ISM Bandı Kablosuz Sayısal Haberleşme İçin 2 ISM Bandı Kablosuz Sayısal Haberleşme İçin 2.4 GHz Alıcı-Verici Sistem Tasarımı Yrd. Doç. Dr. Adnan KAYA Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta

ÇALIŞMANIN AMACI Çok çipli ön uç modüller kullanarak RF alıcı verici tasarımı yapmak Tasarımdaki önemli parametreleri belirlemek ISM bandında alıcı-verici olarak çalışabilecek bir Düşük gürültülü, kazançlı, küçük boyutlu sistem tasarlamak Çoklu modüllerden mikser kısmının tasarımını yaparak sisteme etkisini incelemek.

GİRİŞ Ön uç (front end) modüller birkaç entegre devreden oluşmaktadır. RF ön uç modüller sayısal temel bant sistem ve anten arasındaki her şey olarak tanımlanabilir. Bu entegre devreler geleneksel silikon CMOS ve gelişmiş silikon germanyum (SiGe) teknolojileri kullanılarak gerçekleştirilmektedirler.  Çok çipli ön uç modüller RF alıcı verici tasarımına olan eğilimin artması ile önem kazanmaktadırlar.

Alıcı verici sistemlere olan bu eğilimin sürekli artması nedeniyle özellikle tüketiciler, düşük maliyet, düşük güç tüketimi (mobil ve taşınabilir ürünler), küçük boyutlar istemektedirler. Çok çipli modüller karıştırıcı, demodülasyon, yükseltme, filtreleme ve dedeksiyon gibi sinyal işleme olaylarında büyük bir fonksiyonellik sağlarlar. RF alıcı-verici devre PCB tasarımı gibi gerçekleştirme durumunda tip, komplekslik ve iletilen datanın miktarı yorumlanmalıdır.

2.4GHz ISM bandı içerisinde, üç yaygın RF veri iletişim standardı vardır. Bluetooth 802.11b 802.11g

IEEE 802.11b Standardı 802.11a ile aynı tarihlerde açıklanmasına rağmen 802.11b standardı üreticiler ve kullanıcılar arasında büyük kabul görmüştür. Halen PC endüstrisinde olduğu kadar ICT endüstrisinde de Wi-Fi ürünleri büyük ilgi görmektedir. 2.4 GHz bandında 2400-2483.5 MHz frekans aralığı kullanılarak 11 Mbps’e kadar veri iletişim hızlarına ulaşılmaktadır.

IEEE 802.11b Standardı 802.11b standardı büyük bir başarı elde etmesine rağmen, diğer sistemler tarafından yaratılan girişime maruz kalmaktadır. Çünkü aynı frekans bandı Bluetooth, Home RF, mikrodalga fırınlar, kordonsuz telefonlar ve amatör telsizler tarafından da kullanılmaktadır.

Alıcı-Verici Sistem Tanımı RF alıcı-verici sistemde, sinyalleri yeterli bir frekansa dönüştürmek için karıştırıcı /sentezleyici, istenmeyen sinyal bileşenlerini kaldırmak için süzgeç ve sinyalleri yeterli bir seviyeye dönüştürmek için yükselteç elemanları kullanılır.

Sistem Blok Şeması

Alıcı-Verici Model Elemanları Düşük gürültü yükselteçleri Güç yükselteçleri Karıştırıcı (Dönüşüm Kazancı, NF, Lineerlik, LO sürücü Seviyesi,DC offset, port VSWR, İzolasyon, güç tüketimi) Osilatör Alıcı-verici anahtarları Mikroşerit hatlar Yüksek frekans kapasitörleri

Alıcı-Verici Performans Parametreleri Doğrusallık (IP2/IP3/P1dB/ACPR/EVM) Duyarlılık (NF) Seçicilik (ACR/ALR/Reciprocal Mixing) Kazanç (Gp/Gv/Gt/Ga) Güç yitimi (Active/stdby/efficiency) Maliyet (die area, ext. components) Boyut (ext components, paket)

Doğrusallık Bir yükseltecin doğrusallığı, ölçülen eğrinin ideal eğriden ne kadar saptığı ile bağlantılı bir ifade ile tanımlanır. Doğrusallık çoğunlukla doğrusal olmayan karakteri belirten bir yüzde ile tanımlanır.

İşaret Gürültü Oranı Elektronik sistemlerin performansı işaret gürültü oranına bakılarak değerlendirilir. Tasarımcı mümkün olduğunca yüksek işaret gürültü oranı değerine sahip sistemler ortaya koymalıdır. Örneğin bir yükseltecin çıkışından en düşük seviyeli işaret, gürültü seviyesinin üstünde yer almalıdır. Genelde radyo iletişiminde ve haberleşmede etkin olduğu düşünülmesine karşın, bu kavram işaret seviyesinin çok küçük ve kazancın çok yüksek olduğu yükselteçlerde de kullanılır.

