Широкополосные SDR приемники на основе сверхпроводящих устройств
Авторы: Akira Fujimaki, Koichi Nakazono, Hiroaki Hasegawa, Takashi Sato, Akira Akahori, Nobuo Takeuchi, Futoshi Furuta, Masaaki Katayama, and Hisao Hayakawa
Источник: IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol II, No I — 2001
Аннотация
Исследовано SDR, основанное на сверхпроводящих устройствах. Увеличение скорости передачи данных в мобильной связи потребует в будущем частотные полосы шириной до нескольких сотен МГц. Было подтверждено численно широкополосную характеристику передискретизирующего АЦП, включая низкочастотный и полосовой модулятор. Кроме того установлено, что полосовой модулятор, построенный без резистора, имеет чувствительность, улучшенную на два порядка по сравнению с модулятором для нижних частот. Это означает, что цифровая РЧ радио архитектура, основанная на полосовом АЦП лучше подходит для приемника SDR в будущем.
I. Введение
Как известно, рост трафика в мобильных беспроводных сетях связи высокий. Ежегодный темп роста мобильных аппаратов, в том числе телефонов PHS (Personal Handy Phone System,) за последние 5 лет в Японии достиг 140%. Этот рост в мультимедийных систем связи будет продолжаться до их полного внедрения.
С учетом такого роста, системы мобильной связи уже используют разнообразные радиоинтерфейсы и полосы. Например, цифровые сотовые телефоны с технологией множественного временного доступа (TDMA) имеет выделенный частотный диапазон 850 МГц, в то время как аналоговые сотовые телефоны работают в той же полосе частот. Кроме того, новая услуга CDMAOne на основе Code Division Multiple Access (CDMA) уже работает на 850 МГц. В 2001 году передовые услуги cdma2000 или W-CDMA выйдут на рынок. Предлагается новые стандарты радио и дополнительных услуг, один за другим, которые будут добавлены к традиционным услугам. Такое быстрое изменение сокращает время жизни данного стандарта или услуги, и, сокращает жизнь мобильных телефонов и базовых станций. В частности, в короткий срок жизни базовых станций вызывает серьезные проблемы, потому что все базовые станции, существующие по всей площади должны быть обновлены до новой услуги в одно и то же время. Это влечет за собой временные и материальные затраты. Таким образом, будущие базовые станции должны иметь высокую гибкость и реконфигурацию. Тем не менее, данная технология, на основе аналоговых компонентов, предлагает ограниченную гибкость и реконфигурации.
Концепция программно определяемого радио (SDR) была задумана для военных целей, но техника SDR может иметь и коммерческое применение, потому что радио удовлетворяет требованиям гибкости. В SDR, функции переопределены в программное обеспечение, загрузкой программного обеспечения или через карту идентификации абонента.
Наша группа предложила передовые базовые станций [1–3]. Они называются «Интеллектуальными супер базовыми станциями» (ISB), и имеет возможность объединять существующие базовые станции и в будущем. Техника SDR и сверхпроводящие устройства имеют важное значение для системы ISB. Подобная идея, что сверхпроводящая цифровая электроника относится к приемнику SDR была предложена независимой группой штата Нью-Йорк в Стони Брук и Ericsson [4].
В этой статье будет рассмотрено направление исследований направленное на сверхпроводящие приемники SDR. Также будет представлен наш попытки разработки сверхпроводящих устройств для SDR приемников.
II. ТРЕБОВАНИЯ ДЛЯ БУДУЩИХ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ SDR
A. Ширина полосы
В соответствии с данными министерства почты и телекоммуникаций Японии [5], скорость передачи данных на одного абонента будет расти, а также количество абонентов в ближайшем будущем. Требуемая скорость передачи данных в мобильной сети достигнет нескольких десятков Мбит/с на 2010 год, хотя в настоящее время скорость передачи данных составляет не более 64 кбит/с.
Одна базовая станция должна охватывать несколько абонентов внутри соты. Таким образом, будущая базовая станция должна иметь возможность обрабатывать ширину полосы 100МГц и больше. Провайдеры отмечают, что большие размеры сот приводят к необходимости в широкой полосе, что позволит снизить расходы на техническое обслуживание базовых, хотя при увеличении размера соты, частоты используются менее эффективно.
