Hoe softwaregedefinieerde radio's omgaan met ultrabrede frequentieafstemming

Een softwaregedefinieerde radio (SDR) gebruikt een computerprocessor voor algemene doeleinden om aspecten van digitale signaalverwerking uit te voeren in plaats van analoge circuithardware. Dit zorgt voor meer flexibiliteit in toepassing, verwerkingsvermogen en dynamisch bereik, vaak tegen lagere kosten in vergelijking met speciale circuits. In vergelijking met een volledig analoge radio vervangt een SDR sommige analoge circuits door equivalente software-implementaties, hoewel sommige analoge componenten vereist zijn.

Het belangrijkste voorbeeld van analoge componenten die nodig zijn voor elke SDR is het zend- of ontvangstversterkercircuit dat een interface heeft met de radiofrequentie-antenne. Een belangrijk onderdeel van elk radiosysteem is een mixer die tot doel heeft de frequentie van een signaal naar boven of naar beneden te verschuiven - een proces dat heterodyning wordt genoemd. SDR's gebruiken digitale mixers die signalen weergeven met behulp van complexe getallen, waardoor ze een aanzienlijk voordeel hebben ten opzichte van hun analoge equivalenten:ze kunnen frequentieverschuiving van een signaal naar DC uitvoeren, terwijl een analoge mixer alleen een signaal naar een lagere frequentie kan verschuiven.

Doorgaans hebben SDR's hogere bandbreedtes rond hun middenfrequentie, waardoor een groter deel van het radiospectrum kan worden bewaakt en over een breder bereik kan worden afgestemd zonder opnieuw af te stemmen. Anders gezegd, dit betekent dat SDR's vaak in staat zijn om hoge onmiddellijke bandbreedtes te bieden over een breed afstembereik van DC tot meer dan 18 GHz. Door de combinatie van deze twee hoogwaardige radioattributen kan de radio- en signaalverwerkingshardware die nodig is om frequentieafstemming te ondersteunen, variëren.

Het is belangrijk op te merken dat, afhankelijk van het ontwerp en het frequentiebereik, frequentiemenging en afstemming op elk punt in de signaalketen kan worden geïmplementeerd, ook in digitaal of analoog. Dit artikel bespreekt de specifieke mechanismen die beschikbaar zijn voor het afstemmen van verschillende frequenties, waaronder directe bemonstering, in phase quadrature (IQ) mixing en super heterodyne mixing.

Wat is frequentiemechanica?

In dit document wordt de term frequentiemechanica gebruikt om te verwijzen naar het proces waarbij een hoogfrequent signaal in frequentie wordt verlaagd naar een bereik dat geschikt is voor bemonstering door een analoog-naar-digitaalomzetter (ADC), evenals de daaropvolgende frequentievertalingen die mogelijk optreden zodra het signaal is gedigitaliseerd. Er moet een specifiek radiopad worden geselecteerd op basis van de frequentie van het signaal - verschillende radiopaden zijn geoptimaliseerd voor verschillende frequentiebereiken. Binnen elke radioketen kan de frequentie worden gemengd door analoge converters, waardoor de frequentie effectief omhoog of omlaag wordt geschoven.

Evenzo kan een digitaal signaal ook worden verschoven, hetzij binnen de omzetter, hetzij binnen de FPGA. Afhankelijk van het geselecteerde frequentiebereik worden verschillende methoden van bemonstering en conversie gebruikt. In het kort bespreekt dit artikel de specifieke afstemmingsmechanica, samen met de relevante frequentiemechanica voor elke bedrijfsmodus.

MethodeAnaloge tuning componentenFrequentie tuning locatieDirecte samplingGeenSoftwareIQMixerHardware gevolgd door softwareSuper-heterodyneIF downconverter, mogelijk tweede mixerHardware

Directe bemonstering

Directe bemonstering verwijst naar het bemonsteren (of verzenden) van signalen rechtstreeks van de antenne met minimale of geen analoge componenten ertussen. Met andere woorden, een deel van het radiofrequentiesignaal (RF) wordt gesampled, gedigitaliseerd en doorgegeven aan software voor verwerking. Hoewel eenvoudig, zijn beperkingen van deze methode onder meer ruis en de beschikbaarheid van snelle bemonsteringshardware en klokken. Omdat een grote spreiding van het RF-spectrum wordt gesampled, zijn multibandtoepassingen mogelijk zonder opnieuw af te stemmen.

