Oscilador Local para Repetidores de UHF

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1 Oscilador Local para Repetidores de UHF Nelson Santos Φ, Sérgio Oliveira Φ, Luís Mendes ΦΨ, Rafael Caldeirinha ΦΨ e Bárbara Coelho ΦΨ Φ Escola Superior de Tecnologia e Gestão Instituto Politécnico de Leiria Morro do Lena Alto do Vieiro, Apartado 4163, Leiria, Portugal Telefone: , Fax: , Ψ Instituto de Telecomunicações, Neste artigo são descritos o projecto, implementação e resultados experimentais de um oscilador local (LO) para a banda frequência ultra elevada (UHF). A arquitectura adoptada, responsável pela elevada precisão e estabilidade do LO, baseia-se num sintetizador digital directo (DDSs) e numa malha de fase presa (PLLs). O LO apresenta uma banda de sintonia de 450MHz a 900MHz, potência média do sinal de saída de 0.5dBm, ruído de fase típico de -91dBc/Hz@10kHz, supressão de harmónicos superior a 23dBc e supressão de espúrias acima dos 60dBc. A frequência do sinal de saída é controlada digitalmente, podendo esta ser feita com passos de sintonia fina (1Hz) ou larga (1MHz). A aplicação principal deste LO será em equipamentos repetidores de sinais com modulação analógica. São ainda apresentados alguns resultados experimentais de uma nova versão deste LO cuja aplicação principal será em repetidores de sinais digitais passa-banda multi-portadora, como é o caso de OFDM. 1. Introdução Os repetidores de UHF de elevado desempenho baseiam-se em arquitecturas heteródinas ou de conversão. Este tipo de repetidores, denominados de repetidores de conversão, na sua estrutura mais simples transladam na frequência directamente o sinal passa-banda de rádio frequência (RF) recebido, para a frequência central do andar de frequência intermédia (IF). Neste, são executadas diversas operações de processamento sobre o sinal IF, nomeadamente, filtragem, responsável pela elevada selectividade do repetidor. Para a retransmissão do sinal, o repetidor de conversão desloca na frequência o sinal de saída do andar IF para uma frequência RF adequada ao sistema de comunicação. As operações de deslocamento de sinais na frequência são efectuadas por conversores de frequência. Os conversores de frequência de sinais RF para sinais IF (conversores RF/IF) e de sinais IF para sinais RF (conversores IF/RF) utilizados nos repetidores de UHF, necessitam de um LO sinusoidal de elevado desempenho, pois o sinal gerado por estes condiciona o funcionamento dos conversores de frequência e, portanto, também o do repetidor. O desempenho de um LO para repetidores de UHF comerciais é avaliado não só pelas características do sinal gerado, tais como ruído de fase, espúrias, harmónicos e estabilidade de frequência e de amplitude, mas também pelo modo de como é feito o controlo (e.g. controlo digital da frequência de operação e passos de sintonia) e monitorização do seu funcionamento (e.g. potência do sinal gerado), condições ambientais (e.g. temperatura e humidade) e físicas (e.g. vibrações provenientes dos sistemas de refrigeração) requeridas para o cumprimento integral das características do sinal gerado, isolamento electromagnético, consumo, dimensões e peso. Neste artigo é apresentado o desenvolvimento de um LO para repetidores de UHF comerciais de elevado desempenho. Na secção 2 descreve-se a arquitectura adoptada para o LO e na secção 3 apresenta-se a concepção e implementação do circuito correspondente. Os resultados experimentais deste LO, assim como alguns resultados de uma nova versão são apresentados na secção 4 e, finalmente, na secção 5, são enumeradas algumas conclusões.

