下一代軟件定義無(wú)線電收發(fā)器在跳頻方面取得了巨大進(jìn)步

本文深入討論了跳頻（FH）的高級(jí)概念、通過ADRV9002 SDR收發(fā)器的靈活鎖相環(huán)（PLL）架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的跳頻設(shè)計(jì)原理及其四個(gè)主要跳頻特性。這些功能使用戶能夠使用跳頻功能來(lái)處理Link 16等應(yīng)用，并在單通道和雙通道操作模式下實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)載波頻率加載。此外，跳頻與多芯片同步（MCS）和數(shù)字預(yù)失真（DPD）的結(jié)合使這款SDR收發(fā)器成為滿足當(dāng)今復(fù)雜通信系統(tǒng)高級(jí)要求的有吸引力的解決方案。

介紹

與傳統(tǒng)無(wú)線電通信相比，跳頻（FH）定義了通過快速改變其載波頻率來(lái)傳輸無(wú)線電信號(hào)的方法。1尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）在他1903年的美國(guó)專利“信號(hào)方法”中首次提到。后來(lái)，在1942年，女演員海蒂·拉瑪（Hedy Lamarr）和作曲家喬治·安泰爾（George Antheil）通過使用鋼琴卷在88個(gè)頻率之間切換以防止干擾魚雷的無(wú)線電控制，進(jìn)一步鞏固了這一概念。近百年來(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)、慢速通信，到飛機(jī)、輪船、陸基系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)、高速多媒體通信，F(xiàn)H在軍事應(yīng)用上已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。除此之外，F(xiàn)H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)者和業(yè)余無(wú)線電領(lǐng)域，如對(duì)講機(jī)、模型車和無(wú)人機(jī)。?

什么是跳頻？

FH的高級(jí)概念如圖1所示。整個(gè)頻段和持續(xù)時(shí)間被劃分為二維網(wǎng)格。在任何給定的時(shí)隙，使用不同的頻率子帶進(jìn)行通信。這帶來(lái)了對(duì)窄帶干擾的高抵抗力和強(qiáng)大的抗惡意攔截和干擾能力的好處，因?yàn)樘l模式的隨機(jī)性等效地增加了另一層安全性，該安全層只能在發(fā)射器和接收器之間解碼。此外，由于相互干擾最小，跳頻信號(hào)可以輕松地與其他傳統(tǒng)通信共享帶寬，從而實(shí)現(xiàn)高頻譜效率。隨著跳頻速率的提高和子頻段的增大，跳頻的優(yōu)勢(shì)變得更加突出，這使其成為許多不同應(yīng)用的有吸引力的解決方案。

圖1.跳頻的高級(jí)概念。

下一代 SDR 收發(fā)器

ADRV9002是一款雙通道窄帶和寬帶SDR收發(fā)器，提供先進(jìn)的RF性能以及DPD和FH等高級(jí)系統(tǒng)功能。ADRV9002的工作頻率范圍為30 MHz至6 GHz，涵蓋超高頻（UHF）頻段;甚高頻 （VHF） 頻段;工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 頻段;以及窄帶 （kHz） 和高達(dá) 40 MHz 的寬帶操作的蜂窩頻段。 圖2顯示了ADRV9002的高級(jí)框圖。它包括具有一組高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理算法的雙發(fā)射和接收通道。以紅色突出顯示的PLL結(jié)構(gòu)是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)槠骷胁捎昧藘蓚€(gè)RF PLL，而不是像許多其他收發(fā)器那樣為接收數(shù)據(jù)路徑提供一個(gè)專用PLL，為發(fā)射數(shù)據(jù)路徑提供一個(gè)專用PLL，并且兩個(gè)PLL都可以選擇提供任何接收器或發(fā)射器，或兩者兼而有之，或者兩者都不提供。這種靈活性對(duì)于在各種TDD應(yīng)用中支持跳頻至關(guān)重要，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）以及發(fā)射和接收模式（1T1R/2T2R）。雙通道操作支持通道分集和通道多路復(fù)用。此外，兩個(gè)PLL可以在乒乓模式下運(yùn)行，以滿足嚴(yán)格的跳頻定時(shí)要求。

圖2.采用靈活PLL設(shè)計(jì)的ADRV9002高級(jí)框圖

ADRV9002的四大跳頻特性

具有兩個(gè) PLL 復(fù)用和快速 PLL 重整的超快速跳頻

跳頻是通過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使用情況提供不同的跳頻模式。2圖 1 中的每個(gè)時(shí)隙代表一個(gè)跳幀，該幀分為轉(zhuǎn)換時(shí)間段和停留時(shí)間段，如圖 3 所示。