De mogelijkheid om op verschillende frequenties af te stemmen, hangt af van de bemonsteringsfrequentie van de ADC of digitaal-naar-analoog-converter (DAC) tijdens het zenden. In de handel verkrijgbare converter-apparaten kunnen tot 3GSPS (giga-samples per seconde) samplen, waardoor een grote hoeveelheid gegevens in korte tijd kan worden gedigitaliseerd. Met deze bemonsteringsfrequenties kunnen gegevens worden bemonsterd over meerdere frequentiebanden, waaronder veel commerciële cellulaire frequentiebanden.

SDR's worden vaak gebruikt als zendontvangers - apparaten die zowel kunnen zenden als ontvangen - en de directe bemonsteringsketen is een van de vele mogelijke ketens op breedband-SDR's. De directe bemonsteringsketen wordt automatisch gekozen wanneer frequenties worden gebruikt die lager zijn dan die welke worden ondersteund door de analoge down-converter.

Basisbandtransmissie

De externe antenne wordt via schakelaars en versterkers op de SDR aangesloten, let er echter op dat er geen analoge componenten voor frequentieomzetting worden gebruikt. Alle resampling en frequentieconversie wordt geïmplementeerd in software en de analoge circuits worden uitsluitend gebruikt voor signaalconditionering - filtering - en versterking.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 1:Directe bemonstering verwijst naar de overdracht van signalen rechtstreeks vanaf de antenne met minimale of geen analoge componenten ertussen. Bron:Per Vices

Wanneer de SDR als zender wordt gebruikt, worden gegevens gegenereerd door de gebruikerstoepassing en als monsters door de FPGA ontvangen. De qSFP+ poorten sturen de gedigitaliseerde data via een seriële link naar de FPGA, waar resampling en frequentiemixing plaatsvinden in het digitale domein. Vervolgens gaat het door de op FPGA gebaseerde interpolatieroutine, gevolgd door op FPGA gebaseerde digitale opwaartse conversie - met behulp van de numeriek bestuurde oscillator (NCO). Elke door de gebruiker toegepaste frequentieverschuiving vindt plaats na interpolatie, voordat de gegevens naar de DAC worden verzonden, zoals weergegeven in afbeelding 1. De in frequentie verschoven digitale gegevens worden vervolgens door de DAC omgezet in een analoog signaal, dat beeldfrequenties genereert als onderdeel van het conversieproces . Het nu analoge signaal gaat door anti-beeldvormingsfilters, door de front-end versterkers van de radio en vervolgens naar de radioantenne.

Mechanica van basisbandtransmissie

Terwijl de samples door de verschillende componenten in de SDR bewegen, veranderen de frequenties en bandbreedtes. Nu we een goed begrip hebben van onze schakelingen, gaan we kijken wat er bij elk van deze stappen met het signaal gebeurt.

Voorbeelden genereren

De onderste helft van figuur 1 toont drie golfvormen die we mogelijk willen verzenden. Voordat de monsters worden gegenereerd, definieert de gebruiker een monstersnelheid (aangeduid met A). De sample rate dient om de gebruikersbandbreedte te specificeren; een interval [-A/2, A/2] dat is gecentreerd rond 0 Hz. Aangezien deze golfvormen in een later stadium worden gecompenseerd door de NCO-frequentie, kunnen de initiële sinusgolven in sommige gevallen een negatieve frequentie hebben, zoals het zwarte signaal in het diagram. Eenmaal gegenereerd, worden de monsters via een seriële link naar de SDR gestuurd voor verdere verwerking. Het is belangrijk op te merken dat niet alle samples in de gebruikersbandbreedte worden verzonden - dit zal later duidelijk worden (zie het gele signaal in het bovenstaande diagram).

Interpolatie

Na het genereren van gebruikerssamples, is de volgende stap het uitvoeren van interpolatie om een ​​grotere bandbreedte te verkrijgen. Deze nieuwe bandbreedte specificeert een groter interval - ook gecentreerd rond 0 Hz - dat wordt bepaald door de samplefrequentie van het apparaat (325 MSPS voor Crimson TNG, 1 GSPS voor cyaan). De gebruikersbandbreedte is altijd kleiner dan de conversiebandbreedte. Het interpoleren van de samples naar een grotere bandbreedte is cruciaal voor de volgende fase waarin de digitale up-conversie plaatsvindt.