2 2. Arquitectura do Oscilador Local Nesta secção é apresentada a arquitectura seleccionada para o LO, descritos os seus blocos funcionais e abordados alguns dos aspectos teóricos relevantes para o funcionamento global do LO. Na selecção da arquitectura, teve-se em consideração a necessidade de controlo digital da frequência de operação com passos de sintonia fina e larga, elevada precisão e estabilidade e reduzido ruído de fase e nível de espúrias. Topologia Uma das topologias que mais se adequa à implementação do LO tem uma estrutura do tipo indirecta coerente, como a representada na Figura 1. Esta foi preferida em relação a outras arquitecturas existentes uma vez que permite obter as características desejadas com um nível de complexidade moderado [1]. Pelo diagrama de blocos do LO (Figura 1), verifica-se que este é constituído por dois sub-sistemas fundamentais, ligados em cascata. O primeiro, designado de oscilador de referência sintonizável (SRO), tem como função gerar um sinal sinusoidal de referência com passos de sintonia extremamente reduzidos, de muito baixo ruído de fase e com elevada e moderada supressão de espúrias de banda estreita e de banda larga, respectivamente. O segundo andar, denominado de sintetizador indirecto coerente (CIS), é responsável por gerar o sinal sinusoidal de saída do LO. As características deste sinal (e.g. ruído de fase, espúrias e passos de sintonia), além de dependerem das opções adoptadas para o CIS (e.g. sensibilidade do VCO e tipo de filtro de malha), estão intimamente ligadas com as características do sinal gerado pelo SRO. Este andar permite ainda a sintonia larga do LO. Sintetizador Indirecto Coerente Pela Figura 1, verifica-se que o CIS tem uma estrutura semelhante a uma PLL, sendo constituído por um detector de fase com uma bomba de carga, um filtro de malha, um oscilador controlado por tensão (VCO), um divisor de potência, um divisor de frequência na malha de realimentação (FD N ) e outro na entrada de referência (FD R ) [2]. Aplicando um sinal de referência com uma frequência f R ao detector de fase, este compara-o com o sinal de frequência f N, resultante da divisão de frequência do sinal de saída do VCO por um número inteiro de valor N. Se a fase dos dois sinais for diferente, o detector de fase e a bomba de carga produzem um sinal de erro proporcional à diferença de fase dos dois sinais. Este erro, ao passar pelo filtro de malha, é filtrado, surgindo na sua saída como um sinal de baixa frequência, que por sua vez é aplicado na entrada de sintonia do VCO, forçando-o a alterar a frequência de oscilação de modo a que f N seja igual a f R. Considerando que f SRO representa a frequência do sinal de saída do andar SRO, verifica-se facilmente que a frequência do sinal de saída do LO é dada por: ( ) f = N R f. [eq. 1] OUT SRO f RO fdds f SRO FD R f R f OUT fout R f OUT f N FD N N Figura 1. Diagrama de blocos do LO.

3 A partir da eq. 1 obtém-se a expressão que relaciona o passo de sintonia do sinal de saída do LO ( f OUT ) com o do sinal de saída do SRO ( f SRO ): ( ) f = N R f. [eq. 2] OUT SRO A eq. 2, indica que o passo de sintonia do LO será superior ao do oscilador de referência sintonizável, uma vez que N do FD N é superior a R do FD R, sendo a relação N/R dependente da frequência de operação do VCO, da frequência de operação do DDS e da frequência de comparação do CIS. Para a arquitectura do LO apresentada na Figura 1, o ruído de fase e o nível de espúrias do LO dependem não só do sinal de saída do SRO e do VCO, mas também da largura de banda do CIS, que depende do tipo de filtro de malha e dos valores dos divisores de frequência FD N e FD R. Em torno da frequência de oscilação e numa banda igual à banda do CIS, o ruído de fase e espúrias presentes no sinal de saída do LO são fundamentalmente provenientes do sinal de referência, enquanto que fora dessa banda o ruído de fase e espúrias do sinal de saída do LO são impostos predominantemente pelo ruído de fase, harmónicos e espúrias do VCO [3]. Além destas contribuições, o ruído de fase e espúrias presentes no sinal de saída do LO, podem também ser originadas por perturbações geradas internamente