电信、数据通信、无线、物联网


SDR收发机在跳频方面有很大的进步

2021年10月27日电信、数据通信、无线、物联网

与传统的无线电通信不同,跳频(FH)定义了一种通过快速改变载波频率发射无线电信号的方法,最早由尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)在他的1903年美国专利“信号方法”中提到。后来,在1942年,女演员海蒂·拉玛(Hedy Lamarr)和作曲家乔治·安西尔(George Antheil)进一步巩固了这个概念,他们使用钢琴卷在88个频率之间切换,以防止鱼雷无线电控制受到干扰。

与传统的无线电通信不同,跳频(FH)定义了一种通过快速改变载波频率发射无线电信号的方法,最早由尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)在他的1903年美国专利“信号方法”中提到。后来,在1942年,女演员海蒂·拉玛(Hedy Lamarr)和作曲家乔治·安西尔(George Antheil)进一步巩固了这个概念,他们使用钢琴卷在88个频率之间切换,以防止鱼雷无线电控制受到干扰。

在过去的一百年中,从第一次世界大战中固定指挥点之间的非实时、低速通信,到飞机、船舶和陆基系统之间的实时、高速多媒体通信,跳频已经进入了军事应用的新时代。除此之外,FH已被广泛应用于许多无线个人通信网络,如蓝牙个人区域网(PAN),以及消费者和业余无线电领域,如对讲机、模型车和无人机。

什么是跳频?

FH的高级概念如图1所示。整个频带和持续时间被划分为二维网格。在任何给定的时隙,使用不同的频率子带进行通信。这带来了对窄带干扰的高抵抗力以及对抗恶意拦截和干扰的强大能力,因为跳跃模式的随机性等效地增加了另一层仅在发射机和接收机之间可解码的安全性。

另外,由于最小的相互干扰,FH信号可以容易地与其他传统通信共享带宽,导致高频谱效率。随着跳跃速率和更大的频率子带,FH的优点变得更加突出,这使其成为许多不同应用的吸引力解决方案。

下一代特别提款权收发机

ADRV9002是一款双窄带和宽带软件定义无线电(SDR)收发器,提供最先进的射频性能以及先进的系统功能,如数字预失真(DPD)和跳频。它的工作频率为30 MHz至6 GHz,覆盖超高频(UHF)频带;甚高频频带;工业、科学和医疗(ISM)波段;窄带(千赫)和宽带操作的蜂窝频段可达40兆赫。

图2描述了ADRV9002的高级框图。它包括双发送和接收通道以及一套先进的数字信号处理算法。红色虚线框内的锁相环(PLL)结构是独特的,因为与许多其他收发器一样,没有一个专用PLL用于接收数据路径,一个专用PLL用于发送数据路径,而是在设备中使用两个RF PLL,并且两者都可以可选地为任何接收机或发射机或两者都提供源,或者两者都不提供源。

这种灵活性对于在各种TDD应用中支持跳频至关重要,例如单通道和双通道操作,包括仅发射模式(1T/2T)、仅接收模式(1R/2R)和发送和接收模式(1T1R/2T2R)。双通道操作同时支持信道分集和信道复用。此外,两个锁相环可以在乒乓模式下操作,以满足跳频时间的严格要求。

具有两个PLL多路复用和快速PLL重新调谐的极快跳频

通过在切换到不同的频率之前通过重新定位来实现FH。

ADRV9002根据锁相环的使用情况提供不同的跳频模式。图1中的每个时隙代表一个跳帧,跳帧分为一个过渡时间段和一个停留时间段,如图3所示。

在频率变化之间具有足够长的转换时间(大于信道设置时间和所需的PLL调谐时间)的较慢的FH模式中,在TDD操作中仅需要一个PLL并接收通道(PLL RETUNE模式)。

为了实现更快的跳频和更短的过渡时间(比通道设置时间和所需的PLL调谐时间更短),设备中使用了两个PLL(PLL mux模式)。两个PLL以乒乓方式相互协调:当一个PLL用于当前频率时,另一个PLL重新调谐到下一个频率。这使得快速跳频成为可能,并可显著减少不同频率变化之间所需的过渡时间。表1总结了这两种模式。如图所示,这两种模式的选择取决于用户定义的过渡时间。

图4进一步描述了锁相环多路复用模式的概念。如前所述,每个时隙代表一个跳帧,它由一个过渡时间段和一个停留时间段组成。当一个锁相环在停留时间内使用时,另一个锁相环从同一跳帧的过渡时间开始进行调谐。它可以继续调优,直到下一跳帧的过渡期结束。因此,只要所需的锁相环调谐时间小于一个停留时间加上两个过渡时间的总和,锁相环多路复用模式就是成功的。

使用PLL MUX模式对于LINK 16等军事应用至关重要。链路16被认为是北大西洋条约组织(NATO)作为抗干扰,高速数字数据链路所使用的最重要的战术数据链路标准之一在960 MHz的射频带中操作至1,215 GHz。


表2。使用快速PLL重新调谐模式的PLL重新调谐时间

通过正确校准整个跳频范围的初始化时间,ADRV9002采用快速锁相环返回模式,以满足严格的时间要求。PLL返回时间取决于ADRV9002 PLL参考时钟速率。表2显示了基于不同锁相环参考时钟速率的快速锁相环复位时间。在300mhz的锁相环参考时钟速率下,快速的锁相环返回时间大约为15µs。当链路16的跳帧长度为13µs时,使用PLL多路复用模式时,当过渡时间大于2µs时,PLL返回时间的15µs可以满足时序要求,如表1所示。

链路16消息数据可以作为单脉冲或双脉冲发送,具体取决于封装结构。单脉冲结构由总持续时间为13µs的6,4µs开启时间和6,6µs关闭时间组成。双脉冲结构由两个单脉冲组成,它们携带相同的数据,但使用不同的载波频率,如图5所示。因此,过渡时间可能为6,6µs长(>2µs),这使得链路16 FH在ADRV9002上可行。

图6显示了ADRV9002发送输出(功率与时间和频率与时间)与Link 16类型跳帧(仅发送跳频用于简单)。

注意,为了显示ADRV9002可实现的最小转换时间,实验不遵循图5中的标准链路16脉冲结构。

接通时间从6,4µs增加到11µs,断开时间从6,6µs减少到2µs。泰克RSA306B频谱分析仪连接至ADRV9002评估板上的发射输出端口,用于观察。上图显示了功率与时间的关系。可以看出,发射跳变每13µs发生一次,连续发射跳变帧之间的过渡时间约为3µs。下图显示了频率与时间的关系。

在这个实验中,传输载波频率以1 MHz的步长通过四个不同的频率循环。正如预期的那样,较低的图证明了传输输出也在1 MHz步长内循环4个不同的频率,在整个停留时间内具有良好的频率精度。

使用更先进的测试设备,如Keysight Technologies的E5052B和Rohde & Schwarz FSWP,进一步测量以研究Link 16跳频的频率精度。在表3所示的示例测量中,发送载波频率在400 MHz、400、1 MHz、400、2 MHz和400、3 MHz跳变。传输输入被构造为为所有跳帧产生400mhz输出。

测量时间设为100µs,包含7个完整跳帧。频率以每128 ns的时间间隔测量。可以观察到锁相环在停留时间开始时是完全锁定的。停留时间内的频率误差取决于相位噪声性能。

表3显示了这七个连续跳帧的平均值,最大和最小频率偏移(输出频率与400 MHz之间的绝对差)。在大多数帧中,平均频率误差小于1 ppm。结果也发现该结果可重复于几十次测量。请注意,测量值可能因设备和测试配置而异。

ADRV9002为用户提供微调PLL环路滤波器带宽的能力。当PLL环路滤波器带宽配置为1200 kHz时,可实现表3所示的性能。较大的PLL滤波器带宽提高了PLL的重新调谐时间,从而保证了在驻留时间开始之前PLL的完全锁定。在选择环路滤波器带宽时,用户还应评估其应用中所需的相位噪声性能。

静态和动态表格加载多达128个不同频率的条目

ADRV9002为所有FH的所有模式利用跳台概念。跳板表包含每个跳帧的频率列表和其他操作参数。跃点表可以是静态的,这意味着它在初始化期间加载,不允许在飞行中更改。它也可以是动态的,这意味着它在执行跳跃时装载;在这种情况下,用户可以在飞行中更改表内容。采用类似的Ping-Pong的概念,使用户可以选择加载两个不同的表,每个表至少为64个条目。

当一个表用于当前跃点帧时,另一个表正在加载以准备下一个跃点帧。每个条目通知ADRV9002特定跃点帧的配置。可以通过自动增加索引(从第一个表的第一个条目开始到第二个表的最后一个条目,然后使用两个跃点表再次返回到第一个表的第一个条目,或使用一个跃点表连续循环)来索引跃点表或在数字GPIO指示的任何时间访问特定条目。

图7显示了跃点表A和B,每个表都有N个条目(1≤ N≤ 64). 表中的每个条目包括四个关键参数:跳频、中频(仅用于接收中频模式)、接收增益指数和发射衰减。在TDD操作中,用户必须通过使用专用信道设置信号(每个发射信道一个,每个接收信道一个)通知ADRV9002每个跃点帧启用哪个信道(发射或接收)。因此,尽管跃点表中的每个条目都包含接收和发送参数,但只使用相关参数。

在进一步讨论跳频中跳表操作之前,有必要了解ADRV9002与基带集成电路(BBIC)之间的高层通信。

如图8所示,BBIC充当跳频的主要基础操作,设置了跳频模式,通道设置信号(Rx1_ENBALE、Rx2_ENABLE Tx1_ENABLE和Tx2_ENABLE),啤酒花信号(HOP1和HOP2)和静态或动态跳表(跳频,接收频率,接收增益和传输衰减)。bic通过SPI接口或数字gpio接口与ADRV9002通信。ADRV9002作为FH的节点,接收来自BBIC的信号,并配置数据路径和LOs。

