Hay numerosos aspectos que un árbol de reloj debe tener en cuenta en lo que concierne a las tarjetas de radio de estaciones base inalámbricas WiMax o LTE (Long-Term Evolution) de cuarta generación.Además de las restricciones impuestas por los propios protocolos OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), los convertidores analógico-digitales (ADC) y digital-analógicos (DAC), así como los mezcladores de RF, presentan graves problemas de solapamiento y filtrado. Este artículo se centra en los retos relacionados con los elementos de modulación.

Para contribuir a simplificar y economizar los despliegues y las modernizaciones de redes, los fabricantes de equipos originales (OEM) buscarán componentes de tarjetas de radio que permitan reconfigurar el software y que sean reutilizables en varios diseños similares.

Puesto que ocasionalmente se necesita soporte para tarjetas de radio en un cabezal de radio remoto (RRH), la mayoría de ellas se diseñarán con un simple reloj de entrada, que se puede recuperar desde el enlace con la estación base. Es posible que estos relojes de entrada simples sean de baja calidad y, por lo tanto, haga falta corregir sus considerables fluctuaciones para generar debidamente otros relojes en la tarjeta de radio.

Por consiguiente, el núcleo de un árbol de reloj de tarjeta de radio debe ser un atenuador de fluctuación con frecuencias de salida programables. A continuación, el artículo tratará las características de rendimiento necesarias, junto con otros requisitos del árbol de reloj.

Aspectos de la arquitectura de tarjetas de radio
Hoy en día, la mayoría de los actuales diseños de tarjetas de radio en estaciones base llevan a cabo gran parte de los procesos necesarios para generar o destruir la señal para protocolos como LTE o Multicarrier GSM en el dominio digital. Es mucho más fácil manejar la corrección de errores, la asignación de canales y la separación de los flujos I y Q digitalmente.  

El complejo flujo de datos de esta señal compuesta también requiere sumo cuidado al filtrar y procesar las señales tanto recibidas como transmitidas. Si el filtrado y el procesamiento se realizan en el dominio digital, se evitan gastos como los originados por un ajuste preciso de componentes y valores.

A pesar de las amplias manipulaciones digitales, en algún punto la señal debe modularse en una onda portadora de 824 MHz a 2,62 GHz y transmitirse como señal analógica. La mayoría de las arquitecturas de estaciones base que utilizan protocolos multicanal, tales como LTE, WiMax y Multicarrier GSM, optan por un método de conversión analógica de una sola etapa, tal como muestra la Figura 1.

En el lado transmisor, las subportadoras individuales se combinan formando digitalmente un único flujo sin modulación previa. A continuación, los DAC convierten esta señal de banda base en flujos I/Q analógicos para la desviación de fase y, después, la señal pasa por una conversión ascendente a través de mezcladores analógicos en cuadratura, que la elevan a la frecuencia de transmisión. Se utilizan amplificadores de ganancia variable y fija y un filtro dúplex a lo largo del itinerario para aumentar la señal deseada hasta que alcance la intensidad necesaria en su banda de transmisión, mientras que el incremento del ruido y de la distorsión es mínimo, y al mismo tiempo se minimiza la energía fuera de la banda de transmisión para prevenir interferencias con otros canales de RF.

En el lado receptor, la señal de RF normalmente se amplifica, se filtra y se convierte a través de un mezclador a una frecuencia intermedia (FI) mucho más baja, en el rango de 75 MHz a 250 MHz, donde se amplifica aún más por una cantidad variable, se filtra y, finalmente, se muestrea mediante un ADC tipo pipeline de acuerdo con el criterio Nyquist. La conversión descendente y la demodulación de las subportadoras se realizan a continuación en el dominio digital. El objetivo del receptor es llevar a cabo el acondicionamiento de esta señal con anterioridad a la conversión analógico-digital con un incremento mínimo del ruido y de la distorsión de intermodulación y sin exceder del fondo de escala del ADC.

Los arquitectos de tarjetas de radio prefieren una integración máxima del árbol de reloj, no solo por las razones expuestas, sino también porque cada componente del árbol de reloj es propenso a aumentar la fluctuación y puede provocar que la señal de reloj no cumpla las especificaciones. Esta integración requiere generar los relojes RF y FI para la modulación así como los relojes de muestreo para los ADC y DAC, además de los relojes para otros componentes digitales como CPU, ASIC y FPGA.

Los relojes para estos componentes digitales suelen tener unas especificaciones mucho menos estrictas que los relojes relacionados con la ruta de la señal de RF; la fluctuación periódica es a menudo el principal problema. Al generar estos relojes en el mismo chip que los relojes más sensibles, se plantean dos problemas. En primer lugar, los relojes digitales son raras veces múltiplos enteros de la señal de reloj que entra en la tarjeta de radio y, por consiguiente, debe generarse con técnicas de división de realimentación fraccional o técnicas de división de salida fraccional. Sin embargo, ambas técnicas introducen una cantidad considerable de espurios en el chip de reloj y en las salidas del reloj. En segundo lugar, los relojes de chips digitales (o cualquier espurio producido al generarlos) que caen cerca de las frecuencias de radio, intermedias o de muestreo son difíciles de filtrar; por lo tanto, conviene evitarlos. Incluso los componentes de frecuencia fuera de esas áreas de interés pueden degradar la relación señal a ruido (SNR) en forma de ruido de banda ancha o, si no se filtran, penetrando en las gamas de frecuencias críticas.

