Bisher werden Empfänger mit einer oder mehreren Abwärtsmischungs-Stufen nach dem Superheterodyn-Verfahren realisiert. Der Mischprozess generiert Mischprodukte bei den Frequenzen FLO - FIN und FLO + FIN. Das höhere Produkt (mitsamt den höheren Oberwellen) lässt sich durch Filter entfernen. Die Wahl der geeigneten Zwischenfrequenz (ZF) kann das Design der Filter vereinfachen.
Digitale Abwärtsmischung
Nach dem Shannon-Theorem zur Abtastung eines zeitlich veränderlichen analogen Signals muss die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste im Signal vorkommende Frequenzkomponente. So vermeidet man spektrale Überlappungen oder Alias-Effekte und gewährleistet die Rekonstruierbarkeit des Eingangssignals. Der A/D-Wandler fungiert hierbei als Mischer. Durch Überabtastung, das heißt durch Anheben der Abtastfrequenz, nimmt der Abstand zwischen den Nyquist-Zonen zu, was das Design der Filter vereinfachen kann. Wird die Abtastfrequenz dagegen zu niedrig gewählt, überschneiden sich die Nyquist-Bereiche.
Software Defined Radio (SDR)
Die ideale SDR-Lösung besteht aus Transceivern, die die Auf- und Abwärtsmischung zwischen Basisband und HF-Trägerfrequenz ausschließlich in digitaler Form vornehmen. So beschränkt sich die HF-Schnittstelle auf einen Leistungsverstärker im Sendeteil und einen rauscharmen Verstärker im Empfangsteil. Analoge Filter sind gar nicht oder allenfalls in geringem Umfang erforderlich.In einer solchen idealen SDR-Lösung lassen sich Upgrades oder komplette �?nderungen der Feature-Ausstattung einfach durch das Laden neuer Software vornehmen. Angesichts der wachsenden Zahl der Modulations-Standards ist diese Perspektive hochinteressant. Zum Beispiel hat das JTRS-Programm (Joint Tactical Radio System) der US-amerikanischen Streitkräfte angekündigt, mit ein und demselben Funk-Design auf verschiedenen Trägerfrequenzen zwischen 2 MHz und 55 GHz nicht weniger als 33 Modulationsverfahren zu unterstützen. Bislang war diese ideale SDR-Lösung nicht umsetzbar, weil es keine A/D-Wandler (ADC) gab, die für so hohe Frequenzen geeignet sind und die Trägerfrequenzen direkt in digitale Daten umwandeln können. Mittlerweile ist die ideale SDR-Lösung dank neuer Techniken und hochfrequenztauglicher Halbleiterprozesse in Reichweite gerückt.
Vorzüge der SDR-Technik
Die SDR-Technik hat zahlreiche Vorteile: Die Software-seitige Festlegung der Kanäle sorgt für mehr Flexibilität, kein Drift der Bauelemente, niedrigere Kosten und mehr Zuverlässigkeit dank weniger Bauelemente. Das Design eines Mischer-Chips mit einem bestimmten Frequenzplan sowie die Vorhaltung mehrerer Eingangsstufen für die verschiedenen Frequenzbänder werden überflüssig. Die Wahl einer passenden Abtastfrequenz und die Implementierung eines geeigneten Bandpassfilters reichen für die Verwendung einer neuen Trägerfrequenz aus. Außerdem können schnelle Frequenzsprünge gemacht werden, da die PLL-Einschwingzeit des Lokaloszillators nicht mehr zum Tragen kommt. Die Software-seitige Festlegung der Funktionalität schließlich macht Upgrades im Feld möglich.Allerdings besteht bei High-Speed-ADCs ein Zielkonflikt zwischen Bandbreite, Abtastrate, Dynamikbereich, Auflösung und Stromverbrauch. Da High-Speed-ADCs eine besonders hohe Leistungsaufnahme haben, werden SDR-Implementierungen vorwiegend in Basisstationen genutzt.Ein zentraler Aspekt beim Design von SDR-Systemen ist ein großzügiger Dynamikbereich. Er ermöglicht, schwache Nutzsignale in der Gegenwart starker Fremdsignale auszuwerten. Je größer die Bandbreite, umso mehr Interferenzen und Rauschen gelangen in das System und umso schwieriger wird die Realisierung eines großen Dynamikbereichs. Das Nutzsignal liegt in der Regel im Bereich von -60 dBm bis -130 dBm vom HF-Hintergrund, der einschließlich reflektierter Signale und anderer Sendequellen zwischen 0 und 20 dBm liegen kann.