Up-conversie

Na interpolatie van het signaal naar de conversiebandbreedte van het apparaat, kan de FPGA doorgaan met het upconverteren van de samples. Bedenk dat opwaartse conversie eenvoudig alle frequenties met een vast bedrag omhoog schuift - de frequentie van de onderofficier. Zowel Crimson TNG als Cyan hebben CORDIC digitale mixers die zowel up- als down-conversie (DUC, DDC) kunnen uitvoeren. Up-conversie wordt bereikt door de gebruikerssamples te mengen met een lokale oscillator in de FPGA (ingesteld op NCO-frequentie). Hierdoor neemt de frequentie van al onze signalen toe. Het gebruik van de grotere conversiebandbreedte die we hebben verkregen door interpolatie, zorgt ervoor dat we meer van onze mengproducten kunnen vastleggen.

In sommige gevallen (zie het signaal in geel) resulteert het mengen van ons gegenereerde signaal met de NCO-frequentie in een frequentie die niet binnen de gebruikersbandbreedte ligt. Hier heeft het mengproduct nog steeds een afbeelding die is gedraaid om binnen onze opnamebandbreedte te passen (zie de gele stippellijn). Voor basisbandsignalen worden negatieve frequentiecomponenten weggegooid en daarom is dit beeld niet relevant en wordt het genegeerd.

De DAC zet de signalen vervolgens om naar hun analoge vorm. Ondanks hoe goed moderne DAC's presteren, zullen Nyquist-afbeeldingen van de originele signalen bestaan; bij elk veelvoud van onze conversiebandbreedte zien we waarschijnlijk beelden van het signaal met hun corresponderende offsets. Anti-imaging-filters worden gebruikt om de afbeeldingen te onderdrukken die normaal gesproken zouden verschijnen in hogere Nyquist-zones - veelvouden van de conversiebandbreedte. Het uiteindelijke analoge signaal kan nu via de antenne worden verzonden.

Direct IQ

Directe IQ of in-fase kwadratuurbemonstering is een variant van directe bemonstering waarbij een ontvangen RF-signaal wordt gesplitst in twee componenten, gescheiden door 90 graden in fase. Er worden twee ADC-kanalen (of DAC-kanalen voor verzending) gebruikt om deze in fase verschoven signalen te samplen. Het proces voor directe IQ-ontvangst wordt hieronder beschreven.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Afbeelding 2:Direct IQ-ontvanger, een variant van directe bemonstering, gebruikt twee kanalen om in fase verschoven signalen te bemonsteren. Bron:Per Vices

De eerste sectie aan de linkerkant van figuur 2 toont drie zuivere sinusgolven en hun afbeeldingen zoals ze worden opgepikt door de antenne. Een variabele verzwakker dempt frequenties buiten de van belang zijnde band. De volgende fase - de IQ-modulator - combineert de I- en Q-componenten om het RF-signaal te vormen. Dit proces verschuift alle frequenties naar beneden met een hoeveelheid die wordt bepaald door de lokale oscillator (LO). Merk op dat dit een analoog proces is.

Een analoog anti-aliasingfilter is bedoeld om het binnenkomende signaal te beperken tot alleen die signalen die in het domein van de converter vallen. Dit is belangrijk omdat de ADC een eindig frequentiebereik heeft dat wordt beperkt door de bemonsteringsfrequentie. De bandbreedte van de converter specificeert een groot interval rond 0 Hz dat wordt gedefinieerd door de samplefrequentie van het apparaat (325 MSPS voor Crimson TNG, 1 GSPS voor cyaan). De ADC zet de binnenkomende signalen om in een digitale vorm.

Op dit punt is de geconverteerde bandbreedte groot voor digitale verwerking. Ter voorbereiding op decimering worden de monsters digitaal naar beneden geconverteerd. Dit verlaagt de frequentie van alle signalen met de NCO-frequentie die is ingesteld op de FPGA. De Crimson TNG en Cyan hebben CORDIC digitale mixers die zowel DUC als DDC aankunnen. Down-conversie wordt bereikt door de ontvangen samples te mixen met een lokale oscillator in de FPGA - ingesteld op wat de NCO-frequentie wordt genoemd. Merk op dat nadat dit heeft plaatsgevonden, sommige van de frequenties, zoals die in rood weergegeven, negatief kunnen zijn.

