La crescente domanda di servizi dati per cellulari esercita una pressione continua sui progetti delle stazioni base in termini di aumento della banda larga e riduzione dei costi. Diversi fattori influiscono sul costo complessivo di installazione e funzionamento di altre stazioni base necessarie a far fronte all’aumento della domanda. Componenti elettronici più piccoli e a più basso consumo in una stazione base macrocella contribuiscono a ridurre i costi iniziali, nonché quelli per affitto dei locali e consumo elettrico della torre. Nuove architetture quali le unità Rrh (Remote Radio Head) promettono un’ulteriore riduzione dei costi. Per ottenere questi benefici i progettisti di stazioni base hanno bisogno di nuovi componenti che, pur dimostrando elevati livelli di integrazione, non pregiudicano le prestazioni. L’integrazione nella parte RF della radio è un compito particolarmente impegnativo a causa delle caratteristiche di prestazione. Più di dieci anni fa l’architettura di una tipica stazione base comportava diverse fasi di amplificazione a basso rumore, conversione verso il basso a una frequenza intermedia, filtraggio e un’ulteriore amplificazione. Mixer a prestazioni più elevate, amplificatori e convertitori analogici-digitali con range dinamico e frequenze di campionamento più elevati hanno consentito ai progettisti di ridurre le fasi di conversione verso il basso in un’unica fase IF. Eppure l’integrazione dei componenti rimane piuttosto limitata. I mixer sono dotati di uscite IF con buffer, trasformatori balun integrati, switch LO e separatori. Un dispositivo dotato di mixer e un PLL per l’LO rappresenta un recente progresso dell’integrazione. Sono disponibili mixer e amplificatori doppi. Non esistono ancora dispositivi che integrano porzioni della catena RF con l’Adc sullo stesso silicio, il che è dovuto soprattutto al fatto che i processi dei semiconduttori scelti per ogni componente sono diversi. Il compromesso sulle prestazioni associato alla scelta di un processo comune e inaccettabile per l’applicazione.
L’importanza dell’integrazione
Parallelamente il radiomobile si è trasformato in IC in banda base e transceiver altamente integrati e moduli frontali RF integrati. I blocchi funzionali RF tra il transceiver e l’antenna prevedono filtraggio, amplificazione e commutazione (con adattamento di impedenza tra componenti, ove necessario). Il transceiver integra l’Adc del ricevitore, il Dac di trasmissione e i relativi blocchi RF. In questo caso la caratteristica di prestazione ha un livello tale da consentire un processo comune. Il modulo Fem utilizza una tecnologia SiP (System-in-Package) per integrare vari IC e componenti passivi, inclusi filtri multi-modo e switch RF per trasmettere e ricevere. In questo caso un processo comune non era fattibile, ma l’integrazione era comunque necessaria. L’integrazione di un numero sempre maggiore di funzioni su un solo chip monolitico procede spesso in modo intermittente. Geometrie dei processi di semiconduttori più ridotte diventano fattibili, realizzabili e in grado di garantire adeguate prestazioni per applicazioni con stazioni base. La relativa diminuzione del consumo energetico è spesso un ordine di grandezza concreto, il che consente di integrare molte funzioni che in precedenza erano separate. Questo consente di integrare molte funzioni nuove, con conseguente aumento della disponibilità di nuovi prodotti altamente integrati. Nei portatili tutto questo si è verificato con gli IC di banda base e transceiver. Tra un’importante fase di migrazione delle geometrie dei processi e la fase successiva si interpone un lungo intervallo di tempo. Quando il percorso tradizionale verso l’integrazione viene ostacolato si presentano percorsi alternativi.
Architetture innovative
Proprio come nei cellulari, in cui l’integrazione monolitica è continuata finché il front-end RF e poi i moduli hanno garantito l’integrazione continua, un nuovo tipo di modulo fornisce i requisiti di integrazione per applicazioni con stazioni base. Esempi recenti sono i ricevitori µModule LTM9004 e LTM9005 di Linear Technology, dotati di Adc ad alta velocità e catena di segnale RF. L’LTM9004 implementa un’architettura a conversione diretta con un demodulatore I/Q, un filtro passa-basso e un Adc a due canali. L’LTM9005 si basa invece su un’architettura di campionatura IF con un mixer downconverter, un filtro SAW e un Adc singolo. Entrambi sono disponibili in un package LGA da 22 mm x 15 mm, consentendo una riduzione del 75% dello spazio occupato sulla scheda, integrando diversi IC e molti di componenti passivi. Un’integrazione di questo tipo non è possibile con il percorso tradizionale in quanto l’Adc ad alta velocità utilizza un processo Cmos fine-line, mentre i componenti RF utilizzano silicio-germanio (SiGe). Inoltre molti componenti passivi sono decisamente poco pratici per l’integrazione del silicio a causa dei requisiti prestazionali. L’architettura del ricevitore a campionamento IF dimostra chiaramente perché questo livello di integrazione riesce meglio con la tecnologia SiP. Ogni componente ha notevoli esigenze che, per essere soddisfatte, richiedono un processo ottimizzato. Per questo attualmente non esiste un processo comune. Cosa ancora più significativa, il filtraggio del segnale alla frequenza intermedia deve essere molto buono in termini di reiezione fuori banda a causa dei segnali indesiderati ai quali le stazioni base sono soggette. Attualmente il filtraggio avviene con filtri Saw (Surface Acoustic Wave) in package ceramici ermetici. Questo tipo di filtro è integrato nell’LTM9005. L’architettura del ricevitore a conversione diretta, pur essendo meno comune del campionamento IF, offre diversi vantaggi rispetto alla supereterodina tradizionale e possiede il potenziale migliore per un’eventuale integrazione monolitica. Facilita i requisiti per il filtraggio passa-banda frontale RF non essendo soggetto a segnali alla frequenza immagine. I filtri passa-banda RF devono solo attenuare i segnali fuori banda forti per evitare un sovraccarico del front end. Inoltre la conversione diretta elimina la necessità di amplificatori IF e filtri passa-banda. Invece il segnale in ingresso RF viene convertito direttamente alla banda base. La conversione diretta comporta tuttavia una serie di problemi di implementazione. Il segnale LO di ricezione, avendo la stessa frequenza del segnale RF, può facilmente diffondersi dall’antenna di ricezione e violare gli standard normativi. I segnali in banda base indesiderati possono essere generati anche dalla non linearità di secondo ordine del ricevitore. Un tono a qualsiasi frequenza che entra nel ricevitore provoca uno sfasamento Dc nei circuiti in banda base. La non linearità di secondo ordine del ricevitore consente anche un segnale modulato, perfino il segnale desiderato, per generare un blocco di energia pseudo casuale basato su Dc. Malgrado tutto è adatto per molte applicazioni e promettente per diversi motivi, tra cui il potenziale di integrazione. Mentre i transceiver con una parte del percorso RF sono diffusi, le prestazioni non sono adeguate per le attuali stazioni base. Può darsi che in futuro queste limitazioni possano essere superate; per il momento il cammino verso l’integrazione prosegue e la tecnologia SiP colma il divario.
