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【世說(shuō)設(shè)計(jì)】介紹一下，這是擁有顯著跳頻(FH)優(yōu)勢(shì)的下一代軟件定義無(wú)線電(SDR)收發(fā)器~

時(shí)間：2021-11-29 15:08:10
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[導(dǎo)讀]本文深入探討了跳頻(FH)的概念，以及如何通過(guò)靈活設(shè)計(jì)ADRV9002SDR收發(fā)器的鎖相環(huán)(PLL)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)四大跳頻特性。這些特性可為用戶(hù)提供強(qiáng)大的跳頻功能，讓他們能夠處理單通道和雙通道操作模式下的Link16和快速實(shí)時(shí)載波頻率負(fù)載等應(yīng)用。此外，跳頻與多芯片同步(MCS)和數(shù)字...



本文深入探討了跳頻(FH)的概念，以及如何通過(guò)靈活設(shè)計(jì) ADRV9002 SDR 收發(fā)器的鎖相環(huán)(PLL)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)四大跳頻特性。這些特性可為用戶(hù)提供強(qiáng)大的跳頻功能，讓他們能夠處理單通道和雙通道操作模式下的Link 16和快速實(shí)時(shí)載波頻率負(fù)載等應(yīng)用。此外，跳頻與多芯片同步(MCS)和數(shù)字預(yù)失真(DPD)技術(shù)的結(jié)合使ADRV9002 SDR收發(fā)器成為一種非常有吸引力的解決方案，可滿(mǎn)足當(dāng)今復(fù)雜通信系統(tǒng)中的更高要求。



與傳統(tǒng)的無(wú)線電通信不同，跳頻(FH)定義了一種通過(guò)快速改變載波頻率來(lái)發(fā)送無(wú)線電信號(hào)的方法，Nikola Tesla在1903年的美國(guó)專(zhuān)利"信號(hào)傳輸方法"中首次提到了這種方法。后來(lái)，在1942年，女演員Hedy Lamarr和作曲家George Antheil進(jìn)一步鞏固了這一概念，他們從鋼琴的按鍵數(shù)量得到啟發(fā)，在88個(gè)頻率之間切換，以防止魚(yú)雷的無(wú)線電控制受到干擾。一百多年來(lái)，從第一次世界大戰(zhàn)中固定指揮點(diǎn)之間的非實(shí)時(shí)、低速通信，到當(dāng)代飛機(jī)、艦船和陸地系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)、高速多媒體通信，跳頻在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用已進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。此外，跳頻已廣泛應(yīng)用于許多無(wú)線個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)，如藍(lán)牙®個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)，以及消費(fèi)電子和業(yè)余無(wú)線電領(lǐng)域，如對(duì)講機(jī)、汽車(chē)模型和無(wú)人機(jī)。



什么是跳頻？

跳頻的概念如圖1所示。如果將整個(gè)頻帶和持續(xù)時(shí)間劃分為二維網(wǎng)格，那么在任何給定的時(shí)隙，將會(huì)使用不同的頻率子帶進(jìn)行通信。跳頻模式的隨機(jī)性相當(dāng)于增加了另一個(gè)只能在發(fā)送器和接收器之間解碼的安全層，使其具有較高的抗窄帶干擾能力和較強(qiáng)的抗惡意攔截和封鎖的能力。此外，跳頻信號(hào)相互干擾小，可以和其他傳統(tǒng)通信共享帶寬，實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率。隨著跳頻速率加快且使用更多的子頻帶，跳頻的優(yōu)勢(shì)變得更加突出，成為對(duì)許多不同應(yīng)用有吸引力的解決方案。





圖1. 跳頻的概念。




下一代SDR收發(fā)器

ADRV9002是一款雙窄帶和寬帶SDR收發(fā)器，提供出色的RF性能和先進(jìn)的系統(tǒng)功能，例如DPD和跳頻。ADRV9002的工作頻率為30 MHz至6 GHz，覆蓋超高頻(UHF)頻帶；特高頻(VHF)頻帶；工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻帶和蜂窩頻段?？梢灾С终瓗?kHz)和不超過(guò)40 MHz的寬帶操作。圖2顯示了ADRV9002的簡(jiǎn)化示意框圖。其中包括發(fā)送和接收雙通道，以及一組高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理算法。許多其他收發(fā)器都是將一個(gè)PLL專(zhuān)用于接收數(shù)據(jù)路徑，另一個(gè)專(zhuān)用于發(fā)送數(shù)據(jù)路徑，而以紅色方框中顯示的ADRV9002 PLL結(jié)構(gòu)則比較獨(dú)特，它在器件中使用兩個(gè)RF PLL，并且可以選擇將兩個(gè)PLL提供給任何接收器或發(fā)送器使用，兩個(gè)一起用或一個(gè)都不用。這種靈活性是在各種TDD應(yīng)用中支持跳頻的關(guān)鍵，例如單通道和雙通道操作，包括僅發(fā)送模式(1T/2T)、僅接收模式(1R/2R)和發(fā)送/接收模式(1T1R/2T2R)。雙通道操作支持通道分集和通道多路復(fù)用。此外，可以在乒乓模式下使用兩個(gè)PLL，以滿(mǎn)足嚴(yán)格的跳頻時(shí)序要求。




圖2. 采用靈活的PLL設(shè)計(jì)的ADRV9002簡(jiǎn)化示意框圖。


ADRV9002的四大跳頻特性

通過(guò)兩個(gè)PLL多路復(fù)用和PLL快速重新調(diào)諧實(shí)現(xiàn)特快速跳頻


跳頻是通過(guò)在切換到不同頻率之前重新調(diào)諧PLL來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ADRV9002根據(jù)PLL的使用情況提供不同的跳頻模式。圖1中的每個(gè)時(shí)隙代表一個(gè)跳幀，可以分為一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間段和一個(gè)停留時(shí)間段，如圖3所示。





圖3. 跳幀結(jié)構(gòu)。




在較慢的跳頻模式下，如果頻率變化之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間足夠長(zhǎng)（比通道設(shè)置時(shí)間和所需的PLL調(diào)諧時(shí)間長(zhǎng)），則TDD操作中的一對(duì)發(fā)送和接收通道只需要一個(gè)PLL（稱(chēng)為一個(gè)PLL重新調(diào)諧模式）。為了實(shí)現(xiàn)更快的跳頻和更短的轉(zhuǎn)換時(shí)間（比通道設(shè)置時(shí)間和所需的PLL調(diào)諧時(shí)間短），在器件中則可以使用兩個(gè)鎖相環(huán)（稱(chēng)為兩個(gè)PLL多路復(fù)用模式）。兩個(gè)PLL以乒乓方式相互協(xié)調(diào)：當(dāng)一個(gè)PLL用于當(dāng)前頻率時(shí)，另一個(gè)PLL則重新調(diào)諧至下一個(gè)頻率。這樣就可以實(shí)現(xiàn)快速跳頻，從而大大縮短不同頻率變化之間所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間。表1總結(jié)了這兩種模式。




表1. ADRV9002跳頻模式（基于PLL的使用情況）



如表1所示，要選擇兩種模式中的哪一種，由用戶(hù)定義的轉(zhuǎn)換時(shí)間決定。



圖4進(jìn)一步解釋了PLL多路復(fù)用模式概念。如前所述，每個(gè)時(shí)隙代表一個(gè)跳幀，它由一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間段和一個(gè)停留時(shí)間段組成。當(dāng)一個(gè)PLL在停留時(shí)間內(nèi)使用時(shí)，另一個(gè)PLL從同一跳幀的轉(zhuǎn)換時(shí)間開(kāi)始時(shí)即開(kāi)始進(jìn)行調(diào)諧。它可以一直進(jìn)行調(diào)諧，直到下一個(gè)跳幀的轉(zhuǎn)換時(shí)間段結(jié)束為止。所以，只要所需的PLL調(diào)諧時(shí)間比一次停留時(shí)間和兩次轉(zhuǎn)換時(shí)間的總和短，PLL多路復(fù)用模式就是成功的。





