提供顯著跳頻(FH)優(yōu)勢的下一代軟件定義無線電(SDR)收發(fā)器

摘要

本文深入探討了跳頻(FH)的概念，以及如何通過靈活設(shè)計ADRV9002 SDR收發(fā)器的鎖相環(huán)(PLL)架構(gòu)來實現(xiàn)四大跳頻特性。這些特性可為用戶提供強(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和快速實時載波頻率負(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，可滿足當(dāng)今復(fù)雜通信系統(tǒng)中的更高要求。

簡介

與傳統(tǒng)的無線電通信不同，跳頻(FH)定義了一種通過快速改變載波頻率1來發(fā)送無線電信號的方法，Nikola Tesla在1903年的美國專利“信號傳輸方法”中首次提到了這種方法。后來，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個頻率之間切換，以防止魚雷的無線電控制受到干擾。一百多年來，從第一次世界大戰(zhàn)中固定指揮點之間的非實時、低速通信，到當(dāng)代飛機(jī)、艦船和陸地系統(tǒng)之間的實時、高速多媒體通信，跳頻在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用已進(jìn)入了一個嶄新的時代。此外，跳頻已廣泛應(yīng)用于許多無線個人通信網(wǎng)絡(luò)，如藍(lán)牙®個人局域網(wǎng)(PAN)，以及消費電子和業(yè)余無線電領(lǐng)域，如對講機(jī)、汽車模型和無人機(jī)。

什么是跳頻?

跳頻的概念如圖1所示。如果將整個頻帶和持續(xù)時間劃分為二維網(wǎng)格，那么在任何給定的時隙，將會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，跳頻信號相互干擾小，可以和其他傳統(tǒng)通信共享帶寬，實現(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)勢變得更加突出，成為對許多不同應(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40 MHz的寬帶操作。圖2顯示了ADRV9002的簡化示意框圖。其中包括發(fā)送和接收雙通道，以及一組高級數(shù)字信號處理算法。許多其他收發(fā)器都是將一個PLL專用于接收數(shù)據(jù)路徑，另一個專用于發(fā)送數(shù)據(jù)路徑，而以紅色方框中顯示的ADRV9002 PLL結(jié)構(gòu)則比較獨特，它在器件中使用兩個RF PLL，并且可以選擇將兩個PLL提供給任何接收器或發(fā)送器使用，兩個一起用或一個都不用。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PLL，以滿足嚴(yán)格的跳頻時序要求。

ADRV9002的四大跳頻特性

通過兩個PLL多路復(fù)用和PLL快速重新調(diào)諧實現(xiàn)特快速跳頻

跳頻是通過在切換到不同頻率之前重新調(diào)諧PLL來實現(xiàn)的。ADRV9002根據(jù)PLL的使用情況提供不同的跳頻模式。2圖1中的每個時隙代表一個跳幀，可以分為一個轉(zhuǎn)換時間段和一個停留時間段，如圖3所示。

圖2.采用靈活的PLL設(shè)計的ADRV9002簡化示意框圖

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)換時間足夠長(比通道設(shè)置時間和所需的PLL調(diào)諧時間長)，則TDD操作中的一對發(fā)送和接收通道只需要一個PLL(稱為一個PLL重新調(diào)諧模式)。為了實現(xiàn)更快的跳頻和更短的轉(zhuǎn)換時間(比通道設(shè)置時間和所需的PLL調(diào)諧時間短)，在器件中則可以使用兩個鎖相環(huán)(稱為兩個PLL多路復(fù)用模式)。兩個PLL以乒乓方式相互協(xié)調(diào)：當(dāng)一個PLL用于當(dāng)前頻率時，另一個PLL則重新調(diào)諧至下一個頻率。這樣就可以實現(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，由用戶定義的轉(zhuǎn)換時間決定。

