Мастерство ультра-широкой частотной настройки с программно-определяемыми радио

Программно-определяемое радио (SDR) использует general-purpose CPU для выполнения цифровой обработки сигналов, которая традиционно обрабатывалась dedicated аналоговыми схемами. Результат — устройство, которое гораздо более гибко, предлагает более высокий динамический диапазон и часто стоит дешевле своих all-analog аналогов.

Пока SDR заменяют многие аналоговые блоки программными эквивалентами, им всё ещё нужны ключевые front-end компоненты, такие как усилители, интерфейсирующие с антенной. Микшер также необходим для сдвига частоты сигнала; SDR используют цифровые микшеры, обрабатывающие сигналы как комплексные числа, позволяя частотные сдвиги до DC — чего аналоговые микшеры не могут.

Поскольку SDR обычно поддерживают широкие мгновенные полосы вокруг своей центральной частоты, они могут мониторить и ретюниться через огромный спектр без частных аппаратных настроек. Эта возможность переводится в высокие мгновенные полосы, простирающиеся от DC до 18+ ГГц, в зависимости от дизайна.

Частотная настройка может происходить в любой точке сигнальной цепи — аналоговой, цифровой или гибридной. Эта статья исследует основные механизмы настройки: direct sampling, IQ (in-phase/quadrature) mixing и super-heterodyne mixing.

Что такое Frequency Mechanics?

В этом контексте frequency mechanics относится к процессу сдвига высокочастотного сигнала в диапазон, подходящий для сэмплирования ADC, и последующих частотных переводов, которые могут произойти после оцифровки сигнала. Конкретный радиопуть выбирается на основе частоты сигнала; разные пути оптимизированы для разных диапазонов. Внутри каждой цепи частота может микшироваться аналоговыми конвертерами (сдвиг вверх или вниз) или цифровыми средствами в FPGA.

Direct Sampling

Direct sampling захватывает RF сигнал прямо с антенны с минимальными или никакими промежуточными аналоговыми компонентами. Весь RF диапазон оцифровывается и передаётся в ПО для обработки. Пока простой, этот подход требует high-speed ADC и тактов, и ограничен сэмплирующей частотой.

Коммерческие ADC могут сэмплировать до 3 GSPS, позволяя захват множественных частотных бандов — включая многие коммерческие cellular бэнды — в одном проходе. На wideband SDR direct-sampling цепь автоматически выбирается когда рабочая частота падает ниже диапазона, поддерживаемого аналоговым down-converter.

Рисунок 1: Direct sampling передаёт сигналы прямо с антенны с минимальными аналоговыми компонентами. Источник: Per Vices

Baseband Transmission Mechanics

В режиме передачи, пользовательское приложение генерирует сэмплы, которые FPGA получает через qSFP+ порты. FPGA выполняет ресэмплирование и digital up-conversion используя numerically-controlled oscillator (NCO). Цифрово сдвинутые сэмплы отправляются к DAC, который конвертирует их в аналоговый сигнал. Anti-image фильтры затем подавляют spurious images перед усилением и излучением через антенну.

Direct IQ

Direct IQ (in-phase/quadrature) сэмплирование — вариант direct sampling, который разделяет входящий RF сигнал на два фазово-сдвинутых компонента, сэмплируемых двумя ADC каналами. Аналоговый anti-aliasing фильтр ограничивает полосу до Nyquist зоны ADC. После оцифровки FPGA цифрово down-converts сигнал микшированием с NCO, за которым следует децимация до пользовательской полосы.

Рисунок 2: Direct IQ receiver использует два канала для сэмплирования фазово-сдвинутых сигналов. Источник: Per Vices

Super-Heterodyne

Super-heterodyne приёмник микширует входящий RF сигнал с локальным осциллятором для производства промежуточных частот (IF), которые легче обрабатывать аналоговой электроникой. Типично IF выбирается выше audible диапазона для снижения image interference. Аналоговый микшер, за которым следует LO generation board, создаёт IF. IF затем оцифровывается и может быть дальше обработан цифрово.

Рисунок 3: IF super-heterodyne приёмника выбирается для упрощения аналоговой обработки. Источник: Per Vices

Понимание компромиссов

При выборе метода настройки учитывайте рабочую частоту и требуемую полосу. Baseband или direct-sampling режимы избегают аналоговых микшеров но ограничены тактовой частотой ADC. Более высокие частоты обычно требуют одну или более аналоговых стадий микширования, таких как super-heterodyne front-end, для приведения сигнала в диапазон ADC. Каждый подход вводит компромиссы: аналоговые микшеры могут генерировать image артефакты; high-speed ADC повышают стоимость и потребление.

Выбор вендора с доказанным опытом в wideband SDR дизайне критичен. Оцените их продуктовые спецификации, поддерживаемые приложения и способность кастомизировать железо для специфических частотных и полосных потребностей вашего проекта.

>> Эта статья изначально публиковалась на нашем сайте-партнёре, EDN.

---

Виктор Вольлесен — CEO Per Vices Corporation. Элдрич Ребелло — электроинженер в Wind Energy Institute of Canada.

---

Связанный контент:

• Спутниковая навигация и Software Defined Radio
• Software-defined automobiles: эффективная платформа для essential parallelization
• IoT Security – Software-defined perimeter и blockchain
• Open-source SDN проект получает Google код
• Почему DSPs вдруг везде

Для получения большего контента по Embedded подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded.