Как программно определяемые радиостанции обрабатывают сверхширокую настройку частоты

Программно-определяемая радиосвязь (SDR) использует универсальный компьютерный процессор для выполнения аспектов обработки цифрового сигнала вместо аналогового оборудования. Это обеспечивает большую гибкость в применении, возможностях обработки и динамическом диапазоне, часто при меньших затратах по сравнению с выделенными схемами. По сравнению с полностью аналоговым радио, SDR заменяет некоторые аналоговые схемы эквивалентными программными реализациями, хотя потребуются некоторые аналоговые компоненты.

Основным примером аналоговых компонентов, необходимых для любого SDR, является схема усилителя передачи или приема, которая взаимодействует с радиочастотной антенной. Важной частью любой радиосистемы является микшер, предназначенный для сдвига частоты сигнала вверх или вниз по частоте - процесс, называемый гетеродинированием. В SDR используются цифровые микшеры, которые представляют сигналы с использованием комплексных чисел, что дает им значительное преимущество перед их аналоговыми эквивалентами - они могут выполнять сдвиг частоты сигнала вниз до постоянного тока, в то время как аналоговый микшер может только сдвигать сигнал на более низкую частоту.

Обычно SDR имеют более широкую полосу пропускания вокруг своей центральной частоты, что позволяет контролировать больший участок радиочастотного спектра и настраивать его в более широком диапазоне без необходимости перенастройки. Другими словами, это означает, что SDR часто могут предлагать высокую мгновенную полосу пропускания в широком диапазоне настройки от постоянного тока до более 18 ГГц. Из-за комбинации этих двух атрибутов высокопроизводительного радиооборудования радио и обработки сигналов, необходимых для поддержки настройки частоты, может различаться.

Важно отметить, что в зависимости от конструкции и частотного диапазона микширование и настройка частот могут быть реализованы в любой точке сигнальной цепи, в том числе в цифровой или аналоговой. В этой статье обсуждаются конкретные механизмы, доступные для настройки различных частот, включая прямую выборку, квадратурное (IQ) смешение и супергетеродинное смешение.

Что такое частотная механика?

В этом документе термин частотная механика используется для обозначения процесса, с помощью которого высокочастотный сигнал понижается по частоте до диапазона, подходящего для дискретизации аналого-цифровым преобразователем (АЦП), а также последующих преобразований частоты, которые могут возникают после оцифровки сигнала. Конкретный радиотракт должен быть выбран на основе частоты сигнала - разные радиотракты оптимизированы для разных частотных диапазонов. В каждой радиоканале частота может быть смешана аналоговыми преобразователями, эффективно сдвигая частоту вверх или вниз.

Точно так же цифровой сигнал может быть сдвинут либо внутри преобразователя, либо внутри FPGA. В зависимости от выбранного диапазона частот используются разные методы выборки и преобразования. Вкратце, в этой статье обсуждается конкретная механика настройки, а также соответствующая частотная механика для каждого режима работы.

Метод Аналоговые компоненты настройки Место настройки частоты Прямая выборка Нет Программное обеспечениеIQMixer Аппаратное обеспечение, за которым следует программное обеспечениеСупергетеродинный преобразователь с понижением частоты IF, возможно, второй микшер Аппаратное обеспечение

Прямая выборка

Прямая выборка относится к выборке (или отправке) сигналов непосредственно с антенны с минимальным количеством аналоговых компонентов между ними или без них. Другими словами, фрагмент радиочастотного (RF) сигнала дискретизируется, оцифровывается и передается в программное обеспечение для обработки. Несмотря на простоту, ограничения этого метода включают в себя шум и доступность высокоскоростного оборудования для дискретизации и тактовых импульсов. Поскольку дискретизируется большой разброс радиочастотного спектра, можно использовать многополосные приложения без перенастройки.

Возможность настройки на разные частоты зависит от частоты дискретизации АЦП или цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) при передаче. Имеющиеся в продаже преобразователи могут выполнять выборку до 3GSPS (гига выборок в секунду), что позволяет оцифровывать большой объем данных за короткий промежуток времени. Эти частоты дискретизации позволяют осуществлять выборку данных в нескольких диапазонах частот, включая многие диапазоны частот коммерческой сотовой связи.

SDR часто работают как приемопередатчики - устройства, способные как передавать, так и принимать - и прямая цепочка выборки является одной из нескольких возможных цепочек для широкополосных SDR. Цепочка прямой выборки выбирается автоматически при использовании частот ниже тех, которые поддерживаются аналоговым понижающим преобразователем.

Передача основной полосы частот

Внешняя антенна подключается к SDR через переключатели и усилители, однако учтите, что аналоговые компоненты для преобразования частоты не используются. Вся передискретизация и преобразование частоты реализованы программно, а аналоговая схема используется исключительно для преобразования сигнала - фильтрации - и усиления.

