) modulación\(\text{QAM64}\),\(23\text{ dBm}\)\(\text{QAM16,}\)\(22\text{ dBm}\)\(\text{QAM32,}\)\(20\text{ dBM}\) usando usando y\(19\text{ dBm}\) usando\(\text{QAM128}\) modulación. La señal luego pasa a un puerto del diplexor, aquí un diplexor de guía de ondas, antes de pasar a la antena. La sensibilidad del receptor es típicamente\(−93\text{ dBm}\) para\(\text{QPSK}\),\(−86.5\text{ dBm}\) para\(\text{QAM16}\),\(−75\text{ dBm}\) para\(\text{QAM32}\),\(−73.5\text{ dBm}\) para\(\text{QAM64}\) modulación, y\(−68.5\text{ dBm}\) para\(\text{QAM128}\) modulación, nuevamente para una BER de mejor que\(10^{−6}\).

El diplexor de guía de ondas se muestra nuevamente en la Figura\(\PageIndex{3}\). Los diplexores de alto rendimiento se pueden diseñar en la guía de ondas ya que hay muy poca pérdida y los\(Q\) s de los resonadores de filtro son altos [10, 11]. Aquí el diplexor de guía de ondas tiene una respuesta de paso de banda que pasa por la subbanda inferior, y una segunda respuesta de paso de banda que pasa por la subbanda superior. Las respuestas de la subbanda se muestran en la Figura\(\PageIndex{1}\) (b). Las dos respuestas de paso de banda se diseñan juntas para que el rendimiento del diplexor sea mejor que si se usaran dos filtros de paso de banda diseñados independientemente. Cualquiera de las subbandas de salida del diplexor podría ser

Figura\(\PageIndex{3}\): Diplexor de guía de ondas con dos filtros pasabanda dentro de las secciones de guía de onda. Una permite que pase la sub-banda de RF inferior y la otra deja pasar la sub-banda superior. La transición del filtro de guía de ondas puede ser muy nítida para que los bordes de las subbandas superior e inferior puedan estar muy cerca eliminando solo un canal.

conectado al transmisor (y el otro al receptor) dependiendo de si el canal transmitido está en la sub-banda inferior o superior.

Los tres módulos inferiores mostrados en la Figura\(\PageIndex{2}\) comprenden el receptor. La señal de RF ingresa al módulo de RF del receptor (Rx) en\(\text{RF}_{\text{IN}}\) donde se convierte en una señal de frecuencia intermedia alrededor\(1\text{ GHz}\). La señal intermedia pasa al módulo de banda base analógica de recepción donde se extrae el canal deseado (o quizás más de uno) y se presenta al módulo de banda base digital de recepción a una frecuencia menor que\(100\text{ MHz}\).

Se genera una fuente LO común en el módulo LO de referencia con una salida conectada por cables al módulo RF de recepción y otra versión del LO, desplazada por el espaciado de frecuencia de recepción/transmisión apropiado, enrutada al módulo de RF de transmisión.

Los módulos de RF y banda base analógica de transmisión y receptor deben montarse en la torre de comunicación, pero los módulos digitales de banda base y LO de referencia pueden ubicarse en una habitación con aire acondicionado. Luego cables coaxiales con señales hasta\(2\text{ GHz}\) enrutar las señales de RF y las señales LO de referencia entre la unidad de tierra y la unidad montada en la torre.

7.7.2 Planeación de frecuencias

La planificación básica de frecuencias comenzó con la definición de la arquitectura básica del transceptor con la elección de una frecuencia intermedia después de la primera conversión (o antes de la conversión final en el caso del transmisor) que está alrededor\(1\text{ GHz}\). Esta elección se hizo ya que el transceptor debe ser capaz de transmitir a través de todo el\(950\text{ MHz}\) ancho de banda de la\(15\text{ GHz}\) banda. Una vez que se ha fijado la orientación del diplexor antes de la entrega al cliente, o en la instalación de campo, la banda de transmisión es de una sub-banda a la otra sub-banda, un\(475\text{ MHz}\) ancho de banda más estrecho pero aún significativo. Sin embargo, la unidad aún debe diseñarse para soportar la operación en toda la banda. Así, para el receptor, se ha tomado la decisión de diseño de convertir a la baja una subbanda completa a un rango de frecuencia centrado alrededor\(1\text{ GHz}\). Dicho circuito debe tener esencialmente una respuesta de paso bajo pero con señales a CC y hasta cien megahercios más o menos bloqueadas por inductores y condensadores que proporcionan conexiones de CC y/o aislamiento de RF. El ancho de banda fraccional es demasiado para el diseño de un filtro de paso de banda. La descripción de conversión de frecuencia es similar para el transmisor.

La planificación de frecuencias tiene un gran impacto en el costo de diseño del transceptor y en el costo unitario, especialmente si se requiere una sintonización extensa durante la fabricación. La planificación de frecuencias requiere una experiencia considerable con el conocimiento de los controladores de costos de diseño, la capacidad de fabricación, qué módulos y submódulos están disponibles de los proveedores y lo que la propia organización puede hacer para proporcionar una ventaja competitiva. Ser competitivo

Figura\(\PageIndex{4}\): Trayectorias de señal en el módulo RF de recepción en la Figura\(\PageIndex{2}\).

el transceptor debe ser sintonizable en toda la\(15\text{ GHz}\) banda.