ADCs in SDR-Anwendungen
Bei der Verarbeitung breitbandiger Signale, wie man sie in WiMAX-, GSM- und LTE-Systemen anwendet, werden das Rauschen und der Dynamikbereich des Gesamtsystems vom Signal-Rauschabstand und dem störungsfreien Dynamikbereich des ADC bestimmt. Die beschriebenen Anwendungen stellen höchste Anforderungen, da sie mit Signalen von nahen wie von weit entfernten Sendern zurechtkommen müssen. Weniger strenge Anforderungen gelten für Richtfunkverbindungen, die nicht für solche �?nderungen des Eingangssignals ausgelegt werden müssen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Eingangsbandbreite. Sie sollte hoch genug sein, um das Nutzsignal zu erfassen und sicherzustellen, dass sich das Phasen-Roll-Off-Verhalten nicht auf die Leistungsfähigkeit des Systems auswirkt.
Der ADC EV12AS200
Der EV12AS200 von e2v ist ein ADC mit 12 Bit Auflösung und einer Abtastrate von 1,5 GSamples/s. Er bringt viele Eigenschaften mit, die die Anwendung der SDR-Technik im L-Band (1 bis 2 GHz) ermöglichen. Eine wichtige Voraussetzung für die Einsatzfähigkeit bis in das L-Band hinein ist eine gleichbleibende Leistung bis zum Ende der zweiten Nyquist-Zone. Dies setzt eine bis über diese Region hinausreichende Bandbreite voraus und erfordert außerdem, dass Leistungsparameter wie der SFDR, die Intermodulationsprodukte dritter Ordnung und der ENOB-Wert einen flachen Verlauf haben. Die spektrale Reinheit ist ein Maß für die vom Wandler erzeugten Artefakte, die nicht mit dem Signal zusammenhängen, und die das Interleaving mehrerer ADCs oder ein Durchschlagen des Takts verursachen können. Starke, durch Interleaving bedingte Spitzen können ein schwaches Signal maskieren. Der Signal-Rauschabstand dieses ADC bei einer Taktfrequenz FCLK von 1,5 GHz beträgt 56,5 dBFS bei einem Eingangssignal von -1 dBFS. Hieraus ergibt sich ein Wert von 56,5dBFS + 10 lg (750 MHz) für die spektrale Rauschdichte (= 56,5 dBFS + 89 dB = 145,5 dBFS). Der eingangsseitige Vollpegel von 0,5 Vpp an 100 Ω entspricht -5 dBm. Das Eigenrauschen beträgt -150,5 dBm/Hz. Hieraus errechnet sich ein ENOB-Wert von 13 Bit in einem schmalen Band von 10 MHz. Dies ist eine der von LTE-Applikationen verwendeten Bandbreiten. Der SFDR lässt sich verbessern, indem zu den Eingangsdaten eine außerhalb des Frequenzbands angesiedelte Rauschquelle hinzugefügt wird. Hierfür kommt unter anderem ein tiefpassgefilterter Rauschgenerator in Frage, dessen Signal mit einem Multi-Port-Übertrager zum Eingangssignal addiert wird (Dithering).
Anwendungen
Für die Hersteller von Satellitenkommunikations-Systemen bietet die SDR-Technik große Vorteile. Allein die Kostensenkungen durch den Wegfall einer Abwärtsmischerstufe können erheblich sein, dazu kommen Vorteile hinsichtlich der Flexibilität und des niedrigeren Stromverbrauchs. Die Anforderungen an den Dynamikbereich sind hier außerdem nicht so hoch wie bei GSM/LTE-Systemen, da die Signalstärke deutlich weniger variiert. Spektrumanalysatoren wurden in der Vergangenheit vorwiegend mit durchgestimmten Oszillatoren im Verbund mit einem schmalbandigen Detektor realisiert. Schnelle ADCs und die FFT-Analyse (Fast Fourier Transform) ermöglichen inzwischen jedoch die Herstellung von Systemen mit wesentlich höherer Ansprechgeschwindigkeit, sodass auch transiente Signale gemessen werden können und mehr Flexibilität erreicht wird. Auch Radar-Hardware profitiert von direkten Abwärtsmischungsverfahren. Ein Radarempfänger kann mit dieser Technik das gesamte Frequenzband gleichzeitig analysieren und mehrere Echos und Störsignale erkennen. Mehrelement-Beamforming-Systeme profitieren außerdem von der am ADC möglichen Kanalanpassung und Phaseneinstellung.