nos vários blocos do CIS, assim como por perturbações externas acopladas aos diversos blocos, nomeadamente de fontes de alimentação e de sistemas de refrigeração. Oscilador de Referência Sintonizável O SRO é o circuito gerador do sinal de referência do andar CIS, como se pode ver pela Figura 1. Na sub-secção anterior verificou-se que o desempenho do LO depende da qualidade do sinal gerado pelo SRO, pois a precisão, estabilidade, ruído de fase e espúrias do sinal de saída do LO dependem da qualidade do sinal de referência. Para obter passos de sintonia do LO na ordem das unidades de Hz, os passos de sintonia do SRO terão de ser da ordem das dezenas de mhz. Por exemplo, considerando a frequência do sinal de saída do LO de 450MHz, frequência de referência de 36MHz e passos de sintonia de 1Hz e 2Hz, pela eq. 2 calcula-se que o passo de sintonia do SRO deverá ser de 80mHz e de 160mHz, respectivamente. Para o outro extremo da banda de sintonia, ou seja, para 900MHz, e considerando as mesmas condições que as anteriores o passo de sintonia do SRO passaria para 40mHz e 80mHz. De notar que o passo de sintonia do SRO ao depender da frequência de comparação escolhida, pode ser ligeiramente reajustada para um valor praticável. Para implementar um SRO com as características desejadas, é necessário utilizar um DDS, pois este permite passos de sintonia da ordem das dezenas de mhz e simultaneamente sinais de elevada estabilidade e de muito baixo ruído de fase [4]. Assim o SRO é constituído por um oscilador de referência (RO), preferencialmente com compensação em temperatura, um DDS e um filtro passa banda (BPF), como ilustrado na Figura 1. O RO deverá ser um oscilador com características de desempenho superiores de modo a que o sinal gerado pelo DDS também o seja. O BPF colocado na saída do DDS tem a função de eliminar espúrias e harmónicos do sinal gerado pelo DDS, que caso existissem poderiam comprometer o desempenho global do LO. 3. Projecto e Implementação do LO Nesta secção apresenta-se o projecto e implementação do LO, tendo para isso sido consideradas as seguintes especificações iniciais: banda de sintonia de 450MHz a 900MHz, ruído de fase típico de -90dBc/Hz@10kHz, supressão de espúrias superior a 60dBc e passos de sintonia de 1Hz.

4 Atendendo a que comercialmente existem VCOs com gamas de sintonia superiores à pretendida e que garantem ruído de fase igual ou inferior ao especificado, o projecto centrou-se sobretudo no cumprimento da rejeição de espúrias e da sintonia fina. Assim, e pelos aspectos teóricos apresentados anteriormente, a banda da PLL, a relação N/R e N devem ser o mais reduzidos possível, fazendo com que as espúrias provenientes do SRO, FD R, FD N e detector de fase com bomba de carga sejam bastante atenuadas. Além disso aumentando a frequência de comparação no detector de fase consegue-se aumentar a rejeição das espúrias no sinal de saída do LO resultantes do processo de comparação do detector de fase. Assim, foi definido que a banda da PLL deveria ser de 500Hz e a frequência de comparação do detector de fase de 1MHz. De modo a minimizar a contribuição do ruído proveniente das alimentações do módulo LO foram utilizados reguladores de tensão lineares com condensadores de desacoplamento. De notar que para as alimentações do VCO e sintetizador, as mais problemáticas no módulo, foram utilizados transístores para melhorar a filtragem de ruído e interferências provenientes dos reguladores de tensão. Oscilador de Referência Sintonizável O DDS escolhido foi o AD9850BRS da Analog Devices. Este permite resoluções de frequência até 29.1mHz, tem um ruído de fase típico de -130dBc/Hz@10kHz para uma frequência de saída de 40MHz, uma gama dinâmica livre de espúrias (SFDR) de banda larga (>200kHz) de 54dBc e de banda estreita ( 200kHz) de 77dBc, ambas para uma frequência de saída de 40MHz. Este possui frequência de saída (f DDS ) máxima recomendável igual a 33% da frequência do oscilador de referência (f RO ), que para este DDS não poderá exceder os 125MHz. Para seleccionar a frequência de saída do DDS, é necessário identificar primeiro a gama de frequências possíveis para o cumprimento das