Ultra-breed frequentie-afstemmen beheersen met Software-Defined Radios

Een software-defined radio (SDR) benut een general-purpose CPU om digitale signaalverwerking uit te voeren die traditioneel zou worden afgehandeld door toegewijde analoge circuits. Het resultaat is een apparaat dat veel flexibeler is, een hogere dynamische bereik biedt, en vaak minder kost dan zijn volledig-analoge tegenhangers.

Terwijl SDRs veel analoge blokken vervangen door software-equivalenten, hebben ze nog steeds cruciale front-end-componenten nodig zoals versterkers die interfacen met de antenne. Een mixer is ook essentieel om de signaalfrequentie te verschuiven; SDRs gebruiken digitale mixers die signalen behandelen als complexe getallen, wat frequentieverschuivingen helemaal naar DC toestaat – wat analoge mixers niet kunnen.

Omdat SDRs typisch brede instantane bandbreedtes rond hun centrumfrequentie ondersteunen, kunnen ze een vast spectrum monitoren en herafstemmen zonder frequente hardware-aanpassingen. Deze capaciteit vertaalt zich in hoge instantane bandbreedtes die spannen van DC tot meer dan 18 GHz, afhankelijk van het ontwerp.

Frequentie-afstemming kan op elk punt in de signaalketen plaatsvinden – analoog, digitaal, of hybride. Dit artikel onderzoekt de belangrijkste afstemmechanismen: direct sampling, IQ (in-fase/kwadratuur) mixing, en super-heterodyne mixing.

Wat Is Frequentie-mechanica?

In deze context verwijst frequentie-mechanica naar het proces van het verschuiven van een hoog-frequent signaal naar een bereik geschikt voor sampling door een ADC en de daaropvolgende frequentievertalingen die kunnen optreden zodra het signaal gedigitaliseerd is. Een specifiek radiopad wordt gekozen gebaseerd op de signaalfrequentie; verschillende paden zijn geoptimaliseerd voor verschillende bereiken. Binnen elke keten kan de frequentie gemengd worden door analoog converters (omhoog of omlaag verschuiven) of door digitale middelen in de FPGA.

Direct Sampling

Direct sampling vangt het RF-signaal rechtstreeks van de antenne met minimaal of geen intermediaire analoge componenten. Het gehele RF-band wordt gedigitaliseerd en doorgegeven aan software voor verwerking. Hoewel simpel, vereist deze benadering hoge-snelheid ADCs en klokken, en wordt beperkt door de sampling-snelheid.

Commerciële ADCs kunnen samplen tot 3 GSPS, wat het vastleggen van meerdere frequentiebanden – inclusief veel commerciële cellulaire banden – in een enkele pass toestaat. Op wideband SDRs wordt de direct-sampling-keten automatisch geselecteerd wanneer de werkende frequentie onder het bereik valt dat ondersteund wordt door de analoge down-converter.

Figuur 1: Direct sampling trasmiteert signalen direct van de antenne met minimale analoge componenten. Bron: Per Vices

Baseband Transmissie-mechanica

In een transmit-modus, genereert de gebruikersapplicatie samples die de FPGA ontvangt via de qSFP+-poorten. De FPGA voert resampling en digitale up-conversie uit met een numeriek-gecontroleerde oscillator (NCO). De digitaal-verschuivende samples worden naar een DAC gestuurd, die ze omzet in een analoog signaal. Anti-image filters onderdrukken dan spurieuze beelden voordat het signaal versterkt en gestraald wordt door de antenne.

Direct IQ

Direct IQ (in-fase/kwadratuur) sampling is een variant van direct sampling dat het inkomende RF-signaal splitst in twee gefase-verschuigde componenten, gesampled door twee ADC-kanalen. Een analoog anti-aliasing-filter beperkt de bandbreedte tot de ADC's Nyquist-zone. Na digitalisatie, down-converteert de FPGA digitaal het signaal door te mixen met een NCO, gevolgd door decimaties naar de door de gebruiker gedefinieerde bandbreedte.

Figuur 2: Direct IQ-ontvanger gebruikt twee kanalen om gefase-verschuigde signalen te samplen. Bron: Per Vices

Super-heterodyne

Een super-heterodyne-ontvanger mengt het inkomende RF-signaal met een lokale oscillator om tussentijdse frequenties (IF) te produceren die makkelijker te verwerken zijn met analoge elektronica. Typisch wordt de IF gekozen boven het hoorbare bereik om beeld-interferentie te reduceren. Een analoog mixer, gevolgd door een LO-generatie-board, creëert de IF. De IF wordt dan gedigitaliseerd en kan verder digitaal verwerkt worden.

Figuur 3: De super-heterodyne-ontvanger's IF is geselecteerd om analoge verwerking te vereenvoudigen. Bron: Per Vices

Trade-offs begrijpen

Bij het selecteren van een afstemmethode, overweeg de werkende frequentie en de vereiste bandbreedte. Baseband- of direct-sampling-modes vermijden analoog mixers maar zijn beperkt door de ADC's kloksnelheid. Hogere frequenties vereisen typisch een of meer analoge mixing-stages, zoals een super-heterodyne-front-end, om het signaal in de ADC's bereik te brengen. Elke benadering introduceert trade-offs: analoog mixers kunnen beeld-artefacten genereren; hoge-snelheid ADCs verhogen kosten en stroomverbruik.

Het kiezen van een leverancier met bewezen ervaring in wideband SDR-ontwerp is essentieel. Evalueer hun product-specificaties, ondersteunde applicaties, en de mogelijkheid om hardware te customiseren voor uw project's specifieke frequentie- en bandbreedtebehoeftes.

>> Dit artikel was oorspronkelijk gepubliceerd op onze zuster-site, EDN.

Gerelateerde inhoud:

• Satellietnavigatie en Software Defined Radio
• Software-gedefinieerde automobielen: Een efficiënt platform voor essentiële parallelle verwerking
• IoT-beveiliging – Software-gedefinieerde perimeter en blockchain
• Open-source SDN-project krijgt Google-code
• Waarom DSPs plotseling overal zijn

Voor meer Embedded, abonneer je op Embedded's wekelijkse e-mailnieuwsbrief.