щелкните, чтобы увидеть полноразмерное изображение

Рис. 1. Прямая выборка означает передачу сигналов непосредственно от антенны с минимальным количеством аналоговых компонентов или их отсутствием. Источник:Per Vices

Когда SDR работает как передатчик, данные генерируются пользовательским приложением и принимаются FPGA в виде выборок. Порты qSFP + отправляют оцифрованные данные по последовательному каналу в FPGA, где в цифровой области происходит передискретизация и смешение частот. Затем он проходит через процедуру интерполяции на основе FPGA, за которой следует цифровое преобразование с повышением частоты на основе FPGA с использованием генератора с числовым программным управлением (NCO). Любой пользовательский сдвиг частоты происходит после интерполяции перед отправкой данных в ЦАП, как показано на рисунке 1. Цифровые данные с частотным сдвигом затем преобразуются ЦАП в аналоговый сигнал, который генерирует частоты изображения как часть процесса преобразования. . Теперь аналоговый сигнал проходит через фильтры, препятствующие формированию изображения, через входные усилители радио, а затем попадает на радиоантенну.

Механизм передачи основной полосы частот

По мере того, как образцы проходят через различные компоненты SDR, частоты и полосы пропускания изменяются. Теперь, когда у нас есть хорошее представление о нашей схеме, давайте посмотрим, что происходит с сигналом на каждом из этих этапов.

Создание образцов

В нижней половине рисунка 1 показаны три формы волны, которые мы, возможно, хотим передать. Перед созданием образцов пользователь определяет частоту дискретизации (помечена A). Частота дискретизации служит для указания полосы пропускания пользователя; интервал [-A / 2, A / 2] с центром около 0 Гц. Поскольку эти формы сигналов будут смещены на частоту NCO на более позднем этапе, начальные синусоидальные волны в некоторых случаях могут иметь отрицательную частоту - как черный сигнал на диаграмме. После создания образцы будут отправлены в SDR по последовательному каналу для дальнейшей обработки. Важно отметить, что не все образцы в полосе пропускания пользователя будут переданы - это станет ясно позже (см. Желтый сигнал на диаграмме выше).

Интерполяция

После генерации пользовательских выборок следующим шагом будет выполнение интерполяции для получения большей полосы пропускания. Эта новая полоса пропускания определяет больший интервал, также сосредоточенный вокруг 0 ​​Гц, который определяется частотой дискретизации устройства (325 MSPS для Crimson TNG, 1 GSPS для Cyan). Пропускная способность пользователя всегда меньше, чем пропускная способность преобразования. Интерполяция выборок для большей полосы пропускания имеет решающее значение на следующем этапе, когда происходит цифровое преобразование с повышением частоты.

Повышение конверсии

После интерполяции сигнала в полосу частот преобразования устройства FPGA может приступить к преобразованию выборок с повышением частоты. Вспомните, что преобразование с повышением частоты просто сдвигает все частоты вверх на фиксированную величину - частоту NCO. И Crimson TNG, и Cyan имеют цифровые микшеры CORDIC, которые могут выполнять как повышающее, так и понижающее преобразование (DUC, DDC). Преобразование с повышением частоты выполняется путем смешивания пользовательских выборок с гетеродином, находящимся в ПЛИС (установленным на частоту NCO). Это приводит к увеличению частоты всех наших сигналов. Использование большей полосы частот преобразования, которую мы получили в результате интерполяции, гарантирует, что мы сможем захватить больше наших продуктов микширования.

В некоторых случаях (см. Сигнал желтым цветом) смешивание сгенерированного нами сигнала с частотой NCO приводит к получению частоты, выходящей за пределы полосы пропускания пользователя. Здесь продукт микширования по-прежнему будет иметь изображение, повернутое в соответствии с полосой захвата (см. Пунктирную линию желтого цвета). Для сигналов основной полосы частот отрицательные частотные составляющие отбрасываются, и, следовательно, это изображение не имеет отношения к делу и игнорируется.

Затем ЦАП преобразует сигналы в их аналоговую форму. Несмотря на то, насколько хорошо работают современные ЦАП, изображения оригинальных сигналов по Найквисту будут существовать; при каждом кратном увеличении полосы пропускания преобразования мы, вероятно, увидим изображения сигнала с соответствующими смещениями. Фильтры, препятствующие формированию изображения, используются для подавления изображений, которые обычно появляются в более высоких зонах Найквиста - кратных полосе пропускания преобразования. Окончательный аналоговый сигнал теперь можно передавать через антенну.

Прямой IQ

Прямая IQ или синфазная квадратурная выборка - это вариант прямой выборки, при которой принятый радиочастотный сигнал разделяется на две составляющие, разделенные по фазе на 90 градусов. Два канала АЦП - или каналы ЦАП для передачи - используются для дискретизации этих сдвинутых по фазе сигналов. Процесс прямого приема IQ описан ниже.

щелкните, чтобы увидеть полноразмерное изображение

Рис. 2:Приемник Direct IQ, вариант прямой выборки, использует два канала для выборки сигналов со сдвигом по фазе. Источник:Per Vices

В первом разделе в левой части рисунка 2 показаны три чистые синусоидальные волны и их изображения, когда они улавливаются антенной. Регулируемый аттенюатор ослабляет частоты за пределами интересующей полосы. Следующий этап - модулятор IQ - объединяет компоненты I и Q для формирования радиочастотного сигнала. Этот процесс сдвигает все частоты вниз на величину, определяемую гетеродином (LO). Обратите внимание, что это аналоговый процесс.