especificações de sintonia do LO e, depois, escolher a frequência na qual o número e o nível das espúrias é menor. Considerando que o passo mínimo de sintonia do DDS é de 29.1mHz e que o passo fino de sintonia do LO terá de ser 1Hz, verifica-se através da eq. 1 e eq. 2 que a f DDS mínima terá de ser de 26.19MHz. A restrição da frequência máxima de saída do DDS é imposta pela sua frequência de referência, que sendo esta de 125MHz, resulta numa frequência máxima de saída do DDS de 41.67MHz. Para verificar qual a frequência de saída com menor número e nível de espúrias, foi implementada uma placa de teste, tendo-se verificado que a melhor frequência de operação seria nos 36MHz. Nesta frequência de operação a SFDR de banda estreita é superior a 80dBc e a SFDR de banda larga é superior a 50dBc, encontrando-se de acordo com os dados do fabricante. Para reduzir o nível de algumas espúrias de banda larga e harmónicos do sinal de saída do DDS, implementou-se um BPF de elevada selectividade. Este filtro, baseado numa configuração butterworth de 6ª ordem, com frequência central de 36MHz e largura de banda de 1MHz, foi implementado com elementos LC discretos SMD. O BPF permitiu aumentar a SFDR de banda larga para valores superiores a 60dB, não sendo a de banda estreita afectada. Pelo espectro do sinal representado na Figura 2, verifica-se que não existem espúrias no sinal de saída do SRO. Pelos resultados experimentais, conclui-se que o sinal de saída do SRO é caracterizado por: potência de saída de 0dBm, frequência central sintonizável de 35.96MHz a 36.04MHz (mínimo), passos de sintonia de 40mHz (f OUT =900MHz) a 80mHz (f OUT =450MHz), ruído de fase inferior a -130dBc/Hz@10kHz, SFDR de banda larga superior a 60dBc e uma SFDR de banda estreita superior a 80dBc (Figura 2). Sintetizador Indirecto Coerente Para a implementação do CIS utilizou-se o sintetizador de frequência LMX2326TM da National Semiconductor. Este tem uma frequência de operação de 0.1GHz a 2.8GHz, um patamar de ruído de fase inferior a -90dBc/Hz@2.5kHz e um consumo de 4.5mA a 5V.

5 O VCO utilizado foi o JTOS-850VW da Minicircuits, caracterizado por uma gama de sintonia de 400MHz a 900MHz e uma sensibilidade de 80MHz/V aos 15MHz/V, correspondendo ambos os parâmetros a uma variação da tensão de sintonia de 0.5V a 19V, uma potência de saída de 6dBm, ruído de fase de -96dBc/Hz@10kHz e um consumo de 20mA a 5V. Para projectar o filtro de malha, considerou-se que o CIS deveria ter uma banda de 500Hz e margem de fase de 47º. Uma vez que a bomba de carga do sintetizador de frequência só garante tensões máximas de saída de 5V, o filtro terá de ter ganho para que se conseguir sintonizar o LO na banda desejada. Assim, implementouse um filtro activo de 4ª ordem [5]. 4. Resultados Experimentais Nesta secção é avaliado o comportamento final do LO, sendo para isso apresentadas medições que comprovam o seu desempenho e o cumprimento das especificações iniciais de projecto. São também apresentados alguns resultados experimentais de uma nova versão deste LO, seguindo a mesma arquitectura, mas para aplicações em equipamentos repetidores de sinais digitais passa-banda multi-portadora. Na Figura 3 encontra-se representado o espectro do sinal de saída do LO, para frequências correspondentes aos extremos inferior (Figura 3a) e superior (Figura 3b) da banda de sintonia. A sintonia do LO de 450MHz para MHz (Figura 3a) foi obtida com um passo de sintonia do SRO de 1kHz. Nesta figura verifica-se ainda o pior caso do ruído de fase, sendo este de -88dBc/Hz@10kHz e constata-se que a supressão de espúrias é superior aos 60dBc. Na Figura 3b, a sintonia fina foi obtida nas mesmas condições da figura anterior, resultando um passo de sintonia do LO de 25kHz. Como se pode ver, nos 900MHz o ruído de fase é de -93dBc/Hz@10kHz e a supressão de espúrias é superior a 60dBc, respeitando as especificações iniciais. Os dois casos de sintonia fina apresentados atestam o correcto funcionamento da sintonia do LO. Figura 2. Espectro do sinal de saída do SRO para 35.08MHz, 36MHz e para 36.02MHz. a) b) Figura 3. Espectro do sinal de saída do LO em a) 450MHz e MHz e em b) 900MHz e MHz.