圖3.跳幀結(jié)構(gòu)。

在頻率變化之間轉(zhuǎn)換時(shí)間足夠長(zhǎng)（大于通道建立時(shí)間和所需的PLL調(diào)諧時(shí)間）較慢的跳頻模式下，TDD操作（PLL重調(diào)諧模式）中的一對(duì)發(fā)射和接收通道只需要一個(gè)PLL。為了以更短的轉(zhuǎn)換時(shí)間（比通道建立時(shí)間和所需的PLL調(diào)諧時(shí)間短）實(shí)現(xiàn)更快的跳頻，器件中采用了兩個(gè)PLL（PLL多路復(fù)用模式）。兩個(gè)PLL以乒乓方式相互協(xié)調(diào)：一個(gè)PLL用于當(dāng)前頻率，另一個(gè)PLL重新調(diào)諧到下一個(gè)頻率。這使得非?？焖俚奶l成為可能，并且可以顯著減少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。

如表1所示，這兩種模式的選擇取決于用戶定義的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

圖4進(jìn)一步描述了PLL多路復(fù)用模式的概念。如前所述，每個(gè)時(shí)隙代表一個(gè)由轉(zhuǎn)換時(shí)間段和停留時(shí)間段組成的跳幀。當(dāng)一個(gè)PLL在停留期間使用時(shí)，另一個(gè)PLL從同一跳幀的轉(zhuǎn)換時(shí)間開始調(diào)諧。它可以繼續(xù)調(diào)諧，直到下一跳幀的過渡期結(jié)束。因此，只要所需的PLL調(diào)諧時(shí)間小于一個(gè)停留時(shí)間加上兩個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間的總和，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。

帶PLL多路復(fù)用器模式的跳頻對(duì)于Link 16等軍事應(yīng)用至關(guān)重要。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，是一種抗干擾的高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路，工作在960 MHz至1.215 GHz的無(wú)線電頻段3。 通過在初始化時(shí)正確校準(zhǔn)整個(gè)跳頻范圍，ADRV9002采用快速PLL重調(diào)模式來(lái)滿足嚴(yán)格的時(shí)序要求。PLL重整定時(shí)間取決于ADRV9002 PLL參考時(shí)鐘速率。表2顯示了基于不同PLL參考時(shí)鐘速率所需的快速PLL重整定時(shí)間。在300 MHz的PLL參考時(shí)鐘速率下，快速PLL重整定時(shí)間約為15 μs。當(dāng)鏈路16的跳幀長(zhǎng)度為13 μs時(shí)，使用PLL多路復(fù)用模式時(shí)，如果轉(zhuǎn)換時(shí)間大于2 μs，則15 μs的PLL重整定時(shí)間可以滿足時(shí)序要求，如表1所示。

如論文“存在窄帶干擾的情況下通過慢速平坦的中上衰落信道傳輸?shù)腏TIDS / Link 16型波形的性能分析”中所述。3Link 16 消息數(shù)據(jù)可以作為單脈沖或雙脈沖發(fā)送，具體取決于包裝結(jié)構(gòu)。單脈沖結(jié)構(gòu)由6.4 μs導(dǎo)通時(shí)間和6.6 μs關(guān)斷時(shí)間組成，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，它們攜帶相同的數(shù)據(jù)，但使用不同的載波頻率，如圖5所示。因此，轉(zhuǎn)換時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)6.6 μs（>2 μs），這使得ADRV9002的Link 16 FH可行。

圖5.標(biāo)準(zhǔn)鏈路16雙脈沖結(jié)構(gòu)。

圖6顯示了ADRV9002的發(fā)射輸出（功率與時(shí)間和頻率與時(shí)間的關(guān)系），采用Link 16型跳幀（為簡(jiǎn)單起見，使用僅發(fā)送跳頻）。請(qǐng)注意，為了顯示ADRV9002可實(shí)現(xiàn)的最小轉(zhuǎn)換時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)不遵循圖5中的標(biāo)準(zhǔn)Link 16脈沖結(jié)構(gòu)。導(dǎo)通時(shí)間從6.4 μs增加到11 μs，關(guān)斷時(shí)間從6.6 μs減少到2 μs。泰克RSA306B頻譜分析儀連接到ADRV9002評(píng)估板上的發(fā)射輸出端口進(jìn)行觀察。上圖顯示了功率與時(shí)間的關(guān)系?？梢钥闯觯l(fā)射跳頻每13 μs發(fā)生一次，連續(xù)發(fā)射跳幀之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為3 μs。下圖顯示了頻率與時(shí)間的關(guān)系。在本實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射載波頻率以1 MHz的步長(zhǎng)循環(huán)通過四個(gè)不同的頻率。正如預(yù)期的那樣，下圖證明發(fā)射輸出也以1 MHz的步長(zhǎng)循環(huán)通過四個(gè)不同的頻率，在整個(gè)駐留時(shí)間內(nèi)具有良好的頻率精度。

圖6.鏈路 16 Tx 跳頻的傳輸輸出。

使用是德科技 E5052B 和 R&S FSWP 等更先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)量，以研究 Link 16 FH 的頻率精度。在表3所示的示例測(cè)量中，發(fā)射載波頻率在400 MHz、400.1 MHz、400.2 MHz和400.3 MHz處跳頻。發(fā)射輸入旨在為所有跳幀產(chǎn)生 400 MHz 輸出。測(cè)量持續(xù)時(shí)間設(shè)置為 100 μs，其中包括七個(gè)完整的跳幀。頻率每128 ns時(shí)間間隔測(cè)量一次?？梢杂^察到，PLL在停留時(shí)間開始時(shí)完全鎖定。駐留期間的頻率誤差取決于相位噪聲性能。表 3 顯示了這連續(xù) 7 個(gè)跳幀的平均、最大和最小頻率偏移（輸出頻率與 400 MHz 之間的絕對(duì)差值）性能。在大多數(shù)幀中，平均頻率誤差小于1 ppm。結(jié)果也可用于數(shù)十次測(cè)量。請(qǐng)注意，測(cè)量值可能因設(shè)備和測(cè)試配置而異。

ADRV9002為用戶提供微調(diào)PLL環(huán)路濾波器帶寬的功能。表3所示的性能是在PLL環(huán)路濾波器帶寬配置為1200 kHz時(shí)實(shí)現(xiàn)的。更大的PLL濾波器帶寬改善了PLL重整定時(shí)間，從而保證了PLL在駐留時(shí)間開始之前完全鎖定。選擇環(huán)路濾波器帶寬時(shí)，用戶還應(yīng)評(píng)估其應(yīng)用所需的相位噪聲性能。

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工作臺(tái)加載多達(dá) 128 個(gè)不同頻率的條目

ADRV9002采用跳頻表概念適用于所有跳頻模式。2 跳頻表包含每個(gè)跳幀的頻率和其他操作參數(shù)列表。躍點(diǎn)表可以是靜態(tài)的，這意味著它在初始化期間加載，不允許即時(shí)更改。它也可以是動(dòng)態(tài)的，這意味著它在執(zhí)行跳躍時(shí)加載;在這種情況下，用戶可以即時(shí)更改表內(nèi)容。采用了類似的乒乓球概念，以便用戶可以選擇加載兩個(gè)不同的表，每個(gè)表最少 1 個(gè)到最多 64 個(gè)條目。當(dāng)一個(gè)表用于當(dāng)前躍點(diǎn)幀時(shí)，正在加載另一個(gè)表以準(zhǔn)備下一個(gè)躍點(diǎn)幀。每個(gè)條目都會(huì)通知ADRV9002特定跳幀的配置?？梢酝ㄟ^自動(dòng)遞增索引（從第一個(gè)表的第一個(gè)條目開始到第二個(gè)表的最后一個(gè)條目，然后使用兩個(gè)跳表再次返回到第一個(gè)表的第一個(gè)條目或使用一個(gè)躍點(diǎn)表連續(xù)循環(huán)）或通過數(shù)字 GPIO 指示的任何時(shí)間訪問特定條目來(lái)索引躍點(diǎn)表。

圖 7 顯示了躍點(diǎn)表 A 和 B，每個(gè)都有 N 個(gè)條目（1 ≤ N ≤ 64）。表中的每個(gè)條目都包含四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：跳頻、中頻（僅適用于接收IF模式）、接收增益指數(shù)和發(fā)射衰減。在TDD操作中，用戶必須使用專用通道設(shè)置信號(hào)（每個(gè)發(fā)射通道一個(gè)，每個(gè)接收通道一個(gè)）通知ADRV9002每個(gè)跳幀啟用哪個(gè)通道（發(fā)送或接收）。因此，盡管跳表中的每個(gè)條目都包含用于接收和發(fā)送的參數(shù)，但僅使用相關(guān)參數(shù)。