Аналоговый фильтр сглаживания направлен на ограничение входящего сигнала только теми, которые попадают в область действия преобразователя. Это важно, потому что АЦП имеет конечный рабочий диапазон частот, который ограничен его частотой дискретизации. Полоса пропускания конвертера определяет большой интервал с центром около 0 Гц, который определяется частотой дискретизации устройства (325 MSPS для Crimson TNG, 1 GSPS для Cyan). АЦП преобразует входящие сигналы в цифровую форму.

На этом этапе преобразованная полоса пропускания велика для цифровой обработки. Для подготовки к прореживанию выборки преобразуются в цифровую форму с понижением частоты. Это уменьшает частоту всех сигналов на частоту NCO, установленную на FPGA. Crimson TNG и Cyan имеют цифровые микшеры CORDIC, способные работать как с DUC, так и с DDC. Преобразование с понижением частоты выполняется путем смешивания полученных отсчетов с гетеродином в ПЛИС, установленным на так называемую частоту NCO. Обратите внимание, что после этого некоторые частоты - например, показанная красным - могут быть отрицательными.

Перед получением образцов пользователь определяет частоту дискретизации (помечена буквой B). Частота дискретизации, в свою очередь, определяет полосу пропускания пользователя, интервал [-B / 2, B / 2] с центром около 0 Гц. Децимация гарантирует, что все входящие сигналы попадают в полосу пропускания пользователя.

Супергетеродин

Гетеродинный приемник смешивает принятый радиочастотный сигнал (f1) с опорным сигналом от гетеродина (f2) для получения двух сигналов на промежуточных частотах (f1 ± f2). Для супергетеродина (сокращенно до super-het) промежуточная частота (ПЧ) приемника выбрана так, чтобы ее было легче обрабатывать с помощью аналоговой электроники, и, следовательно, она выше обычных частот, слышимых человеком (отсюда и префикс «супер»).

Супер-приемник

Сверхвысокий приемник показан на рисунке 3. Обратите внимание, что для простоты показан только приемник - эквивалентная схема передачи будет использовать аналогичные компоненты с обратным потоком сигнала. Соответствующие аналоговые каскады выбираются автоматически, когда пользователь выбирает рабочую частоту в сверхвысоком диапазоне. Сверхвысокий приемник сначала преобразует полученную радиочастоту с понижением частоты с помощью аналогового микшера. Это достигается с помощью подходящей отдельной схемы, обозначенной как «плата LOgen» на рисунке 3. Использование высокочастотного аналогового микширования таким образом дает так называемые частоты биений или кратные ПЧ. Перед оцифровкой требуются аналоговые фильтры.

щелкните, чтобы увидеть полноразмерное изображение

Рис. 3. ПЧ супергетеродинного приемника выбрана так, чтобы ее было легче обрабатывать с помощью аналоговой электроники. Источник:Per Vices

Второй этап понижающего преобразования реализуется с использованием модулятора IQ, за которым следуют фильтры, препятствующие формированию изображения, для удаления продуктов преобразования, генерируемых процессом высокочастотного микширования. ПЧ теперь оцифрован и может быть дополнительно смешан с помощью цифровых микшеров перед децимацией и окончательным использованием в программном обеспечении.

Понимание компромиссов

В зависимости от рабочей частоты широкополосный SDR выбирает из имеющихся аналоговых схем. При работе с частотами основной полосы или прямой выборкой аналоговое микширование невозможно, а частота ограничивается тактовой частотой схемы. При работе с более высокими частотами требуются аналоговые схемы смесителя, и количество аналоговых ступеней смешения снова зависит от частоты. Для работы в диапазоне ГГц обычно требуется сверхвысокая аналоговая схема и, как правило, две аналоговые схемы смешения, чтобы снизить частоту сигнала до рабочего диапазона цифровых компонентов, таких как АЦП или ЦАП.

Использование одного устройства для широкополосной настройки требует понимания компромиссов различных методов. Примеры включают артефакты сигнала, вызванные аналоговым микшированием, или стоимость устройств высокоскоростного преобразования, если аналоговое микширование нежелательно. Важно работать с поставщиками, которые имеют опыт разработки для широкополосной работы и имеют возможность модифицировать свои продукты для удовлетворения конкретных требований, связанных с данным проектом. Лучше всего выбирать поставщика на основе имеющихся у них продуктов, спецификаций, поддерживаемых приложений и обсуждения их возможностей.

>> Эта статья изначально была опубликована на нашем дочернем сайте EDN .

---

Виктор Воллесен является генеральным директором Per Vices Corporation. Элдрич Ребелло - инженер-электрик Канадского института ветроэнергетики.

---

Связанное содержание:

• Спутниковая навигация и радио с программным управлением.
• Программно-определяемые автомобили:эффективная платформа для существенного распараллеливания.
• Безопасность Интернета вещей - программно определяемый периметр и блокчейн
• Проект SDN с открытым исходным кодом получает код Google
• Почему DSP внезапно стали повсюду

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.