6 5. Conclusões Os resultados de desempenho globais do LO estão ilustrados na Tabela 1, juntamente com os resultados de desempenho da sua nova versão para aplicação em repetidores de sinais digitais passa-banda multi-portadora. Pelos resultados apresentados, conclui-se que este oscilador possui uma banda de sintonia de 450MHz a 900MHz com passos de sintonia de 1Hz, uma potência de saída de 0.5dBm±2dB, supressão de harmónicos superior a 23dBc, ruído de fase médio de -91dBc/Hz@10kHz e supressão de espúrias acima dos 60dBc. Através da mesma tabela é possível verificar que a nova versão deste oscilador possui um excelente ruído de fase, sendo no pior caso de -87dBc/Hz@1kHz. Este integra ainda saídas de monitorização dos sinais mais importantes do LO, permitindo a manutenção e verificação do funcionamento do equipamento sem que para isso seja necessário retirá-lo do repetidor. Neste artigo descreveu-se o projecto e implementação de um oscilador local para operar na banda UHF do espectro de frequências, com passos de sintonia de 1Hz. Os resultados práticos obtidos cumprem as especificações iniciais do projecto, fazendo com que o oscilador local seja adequado a equipamentos de difusão de televisão analógica. Apresentaram-se também resultados experimentais de uma nova versão deste oscilador, com melhor desempenho, adequado a repetidores de sinais digitais passa-banda multi-portadora, como é o caso de OFDM. Referências [1] W. P. Robins, Phase Noise in Signal Sources, IEE Telecommunication Series 9, [2] J. Craninckx e M. Steyaert, Wireless CMOS Frequency Synthesizer Design, Kluwer Academic Publishers, [3] B. Razavi, Phase-Locking High-Performance Systems - From Devices to Architectures, IEEE Press, [4] Analog Devices, A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis, Analog Devices Tutorials, [5] James A. Crawford, Frequency Synthesizer Design Handbook, Artech House, CARACTERÍSTICAS OSCILADOR LOCAL OSCILADOR LOCAL (nova versão) Banda de sintonia 450MHz a 900MHz 433MHz a 835MHz Passo de sintonia 1Hz e 1MHz 1Hz e 500kHz Supressão harmónica >23dBc >26dBc Supressão de espúrias >60dBc >60dBc Ruído de fase <-60dBc/Hz@1kHz <-87dBc/Hz@1kHz <-88dBc/Hz@10kHz <-87dBc/Hz@10kHz Potência de saída (LO OUT1 e LO OUT2 ) * 0.5dBm ±2dB (50Ω) 3dBm ±2dB (50Ω) Potência de saída de monitorização do LO * Não integrado -7dBm ±2dB (50Ω) Potência de saída de monitorização do SRO * Não integrado -24dBm ±0.5dB (50Ω) Controlo RS232 I 2 C Alimentação Tensão/Corrente 20V/222mA 20V/319mA *Ver Figura 1 Tabela 1 Características de desempenho do LO e da sua nova versão.