圖7.ADRV9002跳表內(nèi)容和索引方法。

在進(jìn)一步討論跳頻中的跳頻工作之前，有必要了解ADRV9002與基帶集成電路（BBIC）之間的高級(jí)通信。

如圖8所示，BBIC充當(dāng)跳頻操作的主要器件，用于設(shè)置跳頻模式、通道設(shè)置信號(hào)（Rx1_ENBALE、Rx2_ENABLE、Tx1_ENABLE和Tx2_ENABLE）、跳頻信號(hào)（HOP1和HOP2）以及靜態(tài)或動(dòng)態(tài)跳頻表（跳頻、接收IF頻率、接收增益和發(fā)射衰減）。BBIC通過SPI接口或DGPIO與ADRV9002通信。ADRV9002通過接受來(lái)自BBIC的信號(hào)來(lái)充當(dāng)跳頻的節(jié)點(diǎn)，然后相應(yīng)地配置數(shù)據(jù)路徑和LO。

圖8.ADRV9002和BBIC在跳頻期間通信的高級(jí)框圖。

圖 9 描述了一個(gè)動(dòng)態(tài)表加載示例，每個(gè)跳表 A 和 B 只有一個(gè)頻率。這是一種極端情況，允許用戶在每一幀中即時(shí)更改跳頻。本例使用PLL多路復(fù)用模式。如圖8所示，跳頻信號(hào)的上升沿和下降沿都定義了跳幀的時(shí)序邊界，每個(gè)時(shí)序邊界由轉(zhuǎn)換時(shí)間和停留時(shí)間組成，如前所述。通道設(shè)置信號(hào)上升沿定義了遵循一幀延遲的跳幀類型（此延遲對(duì)于PLL多路復(fù)用模式是必需的）。

圖9.使用PLL多路復(fù)用模式對(duì)每個(gè)表一個(gè)頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)表加載的示例。

請(qǐng)注意，通道設(shè)置信號(hào)可以代表發(fā)射設(shè)置信號(hào)或接收設(shè)置信號(hào)。圖9顯示了該信號(hào)的簡(jiǎn)化版本。由于TDD操作涉及發(fā)送和接收，因此用戶需要分別配置發(fā)送設(shè)置信號(hào)和接收設(shè)置信號(hào)。除了指示跳幀類型外，通道設(shè)置信號(hào)還可用于觸發(fā)由BBIC啟動(dòng)的跳表加載。跳頻表加載應(yīng)在通道設(shè)置信號(hào)下降沿之后的跳頻信號(hào)邊沿之前完成，然后PLL在同一跳邊沿開始調(diào)諧到此頻率，并為下一個(gè)跳頻邊沿發(fā)出的下一個(gè)跳幀做好準(zhǔn)備。表 A 和表 B 以乒乓模式運(yùn)行，因此，在加載完成后，F(xiàn)H 在一個(gè)表的頻率上工作，同時(shí)調(diào)諧另一個(gè)表的頻率。

圖10顯示了每個(gè)負(fù)載4個(gè)條目和每個(gè)負(fù)載8個(gè)條目的動(dòng)態(tài)表加載的發(fā)射頻率與時(shí)間輸出的關(guān)系。發(fā)射輸入具有0 kHz、–100 kHz、–200 kHz和–300 kHz頻率的四個(gè)幀，通過連續(xù)循環(huán)幀饋送到ADRV9002。它還與跳幀完全對(duì)齊和同步，因此 0 kHz 輸入幀與 3.1 GHz LO 對(duì)齊。在跳頻期間，當(dāng)LO變?yōu)橄乱粋€(gè)頻率時(shí)，發(fā)射輸入頻率也會(huì)變?yōu)橄乱粋€(gè)頻率。

圖 10.動(dòng)態(tài)表加載的比較，每次加載四個(gè)條目和每次加載八個(gè)條目。

表 A 和表 B 在執(zhí)行 FH 時(shí)動(dòng)態(tài)加載（為簡(jiǎn)單和易于觀察，表內(nèi)容不會(huì)隨加載而變化）。對(duì)于每個(gè)負(fù)載的四個(gè)條目，我們期望在 3.1 GHz 時(shí)看到四個(gè)連續(xù)的發(fā)射輸出幀，然后在 3.1004 GHz 處看到四個(gè)連續(xù)的幀，并且相同的模式會(huì)一次又一次地重復(fù)。對(duì)于每個(gè)負(fù)載的八個(gè)條目，我們期望在 3.1 GHz 時(shí)看到四個(gè)連續(xù)的發(fā)射輸出幀，在 3.1004 GHz 下看到四個(gè)連續(xù)幀，在 3.1008 Hz 下看到四個(gè)連續(xù)幀，在 3.1012 GHz 下看到四個(gè)連續(xù)幀，并且相同的模式一次又一次地重復(fù)。圖8所示的傳輸輸出證明動(dòng)態(tài)表加載按預(yù)期工作。