Gürültü Faktörü Devre elemanları için gürültü faktörü kavramı, gerçek bir direncin oda sıcaklığı koşulunda ürettiği gürültünün, ideal bir direncin ürettiği ısıl gürültüye oranıdır. Bir sistemde ise, gürültü faktörü çıkıştaki gürültü gücünün (Pno), girişindeki gürültü gücüne (Pni) olan oranıdır. Ayrıca bu kavram, giriş ve çıkıştaki işaret gürültü oranlarını kullanarak da ifade edilebilir.

Herhangi bir yükseltece giren gürültü işareti eğer yükselteç sınırlamalarına dahil bir karakteristiğe sahipse, geçerli bir giriş işareti olarak alınır ve kaskat yükselteçlerde en son kat orijinal gürültü işaretinin kendinden önceki katlarda yükseltilen gürültü işaretinden oluşmuş bir giriş işareti ile beslenir.

Toplam gürültü faktörü bu durumda Gn = n. katın kazancı Fn = n. katın gürültü faktörü İlk katta (G1) daha çok kazanç sağlayarak, Ftot değeri, F1 değerine asimptotik olarak yaklaştırabilir. Bu nedenle, bir alıcıda ilk kat, daha çok kazanca ve düşük bir gürültü şekline sahip olmalıdır.

Gürültü Şekli Bir yükseltecin kalitesini veya ideal sapmasını belirten bir ölçüttür. Bu nedenle bir kalite faktörü olarak tanımlanabilir ve gürültü faktörünün dB cinsinden ifadesidir.

IP3 Giriş sinyali yükseldikçe yükseltecin içinde oluşan harmonik sinyaller de (2’ci ve 3’cü mertebeli) yükselir. Giriş 1 dB ile yükselirse 3’cü mertebeli harmonik 3dB ile yükselmektedir. Belirli bir noktada giriş sinyali ve harmonik sinyal bir birine eşit olacaktır. Bu noktaya IP3 noktası adı verilmektedir.

Kararlılık 1. veya 2. koşul sağlanıyorsa sistem karalıdır. Büyük μ değerleri, kararlılığı arttırır.

2.4 GHz FET Mikser Tasarımı Mikserler lineer olmayan genlik davranışına sahip elemanlarla gerçekleştirilmelerine rağmen, biz frekansta lineer kaymalar bekleriz. Sinyalin frekans kayma seviyesi zayıflayabilir veya artabilir. Dikkatli bir tasarımla, özellikle direk dönüşüm yapan alıcılarda LO sızıntısı, mikserin LO ve RF portları arasında yüksek izolasyon sağlayarak minimize edilir Negatif dönüşüm kazançları genellikle dönüşüm kayıpları (conversion loss) olarak adlandırılır. Kullanılan LO ler gelen RF sinyali arzu edilen IF frekansına dönüştürebilecek frekans aralığını kapsayacak şekilde faz kilitlemeli voltaj kontrollü (VCO) osilatör olarak gerçeklenirler.

Sistemdeki ilk mikser ATF 54143 HEMT (Agilent) kullanılarak aktif FET mikser tasarlanmıştır ve mümkün iki devre şekilde gösterilmektedir. 5 pF lık kapasite 280 MHz lik IF sinyaline yüksek empedans gösterebilmesi için, 125 nH lik bobin RF ve LO sinyallerini bloklamak için drain terminaline bağlanmıştır. LO ve RF portların da uyumlandırma sistemleri mikroşerit hatlar kullanılarak tasarlanmıştır.

2.4 GHz Aktif FET mikser ATF 54143pHEMT 3 V dc akım 60 mA

RF devre tasarım ve simülasyonu için endüstride çeşitli yazılım paketleri bulunmaktadır. Bu çalışmada, Moment Metodu kullanan Applied Wave Research’s Microwave Office programı, tasarım prosesinde daha fazla esneklik sağladığı için seçilmiştir.

Mikser Performansı Aşağıdaki şekilde RF ve LO terminallerindeki giriş Geri dönüş Kaybını ve dönüşüm kazancını göstermektedir.

Üç Farklı LO sürücü seviyesi için-RF giriş gücü -30 dBm

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi güç değerleri her bir harmonik için RMS güç bileşenlerinin karmaşık büyüklükleri olarak bulunur. RF giriş gücü -30 dBm, LO gücü -10 dBm olarak alındı.

