De waarheid ligt tussen analoog en digitaal

Reading time: 3 minutes

Author:

Rudy Lauwereins is vicepresident Nomadic Embedded Systems bij Imec.

Analoog of digitaal? Voor sommige ingenieurs is de keuze even pertinent als die tussen geloof en atheïsme. In een wereld waar draagbare toestellen steeds hogere prestaties leveren aan steeds lagere prijs, zweert de ene bij digitale radio‘s terwijl de andere geavanceerde analoge technologie predikt. Maar zoals vaak ligt de waarheid ergens in het midden. ’Analoog of digitaal?‘ is niet de vraag die we ons moeten stellen.

In theorie converteert een digitale radio de signalen net na de ontvangst door de antenne van analoog naar digitaal (ADC). In praktijk zou dit veronderstellen dat een ADC het inkomende signaal met ruwweg 12 GHz moet bemonsteren, wat verre van evident is. Bovendien zou zo‘n component een enorm dynamisch bereik moeten bezitten om de amplitudeverschillen te kunnen verwerken tussen een groot en een zwak signaal. Moest er al iemand in slagen om die ADC te ontwerpen, dan zou die ongetwijfeld gigantisch veel plaats innemen en onaanvaardbaar veel vermogen verbruiken.

Groot was mijn verbazing toen Texas Instruments van de daken riep dat het een digitale radio had ingebouwd in de nieuwste mobiele telefoons. Een schrikbeeld van Imecs analoge ontwerpers die plots werkloos zouden worden, spookte meteen door mijn hoofd. Maar een blik onder de TI-motorkap stelde me snel gerust. De oplossing van de Amerikaanse chipbouwer bevat niet meer (of niet minder) dan wat zowat iedereen beoogt: het nastreven van de meest schaalbare technologie.

En dat brengt me bij de vraag die ingenieurs zich wel moeten stellen: ’Hoe maak ik mijn radiofront-end zodanig dat het meeschaalt met de digitale basisband volgens de wet van Moore?‘ Heeft het zin om de ADC op te schuiven in de richting van de antenne? Ja, als je daardoor een systeem kunt maken dat minder plaats inneemt. Nee, als de ADC daardoor meer oppervlakte (en vermogen) verbruikt. Het is geen toeval dat we bij Imec tot op heden deze optie niet hebben toegepast in onze prototype radiochips. Simpelweg omdat het antwoord op de vraag telkens nee was. Pas nu we een nieuwe techniek voor ADC‘s hebben ontworpen die beduidend minder verbruikt dan de klassieke werkwijzen, kunnen we eraan denken om de AD-omzetting dichter bij de antenne te zetten. Ook in de TI-oplossingen zit de ADC trouwens op de traditionele plaats.

Een tweede aanpak in de discussie rond digitale radio‘s is het herbekijken van de componenten zelf. Waar de ’oeroude‘ technologie van switched capacitors vroeger enkel bij lage frequenties werkte, haalt hij nu vlot RF. Meteen de aanleiding voor een heropleving in bijvoorbeeld filtertechnologie. Een aantal filters in de TI-technologie gebruiken dit soort discrete-tijdsystemen. Ook de nieuwe ADC-technologie van Imec is gebaseerd op een vergelijkbaar principe van geschakelde capaciteiten.

Ook hier laait de discussie echter op: systemen die op discrete tijdstippen bemonsteren dankzij (actieve) schakelaars zijn in principe digitaal. Ze werken wel met continue amplitudes en bevatten een boel passieve componenten. Zijn ze dan analoog? Vooral geheide marketeers wrijven in hun handen bij dit soort paradoxale vragen. Wie zei er dat technologie saai is?

Dat de waarheid ergens tussen analoog en digitaal ligt, komt misschien nog best tot uiting in een derde manier om de front-end mee te laten schalen. Bij Imec noemen we het C3: calibration, compensation en control. Analoge componenten hebben de onhandige gewoonte om niet-lineaire vervormingen te veroorzaken in het verwerkte signaal. Een groot probleem bij coderen en decoderen, omdat niet-lineaire bewerkingen daarbij geen optie zijn. Maar omdat alles nu eenmaal steeds kleiner wordt en het probleem toeneemt in geschaalde technologieën, zit er niets anders op dan met die niet-lineariteit te leren leven.

Een optie is om de componenten at runtime te kalibreren. Door een gekend uitgangssignaal terug te koppelen naar de ingang is het mogelijk om de vervorming in het analoge circuit te berekenen. Vervolgens kun je hiervoor compenseren door het signaal te vervormen in de omgekeerde richting. Om die vervorming minimaal te houden, kun je in geavanceerde systemen controle uitoefenen op de eigenschappen van de analoge componenten zelf. Op papier lijkt dit allemaal vanzelfsprekend, maar in de praktijk is het verre van eenvoudig. Het is slechts dankzij de toegenomen capaciteit van digitale schakelingen dat we dergelijke complexe berekeningen ook in draagbare toestellen kunnen uitvoeren.

Kort samengevat, zijn het dus de capaciteit en mogelijkheden van de digitale circuits die bepalen hoever je de oppervlakte van je analoge componenten kunt terugschroeven. In die optiek zal een digitale radio dus nog niet voor morgen zijn, tenzij natuurlijk als marketingslogan.