通道分集與使用雙通道的通道多路復(fù)用

如圖2所示，ADRV9002支持雙發(fā)送和接收通道。跳頻可以應(yīng)用于兩個(gè)通道，以實(shí)現(xiàn)通道分集或通道多路復(fù)用。

為了實(shí)現(xiàn)分集，兩個(gè)通道使用相同的PLL（一個(gè)或兩個(gè)）以及相同的跳頻表和TDD定時(shí)配置同時(shí)跳頻。ADRV9002提供的MCS功能可以啟用，以確保相同或不同ADRV9002器件上的多個(gè)通道彼此完全同步，并具有確定性的延遲。相位同步也可以通過MCS實(shí)現(xiàn)，每次PLL重新調(diào)諧頻率時(shí)都會(huì)執(zhí)行MCS。借助MCS，即使在跳頻期間，多個(gè)通道也可以實(shí)現(xiàn)同步，這使得ADRV9002成為涉及跳頻的MIMO分集應(yīng)用的極具吸引力的解決方案。有關(guān)在跳頻期間使用MCS的要求和限制的更詳細(xì)說明，請(qǐng)參閱ADRV9001系統(tǒng)開發(fā)用戶指南。2

對(duì)于通道多路復(fù)用，每對(duì)通道使用一個(gè)PLL，并彼此獨(dú)立地執(zhí)行跳頻。一個(gè)限制是，一對(duì)發(fā)射和接收通道需要兩個(gè)PLL的超快速跳頻無(wú)法應(yīng)用于一個(gè)ADRV9002器件的通道多路復(fù)用。

除了2T2R模式外，值得一提的是，ADRV9002還支持跳頻的1T2R和2T1R操作，這為滿足用戶的特定要求提供了更大的靈活性。

支持跳頻設(shè)備操作

ADRV9002還支持窄帶和寬帶應(yīng)用的DPD操作。它校正功率放大器（PA）的非線性，以顯著提高PA效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)的相鄰?fù)ǖ拦β市孤┍龋?a target="_blank">ACPR）性能。

ADRV9002的一個(gè)高級(jí)特性是DPD可以與跳頻一起執(zhí)行。在這種情況下，ADRV9002允許用戶配置多達(dá)8個(gè)頻率區(qū)域，DPD算法為每個(gè)頻率區(qū)域創(chuàng)建最佳解決方案。DPD解決方案作為一組系數(shù)也可以分別在每個(gè)區(qū)域的傳輸結(jié)束和開始時(shí)存儲(chǔ)和加載。這確保了整個(gè)跳頻范圍內(nèi)的PA線性度。

由于DPD是一種自適應(yīng)濾波過程，必須定期捕獲一組樣本以進(jìn)行系數(shù)計(jì)算，因此跳幀長(zhǎng)度需要足夠長(zhǎng)以滿足DPD捕獲長(zhǎng)度要求。但是，如果用戶僅使用初始加載的DPD系數(shù)而不需要DPD更新，則可以刪除此限制。

ADRV9002跟蹤校準(zhǔn)通常在快速跳頻期間不執(zhí)行。但是，初始校準(zhǔn)是根據(jù)用戶的跳頻配置基于多個(gè)頻率區(qū)域執(zhí)行的，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

使用ADRV9002收發(fā)器評(píng)估軟件（TES）進(jìn)行跳頻性能評(píng)估

跳頻性能可通過ADRV9002 TES和評(píng)估板進(jìn)行全面評(píng)估。賽靈思 ZC706 和 ZCU102 FPGA 板均受 TES 支持。?2如圖 11 所示，跳頻配置頁(yè)易于用于配置 FH 參數(shù)，包括跳頻操作模式、跳頻表、GPIO 設(shè)置、TDD 時(shí)序等。TES內(nèi)置FPGA同步功能，允許用戶精確控制TDD時(shí)序，以便發(fā)送或接收幀可以與跳幀完全同步。TES中還提供了許多跳頻示例，供用戶進(jìn)一步探索。

圖 11.通過 TES 配置 FH。

結(jié)論

跳頻是下一代SDR收發(fā)器ADRV9002提供的高級(jí)系統(tǒng)功能之一。ADRV9002具有兩個(gè)PLL、多種跳頻模式以及加載和索引跳頻表的靈活性，使用戶能夠處理各種應(yīng)用并滿足高級(jí)系統(tǒng)要求。所有特性均可通過ADRV9002 TES和軟件開發(fā)套件（SDK）進(jìn)行全面評(píng)估。