Efectos de frecuencias de mezcladores, ADC y DAC
Los mezcladores son componentes analógicos utilizados para convertir una señal de frecuencia alta en una de frecuencia baja, o viceversa. Actualmente, en la mayoría de los diseños de tarjeta de radio para estaciones base, convierten la señal de RF a FI o de banda base a RF. El mayor problema que se plantea al diseñar el árbol de reloj es el solapamiento de frecuencias. Cuando múltiples frecuencias pasan por un dispositivo no lineal, éstas interactuarán entre sí. Estas interacciones se denominan productos de intermodulación.

Figura 2. Efecto de la mezcla recíproca.

La función de un mezclador consiste en convertir dos frecuencias de entrada en una frecuencia de salida, la cual es o bien la suma (conversión ascendente) o la diferencia (conversión descendente) de las dos frecuencias.  
Las tarjetas de radio de hoy en día están diseñadas para recuperar señales que son multiportadoras por naturaleza. Por lo tanto, la señal ideal consta de varias líneas de tono uniformemente espaciadas a lo largo de la banda de frecuencias en cuestión, en vez de una sola línea de tono. Estas líneas representan los canales individuales que se recuperan. Por desgracia, esta señal multiportadora pasa por un elemento no lineal como por ejemplo un mezclador, lo que provoca una intermodulación entre esos canales. El espaciado regular de los canales tendrá como consecuencia que los productos de orden impar caigan de forma casi precisa sobre los canales que se recuperen. Se colocarán filtros delante de un mezclador para atenuar el ruido, por lo que se obtendrán productos de orden par. Los filtros insertados detrás del mezclador eliminarán los productos de intermodulación que caen fuera de la banda de frecuencia relevante, pero no se puede hacer mucho con respecto a los productos de orden impar dentro de la banda porque están demasiado cerca de las señales deseadas.

Aunque un filtro de paso de banda detrás del mezclador puede eliminar bastante bien las líneas de tono claro no deseadas, cualquier fluctuación en el reloj de muestreo transformará estas líneas en una falda, tal como muestra la Figura 2. Las colas de las faldas de cada producto no deseado contribuirán en algún modo a la banda de paso del filtro, lo que es referido como ruido de la banda ancha. Cualquier reloj generado para los mezcladores (o ADC o DAC) debe tener un umbral inferior muy bajo para minimizar la contribución al ruido de la banda ancha.

Las señales no deseadas, las así llamadas interferencias o inhibidoras, que se cuelan en la entrada del mezclador, tendrán un efecto sobre las especificaciones de las señales del reloj. Pueden incluir otras señales recibidas por la antena o señales internas del sistema que se unen con el camino de las señales recibidas. Es cierto que el prefiltro es capaz de atenuar significativamente las señales inhibidoras que estén separadas a gran distancia de la frecuencia de la señal deseada, pero las cercanas a esta frecuencia pasarán. Además, en un protocolo como LTE, en el que la señal deseada tiene una baja potencia media, incluso una señal inhibidora atenuada por el filtro puede tener suficiente potencia como para competir con la señal deseada.

Por este efecto es necesario mantener la falda del ruido de fase de los relojes en los mezcladores tan “estrecha” como sea posible. La dispersión del ruido de fase mezclado recíprocamente en las señales inhibidoras debe reducirse al mínimo.
Uno de los retos más importantes del diseño de tarjetas de radio consiste en seleccionar las frecuencias en la tarjeta y procurar que se separen al máximo las señales inhibidoras y sus productos de intermodulación de las frecuencias de las señales deseadas.

Efectos adicionales de la fluctuación sobre los ADC
Puesto que los ADC constituyen sistemas de datos muestreados y no son del todo lineales en sus conversiones, también sufrirán los mismos efectos de productos de intermodulación entre las señales de entrada deseadas, las señales (inhibidoras) no deseadas y el reloj de muestreo.

Sin embargo, hay otro efecto que repercute en las especificaciones del reloj de muestreo para el ADC. Se trata del efecto de la fluctuación en el instante de la apertura, tal como muestra la Figura 3.

El concepto básico es que cualquier incertidumbre en el instante en que se toma una muestra puede traducirse por trigonometría en una incertidumbre en la amplitud de esta muestra. La incertidumbre en la amplitud lleva a una degradación en la SNR del ADC. Una vez conocida la frecuencia de señal de entrada, se puede determinar un valor RMS de fluctuación para la SNR deseada del ADC. Una vez que se alcance este valor, la fluctuación intrínseca del árbol de reloj del ADC puede omitirse para determinar la especificación del valor RMS de fluctuación para el reloj de muestreo.  