Voordat de monsters worden ontvangen, definieert de gebruiker een monstersnelheid (aangeduid met B). De samplefrequentie specificeert op zijn beurt de gebruikersbandbreedte, een interval [-B/2, B/2] dat gecentreerd is rond 0 Hz. Decimatie zorgt ervoor dat alle binnenkomende signalen binnen de bandbreedte van de gebruiker vallen.

Super heterodyne

Een heterodyne ontvanger mengt het ontvangen RF-signaal (f1) met een referentiesignaal van een lokale oscillator (f2) om twee signalen te produceren met tussenliggende frequenties van (f1 ± f2). Een superheterodyne - afgekort tot super-het - de middenfrequentie (IF) van de ontvanger is zo gekozen dat het gemakkelijker te verwerken is met analoge elektronica en dus boven de normale, voor mensen hoorbare frequenties ligt (vandaar het voorvoegsel van "super").

Super-het-ontvanger

Een super-het-ontvanger wordt getoond in figuur 3. Merk op dat voor de eenvoud alleen een ontvanger wordt getoond - het equivalente transmissiecircuit zal vergelijkbare componenten gebruiken met de signaalstroom omgekeerd. De bijbehorende analoge trappen worden automatisch gekozen wanneer de gebruiker een werkfrequentie in het super-het-bereik selecteert. Een super-het-ontvanger converteert eerst de ontvangen RF naar beneden met behulp van een analoge mixer. Dit wordt bereikt door een geschikt afzonderlijk circuit met het label "LOgen-bord" in figuur 3. Door op deze manier hoogfrequente analoge menging te gebruiken, worden zogenaamde beatfrequenties of veelvouden van de IF geproduceerd. Analoge filters zijn vereist voor digitalisering.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 3:De IF van de superheterodyne-ontvanger is zo gekozen dat deze gemakkelijker te verwerken is met analoge elektronica. Bron:Per Vices

Een tweede fase van neerwaartse conversie wordt geïmplementeerd met behulp van de IQ-modulator, gevolgd door anti-beeldvormingsfilters om conversieproducten te verwijderen die worden gegenereerd door het hoogfrequente mengproces. De IF is nu gedigitaliseerd en kan verder worden gemengd met behulp van digitale mixers voor decimering en uiteindelijk gebruik in software.

Inzicht in compromissen

Afhankelijk van de werkfrequentie selecteert een breedband SDR uit de beschikbare analoge circuits. Bij het werken met basisbandfrequenties of directe bemonstering is geen analoge menging mogelijk en wordt de frequentie beperkt door de kloksnelheid van het circuit. Bij het werken met hogere frequenties zijn analoge mengcircuits vereist en het aantal analoge mengtrappen is weer afhankelijk van de frequentie. Werken in het GHz-bereik vereist meestal een super-het analoge circuit en meestal twee analoge mengcircuits om de signaalfrequentie te verlagen tot het werkbereik van de digitale componenten, zoals ADC's of DAC's.

Het gebruik van een enkel apparaat voor breedbandafstemming vereist een goed begrip van de wisselwerkingen van verschillende methoden. Voorbeelden zijn onder meer signaalartefacten veroorzaakt door analoog mengen of de kosten van apparaten voor snelle conversie als analoog mengen niet gewenst is. Het is belangrijk om samen te werken met leveranciers die ervaring hebben met het ontwikkelen voor breedbandgebruik en die de mogelijkheid hebben om hun producten aan te passen aan de specifieke vereisten van een bepaald project. Het is het beste om een ​​leverancier te selecteren op basis van hun beschikbare producten, specificaties, ondersteunde applicaties en een discussie over hun mogelijkheden.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EDN .

---

Victor Wollesen is CEO van Per Vices Corporation. Eldrich Rebello is een elektrotechnisch ingenieur aan het Wind Energy Institute of Canada.

---

Verwante inhoud:

• Satellietnavigatie en Software Defined Radio
• Software-defined auto's:een efficiënt platform voor essentiële parallellisatie
• IoT-beveiliging – Softwaregedefinieerde perimeter en blockchain
• Open-source SDN-project krijgt Google-code
• Waarom DSP's ineens overal zijn

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.