圖4. 用于快速跳頻的PLL多路復(fù)用模式。




PLL多路復(fù)用模式下的跳頻對(duì)軍事應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，例如Link 16。Link 16被認(rèn)為是北大西洋公約組織(NATO)使用的最重要的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)之一，它使用960 MHz至1.215 GHz射頻頻段的抗干擾高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路。3通過(guò)在初始化時(shí)準(zhǔn)確校準(zhǔn)整個(gè)跳頻范圍，ADRV9002采用快速PLL重新調(diào)諧模式來(lái)滿(mǎn)足嚴(yán)格的時(shí)序要求。PLL重新調(diào)諧時(shí)間取決于ADRV9002 PLL參考時(shí)鐘速率。表2顯示在不同的PLL參考時(shí)鐘速率下所需的快速PLL重新調(diào)諧時(shí)間。PLL參考時(shí)鐘速率為300 MHz時(shí)，快速PLL重新調(diào)諧時(shí)間約為15 μs。Link 16的跳幀長(zhǎng)度為13 μs時(shí)，如果轉(zhuǎn)換時(shí)間大于2 μs，在使用PLL多路復(fù)用模式時(shí)使用15 μs的PLL重新調(diào)諧時(shí)間即可滿(mǎn)足時(shí)序要求，具體如表1所示。




表2. 使用快速PLL重新調(diào)諧模式時(shí)


的PLL重新調(diào)諧時(shí)間



正如論文"在存在窄帶干擾的情況下，通過(guò)緩慢、平坦的Nakagami 衰減通道傳輸?shù)腏TIDS/Link 16型波形的性能分析"中所述，Link 16消息數(shù)據(jù)可以作為單脈沖或雙脈沖發(fā)送，具體由打包結(jié)構(gòu)決定。單脈沖結(jié)構(gòu)包含6.4 μs開(kāi)啟時(shí)間和6.6 μs關(guān)閉時(shí)間，總持續(xù)時(shí)間為13 μs。雙脈沖結(jié)構(gòu)由兩個(gè)單脈沖組成，它們傳輸相同的數(shù)據(jù)，但使用不同的載波頻率，如圖5所示。所以，轉(zhuǎn)換時(shí)間大致為6.6 μs (>2 μs)，因此使用ADRV9002實(shí)現(xiàn)Link 16跳頻是完全可行的。




圖5. 標(biāo)準(zhǔn)的Link 16雙脈沖結(jié)構(gòu)。




圖6顯示ADRV9002發(fā)送輸出（功率與時(shí)間以及頻率與時(shí)間之間的關(guān)系），采用Link 16型跳幀（為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，僅使用發(fā)送跳頻）。注意，為了顯示ADRV9002可實(shí)現(xiàn)的最短轉(zhuǎn)換時(shí)間，實(shí)驗(yàn)未使用圖5中所示的標(biāo)準(zhǔn)Link 16脈沖結(jié)構(gòu)，而是開(kāi)啟時(shí)間從6.4 μs增加到11 μs，關(guān)閉時(shí)間從6.6 μs縮短到2 μs。將Tektronix RSA306B頻譜分析儀連接至ADRV9002評(píng)估板的發(fā)送輸出端口，以進(jìn)行觀察。上方的圖顯示功率與時(shí)間的關(guān)系。從圖中可以看出，每隔13 μs就會(huì)進(jìn)行發(fā)送跳頻，連續(xù)發(fā)送跳幀之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為3 μs。下方的圖顯示頻率與時(shí)間的關(guān)系。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，發(fā)送載波頻率以1 MHz的步長(zhǎng)在四個(gè)不同的頻率之間循環(huán)。正如預(yù)期的一樣，下方的圖證實(shí)了發(fā)送輸出也以1 MHz的步長(zhǎng)在四個(gè)不同的頻率之間循環(huán)，并且在整個(gè)停留時(shí)間段內(nèi)都具備出色的頻率精度。









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