圖4進(jìn)一步解釋了PLL多路復(fù)用模式概念。如前所述，每個時隙代表一個跳幀，它由一個轉(zhuǎn)換時間段和一個停留時間段組成。當(dāng)一個PLL在停留時間內(nèi)使用時，另一個PLL從同一跳幀的轉(zhuǎn)換時間開始時即開始進(jìn)行調(diào)諧。它可以一直進(jìn)行調(diào)諧，直到下一個跳幀的轉(zhuǎn)換時間段結(jié)束為止。所以，只要所需的PLL調(diào)諧時間比一次停留時間和兩次轉(zhuǎn)換時間的總和短，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)用模式下的跳頻對軍事應(yīng)用來說至關(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通過在初始化時準(zhǔn)確校準(zhǔn)整個跳頻范圍，ADRV9002采用快速PLL重新調(diào)諧模式來滿足嚴(yán)格的時序要求。PLL重新調(diào)諧時間取決于ADRV9002 PLL參考時鐘速率。表2顯示在不同的PLL參考時鐘速率下所需的快速PLL重新調(diào)諧時間。PLL參考時鐘速率為300 MHz時，快速PLL重新調(diào)諧時間約為15 μs。Link 16的跳幀長度為13 μs時，如果轉(zhuǎn)換時間大于2 μs，在使用PLL多路復(fù)用模式時使用15 μs的PLL重新調(diào)諧時間即可滿足時序要求，具體如表1所示。

表2.使用快速PLL重新調(diào)諧模式時的PLL重新調(diào)諧時間

正如論文“在存在窄帶干擾的情況下，通過緩慢、平坦的Nakagami 衰減通道傳輸?shù)腏TIDS/Link 16型波形的性能分析”3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開啟時間和6.6 μs關(guān)閉時間，總持續(xù)時間為13 μs。雙脈沖結(jié)構(gòu)由兩個單脈沖組成，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)換時間大致為6.6 μs (>2 μs)，因此使用ADRV9002實現(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(功率與時間以及頻率與時間之間的關(guān)系)，采用Link 16型跳幀(為簡化起見，僅使用發(fā)送跳頻)。注意，為了顯示ADRV9002可實現(xiàn)的最短轉(zhuǎn)換時間，實驗未使用圖5中所示的標(biāo)準(zhǔn)Link 16脈沖結(jié)構(gòu)，而是開啟時間從6.4 μs增加到11 μs，關(guān)閉時間從6.6 μs縮短到2 μs。將Tektronix RSA306B頻譜分析儀連接至ADRV9002評估板的發(fā)送輸出端口，以進(jìn)行觀察。上方的圖顯示功率與時間的關(guān)系。從圖中可以看出，每隔13 μs就會進(jìn)行發(fā)送跳頻，連續(xù)發(fā)送跳幀之間的轉(zhuǎn)換時間大約為3 μs。下方的圖顯示頻率與時間的關(guān)系。在這個實驗中，發(fā)送載波頻率以1 MHz的步長在四個不同的頻率之間循環(huán)。正如預(yù)期的一樣，下方的圖證實了發(fā)送輸出也以1 MHz的步長在四個不同的頻率之間循環(huán)，并且在整個停留時間段內(nèi)都具備出色的頻率精度。

圖6.Link 16 Tx跳頻的發(fā)送輸出

通過使用更先進(jìn)的測試設(shè)備(例如Keysight E5052B和R&S FSWP)可以進(jìn)一步測量Link 16跳頻的頻率精度。在表3所示的測量示例中，發(fā)送載波頻率在400 MHz、400.1 MHz、400.2 MHz和400.3 MHz時跳頻。發(fā)送輸入信號也相應(yīng)的同步變換頻率從而使所有跳幀生成400 MHz的頻率輸出。測量持續(xù)時間設(shè)置為100 μs，其中包括7個完整的跳幀。每隔128 ns測量一次頻率?？梢钥闯?，在停留時間開始時，PLL已經(jīng)完全鎖定。停留時間期間的頻率誤差取決于相位噪聲性能。表3顯示這7個連續(xù)跳幀的平均、最大和最小頻率偏移(輸出頻率和400 MHz之間的絕對差值)性能。在大多數(shù)幀中，平均頻率誤差低于1 ppm。數(shù)十次實驗顯示出同樣的結(jié)果。注意，測量值可能因設(shè)備和測試配置而異。