На рис. 1 показана схематическая структура многозадачного радио на основе обычного мульти-аппаратного приемника и SDR. Обычный приемник состоит из аналоговых компонентов для фиксированной частоты, включая смесители и полосовые фильтры (рис. 2а). Выбор канала обеспечивается с помощью полосового фильтра, размещенного в ВЧ части
С другой стороны, большой блок ячеистого спектра, содержащий множественные каналы, в SDR выбираеся в аналоговой чати полосовым фильтром. Широкополосные сигналы оцифровуются с помощью одним широкополосным АЦП, потом желаемый индивидуальный канал выделяется с помощью программных средств канальной избирательности (рис. 1b) [6]. Эта архитектура обеспечивает высокую гибкость. Будущие SDR приемники должны иметь возможность покрывать несколько каналов, с полосами около 100 МГц, следовательно, полоса приема SDR должна быть более 100 МГц. АЦП, используемый в SDR должен обладать такой же широкополосностью.
Если центральная частота РЧ фильтра широка (рис. 1b), покрываемый спектр используется с большей эффективностью. В результате, в некоторых случаях, увеличивается гибкость, даже если используется недостаточно широкополосный АЦП
Б. Архитектура
В предуыдущих работах была описана приемная РЧ цепь SDR[2]. Первая архитектура, показанная на рис. 2b, называется «цифровым полосовым радио». Вторая (рис. 2с) — «цифровым РЧ радио». Когда базовые станции построены, для каждого канала необходим цифровой фильтр. Эти архитектуры имеют высокую гибкость в плане внесения изменений в параметры системы: модуляция, принимаемая полоса. Для каждой архитектуры важное значение имеют широкополосные сверхпроводящие РЧ фильтры и широкополосные АЦП.
Общие преимущества использования сверхпроводящих устройств в этих архитектурах следуют из внедрения сверхпроводящего АЦП. Как упомянуто ранее, для будущих SDR приемников необходима полоса приема более 100 МГц. Однако, полоса обычного непередискретизирующегоо полупроводникового АЦП ограничена джиттером тактирующих колебаний [7]. Благодаря этому ограничивающему фактору, тенденция увеличения полосы полупроводникового АЦП ограничена до 115%/год. Учитывая эту тенденцию, полоса 12-битного АЦП ограничена до 200 МГц, а для 14-битного АЦП — 50 МГц (на 2010 год). Когда был применен передискретизирующий АЦП [8–11], эффект джиттера тактирующего колебания был существенно уменьшен [12]. Сверхпроводящий передискретизирующий АЦП основанный на логике single-flux-quantum (SFQ) может оперировать с частотами порядка десятков ГГц, которые на 1 или 2 порядка выше по частоте, чем полупроводниковый АЦП. Такая высокая частота позволяет нам разрушить ограничивающий барьер джиттера и улучшить широкополосность.
Другое преимущество SFQ АЦП — высокая чувствительность. Минимальная мощность входящего сигнала, необходимая для запуска SFQ цепей, менее 1 мкВт, в то время, как для быстродействующего полупроводникового АЦП необходимо около 1мВт. Природа высокой чувствительности позволяет снизить требования к коэффициенту усиления МШУ на 30 дБ. Обычно, ждя усилителя, коэффициент усиления и полоса усиления, постоянны. Таким образом, снижение требований к коэффициенту усиления МШУ расширяет возможную частотную полосу приема. Как будет описано ниже, полосовой модулятор сверхпроводящего Σ–Δ АЦП обеспечивает очень высокую чувствительность. В таком случае, МШУ может быть вобще исключен из приемника (рис. 2с), и шумовое число будут улучшены на несколько дБ. Принимая во внимание, что РЧ сигналы трудно оцифровать напрямую полупроводниковым АЦП, сверхпроводящие SDR приемники имеют большое преимущество перед цифровым РЧ радио, в котором уровень битовых ошибок может быть значительно улучшен [2]
Дополнительно к SFQ АЦП необходим аналоговый полосовой фильтр, сделанный из тонкого сверхпроводящего материала. Природа низких потерь позволяет строить широкополосные многоуровневые тонкослойные фильтры с низкими потерями.
Рисунок 2 —Конфигурация приемной цепи для одного канала. Обычный узкополосный супергетеродинный приемник (a). Цифровое полосовое радио (b).
III. Исследование сверхпроводящих элементов
В этом разделе мы уделяем внимание изучению суперпроводящих АЦП. На рис. 3 показан эквивалентный контур первого порядка Σ–Δ, разработанный в этой работе. Такой модулятор может использоваться в цифровом полосовом радио, которое показано на рис. 2b. Переход J2 работает как компаратор. Интегратор состоит резистора R1 и катушки индуктивности L1, частота среза составляет 12,5 МГц. Для улучшения отношения сигнал/шум [13], мы усиливаем выходной сигнал и подаем его обратно на интегратор. Усилитель формируется ступенчатой цепью, которая состоит из Josephson Transmission Lines (JTLs), разделителей и соеденительных буферов. Пять SFQ импульсов производятся для одного входного SFQ в ступенчатой цепи. Пять импульсов возвращаются через соединитель J4 и один через компаратор J2. В результате шесть SFQ импульсов, противоположных блуждающим токам подаются обратно, в результате ток, текущий через J2, уменьшается.
