Sıfır ara frekans alıcı yapısı

Abstract

İlk kez 1956 yılında Weaver tarafından SSB (Single Side Band, Tek Yan Bant) ses işaretlerinin üretilmesini ve alınmasını kolaylaştırmak amacıyla ortaya atılan doğrudan öteleme işlemi o dönemde yeterince ilgi görmemiş ve kullanımı elverişsiz bulunmuştur. Doğrudan öteleme işlemine ilgi duyulmamasının başlıca nedenleri temel banttaki işlemlerden kaynaklanan, alıcı performansını düşüren ve o dönemde çözülmesi zor olan bazı problemlerdir, öte yandan doğrudan öteleme işleminin farklı bulunan yapısı, daha düşük işaret gürültü oranlarına (SNR, Signal to Noise Ratio) duyulan ihtiyaç ve SSB yerine FM (Frequency Modulation, Frekans Modülasyonu) modülasyonuna ilgi duyulmaya başlanması da doğrudan öteleme işlemine yönelik çalışmaları olumsuz yönde etkilemiş ve bu alıcı yapısının yaygınlaşmasına engel olmuştur. Ancak zamanla düşük güçlü ve düşük maliyetli radyo frekans (RF, Radio Frequency) alıcı-vericilerine duyulan ihtiyacın artması, tümleşik devre teknolojilerini daha fazla RF fonksiyonunu tek bir kırmık üzerinde birleştirmeye yöneltmiştir. RF sisteme ait daha fazla kısmın tümleştirilmesi ile de bir zamanlar elverişsiz bulunan alıcı-verici yapıları zamanla uygulanabilir çözümler haline gelmektedir. Doğrudan öteleme (direct conversion) ya da sıfır-IF (zero IF) olarak isimlendirilen bu alıcı yapısı da günümüzde frekans değiştirmeli (heterodin, heterodyne) alıcılar ve hayal frekans-bastıran (image-reject) yapılar karşısında, yüksek tümleşme ve düşük güç özellikleriyle alternatif bir RF alıcı yapısı sunmaktadır. Yapının en büyük avantajı, işareti yüksek bir ara frekans (IF, Intermediate Frequency) yerine doğrudan temel banda indirmesi ve böylelikle de işareti yüksek bir ara frekans yerine temel bantta kuvvetlendirmesi ve filtrelemesidir. Sonuçta yüksek IF merkezli bant geçiren filtre yerine daha az yer kaplayan, daha az güç tüketen ve daha ucuz alçak geçiren filtreler ile kanal seçimi mümkün olmakta ve hayal bastıran filtrelere de gerek kalmamaktadır. XII Buna rağmen, geçmiş yıllarda pek çok uygulama ile tanıtılan sıfır-IF alıcıların performansları, hiç bir zaman IF alıcı performansıyla kıyaslanabilir bir düzeye ulaşamamıştır. Bu düşük performans temel banttaki işlemlerle ilgili olup temelde filtre doyması ve distorsiyonuna neden olan olaylardan kaynaklanmaktadır. Maliyet, güç ve fiziksel boyut avantajlarına karşılık, sıfır-IF alıcıda karşılaşılan başlıca sorunlar DC ofset, l/Q (In phase/Quadrature, Eş fazlı/Dikey) dengesizliği, çift dereceli distorsiyon, 1/f gürültüsü ve osilatör sızması (oscillator leakage)'dır. Günümüzde tümleşmenin artması ve sayısal uygulamaların getirdiği avantajlar ile doğrudan öteleme yapısı yeniden ve daha yaygın olarak aktif araştırma konuları arasında yer almış; cep telefonları, DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone, Sayısal Gelişmiş Telsiz Telefon) terminaller, WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access, Geniş Bantlı Kod Bölmeli Çoklu Erişim ) alıcılar, çağrı cihazları, VSAT (Very Small Aperture Terminal, Çok Küçük Açıklıklı Terminal) ve MSAT (Mobile Satellite, Mobil Uydu) uygulamaları, sayısal uydu STB (Set Top Box, Set Üstü Kutu)'lan gibi çeşitli uygulamalarda kullanım alanı bulmuştur, özellikle sayısal uydu yayınının yapısından kaynaklanan avantajlar, sayısal uydu alıcısı üreticilerini sayısal STB'larda sıfır-IF tuner kullanmaya yöneltmektedir. Maliyet ve boyutun her geçen gün daha fazla önem kazanması ile sıfır-IF alıcılara gösterilen ilgi de artmakta ve sıfır-IF yapısı farklı uygulama alanları bulmaktadır. Bu çalışmada sıfır-IF alıcı yapısı, yapının avantajları, yapıdan kaynaklanan sorunlar, bu sorunlara yönelik çözümler ve sıfır-IF yapısının uygulama alanları incelenmiştir. Ayrıca sıfır-IF yapısının ve avantajlarının daha iyi anlaşılabilmesi amacıyla günümüzde de yaygın olarak kullanılan frekans değiştirmeli ve hayal frekans bastıran yapılara da yer verilmiştir.

Direct conversion architecture which is also called zero-IF or homodyne architecture was invented by Weaver in the 1950's to simplify the generation and reception of the SSB audio signals. Although it has been tried for many times it has failed almost every time because of some drawbacks of the architecture itself. Other than baseband related problems which are mentioned below, the direct conversion receiver's lack of widespread acceptance at that time can probably be attributed to the unfamiliarity of its design, the need for higher SNR levels and the shift from SSB to FM as a preferred modulation. Motivated by the growing needs for low-power and low-cost wireless transceivers, IC technologies are competing to integrate more RF functions onto a single chip. As integrated circuit technologies embrace more parts of RF systems, transceiver architectures that once seemed impractical may return as plausible solutions. Direct conversion is an alternative wireless receiver architecture to the heterodyne and image-rejection architectures, particularly for highly integrated, low power terminals. Its fundamental advantage is that the received signal is amplified and filtered at baseband rather than at some high intermediate frequency. Replacement of the band pass filters and the subsequent stages by low pass filters and base band amplifiers means higher degree of integration and low power consumption. Direct conversion architecture also eliminates a large number of off-chip passive components which add to receiver size and cost. As a result of these, direct conversion architecture possesses better selectivity with less complexity, low cost, and low power. Although the system has many advantages it has been rarely used due to its inherent problems which were difficult to solve in the past. It has been introduced in several applications but its performance could not be compared to the heterodyne architecture. This lower performance is closely related to its baseband operation, resulting in filter saturation and distortion, both caused by DC offsets, I/Q mismatch, even order distortion, flicker noise and LO leakage. XIV As a result of high degree of integration and more and more usage of DSPs, this architecture recently became the topic of active research again, even to a much greater extent than before. There is considerable interest to use it in cellular phones, DECT terminals, WCDMA receivers, paging receivers, VSAT and MSAT applications and digital STBs. Specially, for the digital QPSK STBs where the cost and the size are the major factors, direct conversion architecture became very attractive and most STB producers started to replace the conventional tuners with the zero-IF ones. This study, covers direct conversion architecture, key problems in the implementations and the solutions to these problems and also the applications where direct conversion is implemented. Other than zero-IF architecture itself, heterodyne and image-reject architectures are also covered in this study to indicate the differences among these architectures and also the advantages of zero-IF architecture.