表3.Link 16跳頻的頻率精度性能

ADRV9002還提供了用戶微調(diào)PLL環(huán)路濾波器帶寬的能力。當(dāng)PLL環(huán)路濾波器帶寬配置為1200 kHz時，可以實現(xiàn)表3所示的性能。較大的PLL濾波器帶寬可以減少PLL重新調(diào)諧時間，確保在停留時間開始前PLL完全鎖定。建議用戶進(jìn)一步評估其應(yīng)用中所需的相位噪聲性能來選擇最合適的環(huán)路濾波器帶寬。

使用靜態(tài)和動態(tài)的方式加載高達(dá)128個不同頻率的跳頻表

ADRV9002針對所有跳頻模式使用跳頻表概念。2跳頻表中的每一項包含了跳幀的頻率和其他操作參數(shù)。跳頻表可以是靜態(tài)加載的，這表示它在初始化期間加載，之后不允許即時更改。它也可以是動態(tài)加載的，即在執(zhí)行跳頻期間加載;在這種情況下，用戶可以即時更改表的內(nèi)容。此外，還使用了類似乒乓的概念，因此用戶可以選擇性地加載兩個不同的表，每個表包含最少1個、最多64個項。在一個表用于當(dāng)前跳幀時，加載另一個表，準(zhǔn)備用于下一個跳幀。每個項都會通知ADRV9002關(guān)于某個跳幀的配置?？梢酝ㄟ^自動遞增索引方式(如果是兩個跳頻表，則是從第一個表的第一項開始，到第二個表的最后一項，然后重新回到第一個表的第一項，如果是一個跳頻表，則是連續(xù)循環(huán))，或通過數(shù)字GPIO指示的特定項對跳頻表進(jìn)行隨時索引。

圖7顯示跳頻表A和B，每個包含N個項(1 ≤ N ≤ 64)。表中的每個項包含4個重要參數(shù)：跳頻、中頻(僅用于接收IF模式)、接收增益表的索引，以及發(fā)送衰減。在TDD操作中，用戶必須通過專用的通道設(shè)置信號(每個發(fā)送通道一個，每個接收通道一個)來通知ADRV9002為每個跳幀啟用了哪個通道(發(fā)送或接收)。所以，盡管跳頻表中的每個項都同時包含接收和發(fā)送參數(shù)，但只會使用相關(guān)參數(shù)。

圖7.ADRV9002跳頻表內(nèi)容和索引方法

在進(jìn)一步探討如何在跳頻模式中使用跳頻表之前，需要先了解ADRV9002和基帶集成電路(BBIC)之間的大體的通信方式。

如圖8所示，BBIC作為跳頻操作的主要部分，會設(shè)置跳頻模式、通道設(shè)置信號(Rx1_ENBALE、Rx2_ENABLE、Tx1_ENABLE和Tx2_ENABLE)、HOP信號(HOP1和HOP2)，以及靜態(tài)或動態(tài)跳頻表(包含跳頻、接收IF頻率、接收增益表的索引和發(fā)送衰減)。BBIC通過SPI接口或DGPIO與ADRV9002通信。ADRV9002作為一個節(jié)點接收來自BBIC的信號，然后相應(yīng)地配置數(shù)據(jù)路徑和LO進(jìn)行跳頻。

圖9所示為一個動態(tài)表示例，每個跳頻表A和B僅加載一個頻率。這是一種極端情況，允許用戶即時更改每個幀的跳頻。本示例使用PLL多路復(fù)用模式。如圖8所示，跳頻信號的上升沿和下降沿定義跳幀的時序邊界，如之前所述，每個跳幀由轉(zhuǎn)換時間和停留時間組成。通道設(shè)置信號上升沿定義一個幀延遲(在PLL多路復(fù)用模式下，這種延遲是必要的)之后的跳幀類型。