Рисунок 4 — Эквивалентная цепь низкочастотного модулятора для Σ–Δ АЦП. Усилитель со ступенчатой структурой улучшает SNR. Параметры цепи: J1 = J4 = 100 мкА, J2 = J3 = 140 мкА, R1 = 2.5 мΩ, L1 = 200 пГн, L2 = 2 пГн, L3 = 8 пГн.
На рис. 4 изображена численно полученная плотность мощности шума как функция частоты для контура на рис. 3. Приводятся оба результата: с использованием и без использования усилителя, чтобы определить влияние усиления на отношение сигнал/шум. Выходной гармонический сигнал с частотой 20 ГГц рассчитывается с использованием JSIM [14], затем поступает на функцию быстрого преобразования Фурье. Рассчитанная мощность шума нормализируется полномасштабно частотой 220 МГц. Из рисунка видно, что шум ограничен, как и ожидалось. В дополнение, отношение сигнал/шум модулятора с усилителем увеличивается на 5 дБ в сравнении со схемой без усилителя на низких частотах. Необходимо спроектировать модулятор второго порядка или выше.
На рис. 5 показана микрофотография модулятора с балансным генератором работающим как задающий элемент. Эта схема произведена с использованием NEC стандартных процессов на основе Nb/AlOx/Nb технологии с Jc 2.5kA/cm2 [15]. Модулятор корректно работает на низких частотах. Тестирование работы на высоких частотах продолжается.
Рисунок 4 — Спектр мощности нормализованного полноуровневого сигнала «1Φ0-fecdback» и «6Φ0-feedback» отражают результат без использования и с использованием усилителя
Рисунок 5 — Микрофотография фабричного низкочастотного модулятора
В низкочастотных модуляторах второго порядка и выше, состоящих из резисторов, индуктивностей и соединителей, полномасштабные сигналы достигаются на амплитудах в несколько мА. Эти относительно высокие амплитуды требуют соответствующего усилителя перед низкочастотным модулятором.
С другой стороны полосовой Σ–Δ модулятор, состоящий из конденсаторов, индуктивнойстей и JJ показывает высокую чувствительность. На рис. 6 показан эквивалентный контур полосового модулятора, предложенного группой Northrop Grumann [16]. Этот модулятор содержит контур-резервуар, состоящий из индуктивности и конденсатора. резонансная частота составляет 2 ГГц. Контур-резервуар служит резонатором, ведущим к формированию шума квантования для полосового использования, то есть контур работает как ФНЧ второго порядка для аналогового входного сигнала.
Рассчитанный спектр шума показан на рис. 7. Тактирующая частота выставлена равной 20 ГГц и параметры соединителей соответствуют стандартному процессу NEC. Шум нормализуется полномасштабно с частотой 1,95 ГГц. Из рис. 7 видно, что полосовые характеристики формирования шума могут быть получены около резонансной частоты. Динамический диапазон, свободный от спуров составляет 62 ДБ для полосы 100 МГц на частоте 2 ГГц.
Амплитуда полномасштабного сигнала не более 22 мкА, что на 2 порядка меньше, чем необходимый для низкочастотного модулятора. Такая высокая чувствительность позволяет исключить все усилители из приемника цифрового РЧ радио, как показано на рис. 2с. Шумовое число будет улучшено на несколько дБ, что полезно для радио, которые имеют высокие частоты несущих.
Как упомянуто ранее, широко перестраиваемые аналоговые фильтры помогают достигнуть гибкости в SDR приемниках. Начато исследование перестраиваемого фильтра совместно у Университетом Кински. Фильтр состоит из сверхпроводящего тонкослойного фильтра и прослойкой магнитного или диэлектрического материала. Прослойка располагается над фильтром, таким образом, центральная частота контролируется изменением расстояния между фильтром и прослойкой. Было получено изменение центральной частоты от 640 МГц до первоначальной центральной частоты 3,5 ГГц. В качестве диэлектрического материала был использован LSAT. Более широкий диапазон изменения может быть получен путем оптимизации структуры. Детали, включая потери от наводок и нелинейных искажений, обсуждаются в [17].