Mikser Performansı Benzetim RF frekans aralığı (GHz) 2.42.47 GHz   Benzetim RF frekans aralığı (GHz) 2.42.47 GHz LO frekans aralığı (GHz) 2.12-2.19 GHz IF Frekansı 280-300 MHz RF Geri Dönüş Kaybı 25 dB LO Geri Dönüş Kaybı 32 dB Dönüşüm Kazancı (RFin-IF out) 3 dB IF VSWR 1.3 LO-IF izolasyon (dB) LO-RF izolasyon (dB) 45 dB Gürültü Şekli

ALICI-VERİCİ SİSTEM PERFORMANSI Şekiller alıcı modunda sistemin (transceiver) simülasyon sonuçlarını göstermektedir. Alıcı modunda, Kazanç 44.5 dB ve gürültü şekli de (noise figure) 4.25 dB 2.45 GHz de elde edilmiştir. 1dB kazanç bastırma noktası giriş gücü -21 dBm olduğunda -6 dBm dir.

ALICI SİSTEM 2.4 GHz alıcı sistem kazanç grafiği 2.4 GHz alıcı sistem gürültü performansı 2.4 GHz alıcı sistem kazanç grafiği

Verici modu için gürültü ve kazanç grafikleri gösterilmektedir. Şekillerden de görüldüğü gibi kazanç 44.5 dB ve gürültü de 4.2 dB dir. Verici modunda 200 MHz lik IF sinyali iki kere yukarı dönüştürülerek 2.4 GHz e dönüştürülmüştür.

2.4 GHz verici sistem gürültü performansı

Verici modu -pi/4 DQPSK (-12.7 dBm) sayısal modülasyon 2.4 GHz RF ön-uç alıcı-verici sistemlerin her bir katının kazanç, gürültü şekli ve toplam kazanç/gürültü şekli simülasyon sonuçları KAT Kazanç (dB) IF Mikser 3 IF Yükselteç 21 T/R anahtar -1 IF Filter -1.5 Mikser RF Filter -2 Ön Yükselteç PA 25 TOTAL 56 dB Verici modu -pi/4 DQPSK (-12.7 dBm) sayısal modülasyon

Alıcı modu- pi/4 DQPSK (-12.7 dBm) sayısal modülasyon Stage Noise Figure (dB) Gain (dB) T/R anahtar+RF Filtre 3 -1.5 LNA 2.5 20.1 Mikser 3.5 IF Filtre+T/R Anahtar 4 -1 IF Yükselteç 19.3 2nd Mikser 2nd IF Filter 1 Toplam Kazanç 31.4 dB TOPLAM NF 4.2519 dB (3.73696 lin.) TOPLAM NOISE TEMP 793.71993K

SONUÇLAR Makalede ISM bandında sayısal haberleşme sistemleri için 2.4 GHz alıcı-verici RF ön-uç (frekans sentezleyici hariç) modülerin gelişmiş simülasyonları, yorumları ve tasarımları tanımlanmıştır. Birinci LO katı 2.12 GHz den 2.19 GHz e değişmekte ve ilk IF de 280 MHz olmaktadır. İkinci LO 335 MHz dir ve ikinci IF ise 55 MHz dir.

A sınıfı iki katlı güç yükselteci, ön-yükselteç, aktif FET mikser (3 dB dönüşüm kazancı) ve düşük gürültülü yükselteç (21 dB kazanç ve 3 dB gürültü şekli) sistem olarak tasarlanmış ve uygun IF RFIC ler, filtreler ve RF ön-uç alıcı-verici formunu belirleyen anahtarlarla birleştirilmiştir.

Tasarlanan sistemin performans parametreleri Microwave Office Simülasyon programı kullanılarak değerlendirilmiştir. Simülasyon sonuçları, tasarlanan devrelerin 802.11b/g standartları ile uyumlu alıcı-verici sistemlerde etkili olarak kullanılabileceğini göstermektedir.

KAYNAKLAR Rohde, L. U., RF/Microwave Circuit Design For Wireless Applications, John Wiley&Sons, Inc.,2000. Pozar, D. M., Microwave Engineering, John Wiley&Wiley, 1998. Kluge, W., Dathe, L., Jaehne, R., Ehrenreich, S., and Eggert, D., “A 2.4GHz CMOS transceiver for 802.11b wireless LANs,” in IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, 2003. Doddamani, N.D., Harishchandra, Nandi., “Design of SPDT Switch, 6 Bit Digital Attenuator, 6 Bit Digital Phase Shifter for L-Band T/R Module using 0.7 uM GaAs MMIC Technology,” International Conference on Signal Processing, Communications and Networking, 2007. Esame, O., Kaynak, M., Kavlak, C., Bozkurt, A., Tekin, I., Gürbüz, Y., “IEEE 802.11a Standard Uyumlu, RF Alıcı-Verici Alt-Blok Devrelerinin Gerçeklenmesi, URSİ, Hacettepe Üniversitesi, 2006. Stece, C., RF Power Amplifiers for Wireless Communications, Artech House, 1999.

TEŞEKKÜR EDERİM