圖8. ADRV9002和BBIC如何在跳頻期間互相通信的大概框圖

注意，通道設(shè)置信號既可以表示發(fā)送設(shè)置信號，也可以表示接收設(shè)置信號。圖9顯示了該信號的簡化版本示意圖。由于TDD操作同時涉及發(fā)送和接收，用戶需要分別配置發(fā)送設(shè)置信號和接收設(shè)置信號。除了指示跳幀類型，通道設(shè)置信號還可以用來觸發(fā)BBIC進(jìn)行跳頻表加載。跳頻表加載應(yīng)在通道設(shè)置信號下降沿之后的那個跳頻信號沿之前完成，然后PLL在同一跳頻信號邊沿開始調(diào)諧到該頻率，并為由下一個跳頻邊沿指示的下一個跳幀做好準(zhǔn)備。表A和表B以乒乓模式運行，這樣加載完成后，一個表的頻率用來進(jìn)行跳頻操作，同時對另一個表的頻率實施調(diào)諧。

圖9.在PLL多路復(fù)用模式下，動態(tài)的使用跳頻表加載一個頻率的示例

圖10顯示通過動態(tài)方式使跳頻表每次加載4個項和8個項時發(fā)送輸出頻率與時間之間的關(guān)系。發(fā)送輸入具有0 kHz、–100 kHz、–200 kHz和–300 kHz頻率的4個幀，并通過連續(xù)循環(huán)這些幀將其饋送到ADRV9002。它與跳幀完全匹配和同步，所以0 kHz輸入幀對應(yīng)3.1 GHz LO。跳頻期間，當(dāng)LO變更為下一頻率，發(fā)送輸入頻率也變更為下一頻率。

在執(zhí)行跳頻時，動態(tài)加載表A和表B(為了簡化和便于觀察，每次加載時表內(nèi)容不改變)。對于每次加載4項，在3.1 GHz輸出頻率會看到四個連續(xù)的發(fā)送輸出幀，然后在3.1004 GHz輸出頻率也會看到四個連續(xù)的發(fā)送輸出幀，然后以這種模式循環(huán)往復(fù)。對于每次加載8項，在3.1 GHz輸出頻率會看到四個連續(xù)的發(fā)送輸出幀，在3.1004 GHz輸出頻率4個連續(xù)幀，在3.1008 Hz輸出頻率四個連續(xù)幀，以及3.1012 GHz輸出頻率四個連續(xù)幀，然后以這種模式循環(huán)往復(fù)。圖8所示的發(fā)送輸出證實動態(tài)表加載操作如預(yù)期完全一致。

使用雙通道來實現(xiàn)通道分集與通道多路復(fù)用

如圖2所示，ADRV9002支持發(fā)送和接收雙通道?？梢詫蓚€通道應(yīng)用跳頻，以實現(xiàn)通道分集或通道多路復(fù)用。

要實現(xiàn)分集，需使用同樣的PLL(一個或兩個)、同樣的跳頻表和TDD時序配置使兩個通道同時跳頻。用戶可以啟用ADRV9002提供的MCS功能，確保同一個或不同ADRV9002器件上的多個通道彼此完全同步，以保證確定性延遲。還可以通過MCS實現(xiàn)相位同步，但必須在每次PLL重新調(diào)諧頻率時執(zhí)行相應(yīng)操作。通過MCS，實現(xiàn)了多個通道在跳頻期間的同步，使ADRV9002成為對涉及跳頻的MIMO分集應(yīng)用來說非常有吸引力的解決方案。了解在跳頻期間使用MCS的要求和限制的更多詳細(xì)信息，請參閱ADRV9001系統(tǒng)開發(fā)用戶指南。2

對于通道多路復(fù)用，每對發(fā)送和接受通道使用一個PLL，彼此獨立地執(zhí)行跳頻。其中一個限制是特快跳頻(要求為一個發(fā)送和接收通道對配備兩個PLL)無法用于使一個ADRV9002器件的兩對通道進(jìn)行多路復(fù)用。