Efectos de la fluctuación del reloj sobre los DAC
Los DAC se utilizan en la ruta de transmisión para convertir una representación digital de la señal de banda base en una señal analógica, para su conversión subsiguiente a la frecuencia de RF y amplificación hasta alcanzar la potencia de transmisión deseada. El diseñador de tarjetas de radio tendrá cuidado al elaborar el esquema de frecuencias para la tarjeta a fin de asegurar que la frecuencia de muestreo del DAC no se solape con bandas de frecuencias críticas en el lado receptor de la tarjeta. Esto es importante porque los DAC se ven afectados por la generación de frecuencias de imagen a partir de dos mecanismos potenciales.

El primer mecanismo es idéntico a lo que sucede en un ADC y en los mezcladores; la convolución del reloj de muestreo (f_LO) y la señal de entrada (fIN) producen frecuencias en N .f_LO  ± M .f_IN. Esta convolución se debe a la falta de linealidad en el convertidor. Los efectos sobre los requisitos de fluctuación del reloj de muestreo son similares al ADC.

El segundo mecanismo es una consecuencia inevitable de la forma en que funcionan la mayoría de los DAC. Como muestra la Figura 4, en cada borde del reloj de muestreo la salida del DAC cambiará muy rápidamente a un nuevo nivel de tensión, representado por el valor de muestra digital. Este valor se mantendrá hasta el próximo borde del reloj de muestreo. La salida se ajusta a la forma de onda deseada solamente una vez por reloj de muestreo.  
Debido a ello, se introduce energía de error. Por añadidura, la mayoría de los DAC sufrirán las consecuencias de alimentar en cierta medida el reloj, lo que da por resultado más picos en N .¹fLO. Por esta razón, la frecuencia del reloj de muestreo será a menudo mucho más alta de lo necesario según Nyquist; de este modo, los picos de alimentación se quedan más allá de la frecuencia deseada y, por lo tanto, pueden filtrarse fácilmente.  
La forma de onda de la salida del DAC pasará por un filtro de reconstrucción analógico para eliminar tantas frecuencias no deseadas como sea posible. El diseño del filtro será más fácil, y la implementación, menos costosa, si se controlan la fluctuación del reloj y la falda del ruido de fase.

Además de requerir determinados niveles de ruido de fase en determinadas desviaciones del reloj de muestreo, también habrá una especificación para la fluctuación RMS asociada a una gama de frecuencias. Esto se debe a la fluctuación del reloj, que causa distorsión y hace que la forma de onda de la salida difiera de la ideal. Como consecuencia, se degradará la distorsión armónica total (THD) o la señal a razón de ruido más distorsión (SINAD) del DAC. Por eso es necesario cumplir la especificación para la fluctuación a fin de evitar una degradación de la magnitud del vector de error (EVM) de la tarjeta de radio. En el lado transmisor, la reducción de la fluctuación del reloj puede contribuir directamente a una mejor EVM o sirve para relajar las restricciones de diseño respecto a circuitos de reducción del factor de cresta o de la relación de potencias pico a promedio (PAPR).

Requisitos de alineación de fase para una tarjeta de radio
Complementariamente a las funciones básicas de transmisión de voz y datos, muchos usuarios de móviles están exigiendo servicios adicionales. Un ejemplo es la localización precisa del usuario a través de la triangulación de varias torres de telefonía móvil. La determinación precisa de la posición mediante la triangulación de radio da mejor resultado cuando todas las antenas están perfectamente alineadas en fase entre sí al transmitir y recibir señales. Algunos de estos servicios requieren estaciones base separadas para funcionar con discrepancias de fase inferiores a 50 ns entre sí. Una tarjeta de radio tendrá un límite definido para la cantidad de discrepancia que puede introducir en relación con otras tarjetas de radio en el sistema. Esta es otra razón por la que cada tarjeta de radio genera todas sus frecuencias internamente a partir de una simple señal de entrada del reloj. De este modo, se asegura que haya por lo menos un punto de partida común para alinear en fase todos los relojes en la tarjeta.  

Resumen
Las tarjetas de RF tienen que generar múltiples relojes a partir de un simple reloj de entrada, a menudo ruidoso. Algunos de estos relojes de salida no tendrán una relación “entera” con el reloj de entrada. Todos los relojes deben vigilar su contribución al ruido total y prevenir el ruido en el acoplamiento con circuitos críticos. Los relojes controladores de funciones de mezclado, incluyendo ADC y DAC, tendrán unas especificaciones estrictas relativas a su fluctuación RMS y “falda de ruido”, para evitar la generación de señales inhibidoras en las rutas de las señales de RF. Las frecuencias de estos relojes se planearán cuidadosamente teniendo en cuenta los requisitos específicos de implementación de la tarjeta, y por eso suelen ser únicas para cada diseño. Muchos de estos relojes deben admitir ajustes de retardo de fase. Como consecuencia de ello, se necesita un árbol de reloj de muy alto rendimiento con especificaciones adaptadas a los requisitos básicos de cada tarjeta, implementada, preferentemente, en un solo componente. Soluciones de temporización como las de IDT Netcom están muy bien posicionadas para ofrecer estos dispositivos de muy alto rendimiento adaptados a los requisitos de diseño individuales de cada tarjeta de RF.

Autor: Ian Dobson, director de arquitectura de sistemas, Integrated Device Technology

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