![Эквивалентная цепь полосового Σ–Δмодулятора АЦП впервые предложена в [15]. Резонатор состоит из L = 100 пГн и C = 63 пФ.](article8/img6.png)
Рисунок 6 — Эквивалентная цепь полосового Σ–Δмодулятора АЦП впервые предложена в [15]. Резонатор состоит из L = 100 пГн и C = 63 пФ.
Рисунок 7 — Спектр мощности шума квантования, нормализованного полномасштабным сигналом для полосового Σ–Δ модулятора АЦП
IV. Итоги
В данной работе была рассмотрена идея применения сверхпроводящих SDR к будущим базовым станциям. Считается, что тенденция полосы приема в радиокоммуникационном оборудовании будет более 100 МГц. Таким образом, SDR приемник должен состоять из широкополосного аналогового фильтра и широкополосного АЦП, в котором должны использоваться сверхпроводящие устройства, имеющие безоговорочное преимущество над полупроводниковыми. В частности, численный анализ показывает, что архитектура цифрового РЧ радио, основанная на полосовом АЦП без резистора, имеет намного большую производительность и чувствительность. Низкочастотный АЦП имеет высокую потенциальную широкопоосность относитеьно низкочувствительным приложениям, такую же как и полосовой АЦП.
Ссылки
1. A. Fujimaki, and M. Katayama, "Toward the Intelligent Super Basc- Station with software defined radio techniques and superconductive devices," Technical report of IEICE, CAS-98. pp. 85-92, March 1999. (in Japanese)
2. A. Fijimaki, M. Katayama, H. I-layakawa, and A. Ogawa, "Advanced base-station based on superconductive devices and software-defined radio technology," Supercond. Sci. & Technol., Vo1.12, No. II , pp.708–710, Nov. 1999.
3. A. Pujimaki, "Application of superconducting tcchnology to future wireless communication systems," Extend. Abst. of the 4th Joint ISTEC/MRS Workshop on Supercond., pp, 186-189, Kauai, HA., 1999.
4. E. B. Wikborg, V. K. Scmenov, and K. K. Likharev, "RSFQ front-end for a software radio receiver," IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 9, No. 2, pp.3615-3618, June 1999.
5. 1997 Policy Report of Telecommunication, Printing Bureau, Ministry of Finance of Japan, 1997. (in Japanese)
6. H. Tsurumi and Y. Suzuki, "Broadband RF stage architecture for software-dcfined radio in handheld terminal applications," /EEL Commim. Mag., pp.90-95, Feb. 1999.
7. R. H, Walden, "Performance trends for analog-to-digital converters," lEEECommtm. Mag., pp.96-101, Feb. 1999.
8. V. K. Semenov, Y. A. Polyakov, and T. A. Filippov, "Analog-to-digital converters with on-chip digital low-pass filters," IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 9, No. 2, pp.3026-3029, June 1999.
9. S. V. Rylov, D. K. Brock, D. V. Gaidarenko, A. F. Kirichenko, J. M. Vogt, and V. K. Semenov, "High resolution ADC using phase modulation-demodulation architecture," IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 9, No. 2, pp.3016-3019, June 1999.
10. A. H. Worsham, D. L. Miller, P. D. Dresselhaus, and J . X. Przybysz, "Superconducting modulators for high dynamic range delta-sigma analog-to-digital converters," IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 9, No. 2, pp.3157-3160, June 1999.
11. D. L. Miller, J. X. Przyhysz, and A. H. Worsham, "Flux quantum sigma-delta analog-to-digital converters for rf signals," IEEE Trans. Appl. Suprcond., Vol. 9, No. 2, pp.4026-4029, June 1999.
12. S. R. Norsworthy, R. Schreier, and G. C. Temes, Delta-sigma data converters, IEEE Press, 1997, chap. II
13. J. X. Przyhysz, D. 1 ,. Miller, and E. N. Naviasky, "TWO-loop modulator for sigma-delta analog to digital converter," IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 5 , No. 2, pp.2248-2251 , June 1999.
14. E. S. Fang and T, V. Duzer, "A Josephson integrated circuit simulator (JSIM) for superconductive electronics application", Extend, Abst. of 1989 Int. Superconductive Electronics Conf, pp, 407-410 , Tokyo 1989.
15. S. Nagasawa, Y. Hashimoto, H. Numata and S. Tahara, "A 380ps, 9.5mW Josephson 4-Kbil RAM operated at a high bit yield", IEEE Trans. Appl, Supercond., vol. 5, pp. 2447-2452, Jun. 1995.
16. J. X. Przyhysz, U.S. Patent 5341136.