除了2T2R模式，還值得一提的是：ADRV9002還支持1T2R和2T1R的跳頻操作，因而可以更靈活地滿足用戶的特定要求。

支持跳頻與DPD操作同時進(jìn)行

ADRV9002還支持窄帶和寬帶應(yīng)用的DPD操作。它在實現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)的相鄰?fù)ǖ拦β市孤┍?ACPR)性能的同時，修正功率放大器(PA)的非線性，從而顯著提高功率放大器的效率。

ADRV9002的一個高級功能是DPD可以和跳頻一起執(zhí)行。在這種情況下，ADRV9002允許用戶配置多達(dá)8個頻率區(qū)域，而DPD算法為每個頻率區(qū)域創(chuàng)建一個優(yōu)化解決方案。針對每個區(qū)域，DPD解決方案作為一組系數(shù)，可以分別在傳輸開始和結(jié)束時進(jìn)行存儲和加載。這可以確保在整個跳頻范圍內(nèi)保持PA線性度。

由于DPD是一個自適應(yīng)濾波過程，必須周期性地捕獲一組樣本進(jìn)行系數(shù)計算，因此跳幀長度需要足夠長才能滿足DPD捕獲長度要求。但是，如果用戶只使用初始加載的DPD系數(shù)，無需進(jìn)行DPD更新，則不存在這種限制。

ADRV9002的跟蹤校準(zhǔn)通常不會在快速跳頻期間進(jìn)行。但是，會根據(jù)用戶的跳頻配置，基于多個頻率區(qū)域執(zhí)行初始校準(zhǔn)，以實現(xiàn)最佳性能。

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

用戶可以通過ADRV9002 TES軟件在評估板上充分測試跳頻性能。TES支持Xilinx® ZC706和ZCU102 FPGA評估板。2如圖11所示，可以輕松使用跳頻配置頁面來配置跳頻參數(shù)，包括跳頻操作模式、跳頻表、GPIO設(shè)置和TDD時序等。TES內(nèi)置FPGA同步功能，因此用戶能夠準(zhǔn)確控制TDD時序，確保發(fā)送或接收幀能完全與跳幀同步。TES中還提供許多跳頻示例，供用戶進(jìn)一步分析研究。

圖10.用動態(tài)加載跳頻表的方法每次載入4項和8項的跳頻結(jié)果比較

圖11.通過TES配置跳頻

結(jié)論

跳頻是下一代SDR收發(fā)器ADRV9002的先進(jìn)系統(tǒng)特性之一。ADRV9002使用兩個PLL、多種跳頻模式，以及通過靈活加載和索引跳頻表的方法，為用戶提供出色的跳頻能力，以便應(yīng)對各種應(yīng)用并滿足更高系統(tǒng)要求。所有功能都可以通過ADRV9002 TES和軟件開發(fā)套件(SDK)進(jìn)行全面評估。

參考資料

1 John G. Proakis。數(shù)字通信，第3版。McGraw-Hill，1994年3月。

2UG-1828：ADRV9001系統(tǒng)開發(fā)用戶指南。ADI公司，2021年10月。

3 Kao Chin-Han。“在存在窄帶干擾的情況下，通過緩慢、平坦的Nakagami 衰減通道傳輸?shù)腏TIDS/Link 16型波形的性能分析。”美國海軍研究生院，2008年。

作者簡介

Mizhou (Michelle) Tan是ADI公司的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。3年來，她一直為RF收發(fā)器產(chǎn)品和應(yīng)用的設(shè)計和開發(fā)提供支持。在加入ADI公司之前，她獲得了四川大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，并于2004年獲得了新澤西理工學(xué)院電氣和計算機(jī)工程博士學(xué)位。從2004年至2018年，她分別在Agere Systems、LSI Logic和Intel Corp.擔(dān)任算法、系統(tǒng)和軟件工程師。她在技術(shù)會議和期刊上發(fā)表論文15余篇，在無線通信和數(shù)字信號處理領(lǐng)域擁有9項已授權(quán)專利。