El costo se reduce sustancialmente al compartir una LO entre el transmisor y el receptor, con las versiones de transmisión o receptor de la LO desplazada por el espaciamiento apropiado de transmisión/recepción. El LO se bloqueará a una referencia de baja frecuencia utilizando un bucle de bloqueo de fase y luego se debe enrutar por cable coaxial a los módulos de RF de recepción y transmisión. Esto significa que LO idealmente debería estar por debajo\(2\text{ GHz}\). Este LO se llamará ahora LO de referencia ya que no es la frecuencia última que requiere el mezclador en la sección de conversión de frecuencia del módulo receptor de RF. En última instancia, el LO efectivo en el mezclador debe ser sintonizable en toda la\(15\text{ GHz}\) banda y, por lo tanto, necesita sintonizar al menos por\(950\text{ MHz}\). La afinación se puede lograr usando bucles de fase bloqueada, pero de manera realista, el rango de afinación que se puede lograr convenientemente es\(200\text{ MHz}\) o\(15\%\), lo que sea menos hasta\(2\text{ GHz}\).

El flujo de señal básico en el módulo receptor de RF se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\) (a). El concepto básico es que la señal RF recibida se mezcla con un LO para producir una versión de baja frecuencia como la señal de frecuencia intermedia, la IF. En el flujo de señal, una señal de RF típicamente de bajo nivel se presenta al receptor en el puerto indicado por\(\text{RF}_{\text{IN}}\). La señal de RF es amplificada por un amplificador de bajo ruido para que el ruido del circuito en la siguiente ruta de señal de RF no tenga impacto. Dado que no se conoce el nivel de la señal recibida, se debe nivelar la amplitud de la señal. El LO de referencia está a una frecuencia inferior a la requerida para bombear el mezclador para que pueda generarse y enrutarse más fácilmente en el transceptor. Generalmente sería preferible mantener las señales a enrutar por debajo\(2\text{ GHz}\) ya que entonces la calidad del cableado y las conexiones es menos crítica. Como resultado, la frecuencia de la señal LO de referencia debe aumentarse antes de que se presente al mezclador.

El conocimiento de qué submódulos están fácilmente disponibles también es crítico en la planificación de frecuencias. El uso de multiplicadores de frecuencia, generadores armónicos esencialmente no lineales seguidos de filtros, puede aumentar la frecuencia en un factor de\(8\) o tan bastante confiable. Con la multiplicación de frecuencia hay un aumento en los niveles de ruido del oscilador que impacta el rendimiento y

Figura\(\PageIndex{5}\): Plano de frecuencias del transceptor. Los planes de frecuencia de recepción y transmisión se intercambian si la RF recibida está en la banda de RF superior (y luego la RF transmitida está en la sub-banda de RF inferior. También se muestra el ancho de banda del circuito IF que se extiende de\(70\text{ MHz}\) a\(2\text{ GHz}\).

esto significa que el rendimiento de ruido de la LO de referencia necesita ser mucho mejor. Además, existe la necesidad de ajustar los niveles de señal para evitar la distorsión. Una de las características esenciales de la mayoría del diseño de módulos es que los módulos pueden interconectarse libremente sin preocuparse de que un módulo afecte el funcionamiento de otro módulo. Para lograr este aislamiento se requiere. Otra opción de diseño es usar un mezclador subarmónico en el que la frecuencia de la bomba sea aproximadamente la mitad de la frecuencia de RF. El mezclador subarmónico también tiene la propiedad de que muy poco del segundo armónico de la señal LO pasa a la circuitería de RF. Es muy importante que el rango de frecuencias en la ruta LO, la ruta RF y la ruta IF no se superpongan. Con este conocimiento, la trayectoria de flujo de señal en el módulo receptor de RF se puede extender como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\) (b).

El uso de las consideraciones anteriores y considerando también los requisitos de transmisión conduce al detallado plan de frecuencias que se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\). A este plan se llega iterativamente considerando el diseño y el costo unitario, así como el tiempo de comercialización requerido. Mientras que la Figura\(\PageIndex{5}\) muestra el receptor usando la subbanda inferior y el transmisor usando las bandas laterales superiores, esta asignación de subbandas podría invertirse y esto se logra simplemente cambiando los puertos de subbanda del diplexor, es decir, girando el diplexor de guía de ondas.

7.7.3 Resumen

Una vez establecido el plan de frecuencias, el diseño de los módulos individuales puede proceder de forma independiente. El módulo RF receptor final se mostró en las Figuras 7.6.1 y 7.6.2 con el diagrama de bloques del módulo mostrado en la Figura 7.6.3.

La planificación de frecuencias puede parecer bastante simple pero es más que dibujar un diagrama espectral como el de la Figura\(\PageIndex{5}\). La arquitectura del transceptor se define junto con el plan de frecuencias. Por lo tanto, la planificación de la frecuencia es realizada por ingenieros experimentados con una amplia apreciación del rendimiento del sistema de RF, conocimiento de los módulos disponibles disponibles, apreciación del costo y apreciación de lo que se necesita para desarrollar un producto competitivo. La planificación de frecuencias tiene un tremendo impacto en el costo del sistema. El diseño final del sistema tiene un valor muy superior al costo de los submódulos componentes.