图9描述了一个动态表加载的例子,每个跳表(a和B)只有一个频率。这是一种极端的情况,允许用户在每帧动态中改变跳频。在这个例子中使用了锁相环多路复用模式。如图8所示,跳信号的上升边和下降边都定义了跳帧的时间边界,每个边界都包括前面提到的过渡时间和停留时间。信道设置信号上升沿定义了一帧延迟后的跳帧类型(这种延迟对于锁相环多路复用模式是必要的)。

请注意,通道设置信号可以代表传输设置信号或接收设置信号。图9显示了信号的简化版本。

因为TDD操作涉及发送和接收,所以用户需要分别配置发送建立信号并接收设置信号。

除了指示跳帧类型之外,信道设置信号还可用于触发由BBIC发起的跳表的加载。跳表加载应在信道设置信号下降沿之后的跳变信号边缘之前完成,然后PLL在同一跳变边缘处开始调谐到此频率,并为下一跳变边缘发出的下一跳变帧做好准备。表A和表B以乒乓模式运行,以便在加载完成后,FH在一个表的频率上运行,而另一个表的频率正在调谐。

图10显示了传输频率与时间输出,动态表加载,每个负载4个条目,每个负载8个条目。传输输入有四帧频率分别为0 kHz, -100 kHz, -200 kHz和-300 kHz,并通过连续循环帧馈送给ADRV9002。它也完全与跳帧对齐和同步,使0 kHz输入帧与3.1 GHz LO对齐。跳频时,当LO变为下一个频率时,发射输入频率也变为下一个频率。

表A和表B在执行FH时是动态加载的(为了简单和便于观察,表内容在加载过程中不会发生变化)。对于每负载4个输入,我们期望看到4个连续的3,1 GHz的传输输出帧,然后4个连续的3,1004 GHz的帧,同样的模式一次又一次地重复。对于每负载8个条目,我们期望看到4个连续的发送输出帧在1,1ghz, 4个连续的3,1004 GHz, 4个连续的3,1008 Hz和4个连续的3,1012 GHz,相同的模式不断重复。图10所示的传输输出证明了动态表加载按预期工作。

信道分集与使用双信道的信道复用

如图2所示,ADRV9002支持双发双收通道。跳频可以应用于两个信道,以实现信道分集或信道复用。

对于分集,通过使用相同的PLL(一个或两个)以及相同的跳表和TDD定时配置,两个信道同时跳变。可以启用ADRV9002提供的多芯片同步(MCS)功能,以确保相同或不同ADRV9002设备上的多个通道以确定的延迟彼此完全同步。相位同步也可以通过MCS实现,每次PLL重新调谐频率时都会执行MCS。

使用MCS,即使在FH期间,多个通道也可以实现同步性,使ADRV9002成为涉及FH的MIMO多样性应用的吸引力解决方案。对于通道复用,每对通道使用一个PLL并彼此独立地执行FH。一个限制是,对于一对发射和接收通道需要两个PLL的非常快的FH不能施加与一个ADRV9002设备的信道复用。

除了2T2R模式外,值得一提的是ADRV9002还支持FH的1T2R和2T1R操作,这提供了更大的灵活性,以满足用户的特定要求。

通过DPD操作支持FH

ADRV9002还支持窄带和宽带应用的DPD操作。在实现符合标准的相邻信道功率泄漏比(ACPR)性能的同时,修正了功率放大器的非线性,显著提高了功率放大器的效率。

ADRV9002的一个高级特性是DPD可以与跳频一起执行。ADRV9002最多可配置8个频段,DPD算法为每个频段创建最优解决方案。对于每个区域,DPD解作为一组系数也可以分别在传输的结束和开始存储和加载。这确保了整个跳频范围的PA线性。

由于DPD是一种自适应滤波过程,其必须定期捕获一组样本以便系数计算,因此跳跃帧长度需要足够长以满足DPD捕获长度要求。但是,在用户仅利用最初加载的DPD系数而无需DPD更新时,可以删除该限制。

ADRV9002跟踪校准通常不执行在快速跳频。然而,初始校准是根据用户的跳频配置基于多个频率区域进行的,以达到可能的最佳性能。

使用ADRV9002收发器评估软件(TES)进行跳频性能评估

FH性能可通过带有评估板的ADRV9002 TES进行全面评估–Xilinx ZC706和ZCU102 FPGA板均受TES支持。如图11所示,FH配置页面易于用于配置FH参数,包括FH操作模式、跳频表、GPIO设置、TDD定时、,TES内置FPGA同步功能,允许用户准确控制TDD定时,以便发送或接收帧可以与跳帧完全同步。TES中还提供了许多FH示例,供用户进一步探索。

结论

FH是下一代SDR收发器ADRV9002提供的高级系统功能之一。ADRV9002具有两个锁相环、多种跳频模式以及加载和索引跳频表的灵活性,使用户能够拥有强大的跳频功能来处理各种应用程序并满足高级系统要求。所有功能都可以通过ADRV9002 TES和软件开发工具包(SDK)进行全面评估。

有关更多信息,请联系Altron Arrow的Conrad Coetzee, +27 11 923 9600ccoetzee@arrow.altech.co.zawww.altronarrow.com


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