集成式RF采樣收發(fā)器支持快速跳頻、多頻帶和多模式操作

作者：德州儀器高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用經(jīng)理Matthias Feulner

最新的直接無(wú)線射頻(RF) - 采樣收發(fā)器 – 包括德州儀器的AFE7444和AFE7422設(shè)備，分別支持四個(gè)和兩個(gè)天線信道 – 提供多種強(qiáng)大功能，使得多種先進(jìn)的系統(tǒng)特性，如多頻帶和多模式操作，以及變頻和快速跳頻成為可能。這些功能從系統(tǒng)概念來(lái)看變得日益普及，如多功能陣列，大型相控陣天線的不同子陣列可配置為根據(jù)情況或任務(wù)需要而執(zhí)行多種功能;這包括雷達(dá)、通信或電子戰(zhàn)(EW)功能，如圖1所示。

圖 1 

多功能相控陣列系統(tǒng)

此外，這些系統(tǒng)常常需要實(shí)現(xiàn)快速跳頻，以便通過(guò)重復(fù)或任意的序列逐漸調(diào)整到工作頻率，如圖 2所示。如此執(zhí)行可以避免人為干擾、防范信號(hào)探測(cè)或便于實(shí)施防電子欺騙技術(shù)(電子欺騙：篡改雷達(dá)反射信號(hào)的電子簽名)。

圖 2

跨越多個(gè)奈奎斯特區(qū)的頻率捷變操作

為進(jìn)一步了解這些功能，讓我們首先來(lái)研究一下集成式RF采樣收發(fā)器的功能模塊，如圖 3所示。

圖 3

AFE7444/AFE7422 RF采樣收發(fā)器的功能模塊

當(dāng)接收器與發(fā)送器結(jié)合應(yīng)用時(shí)，這些功能模塊將以下列方式提供增強(qiáng)功能：

跨越從幾MHz直至6 GHz的極寬的RF頻率范圍進(jìn)行操作，處理非常寬泛的非瞬間帶寬，最高可達(dá)1.5 GHz。

數(shù)字信號(hào)處理模塊，支持聚合和解聚合多種子帶或波形，每個(gè)子帶或波形可在接收或發(fā)送側(cè)作為獨(dú)立的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)行處理。

多頻帶或多模式信號(hào)處理

現(xiàn)在讓我們來(lái)考慮通過(guò)利用寬頻帶采樣、合成以及數(shù)字處理功能，來(lái)處理多頻帶或多模式信號(hào)的使用案例。如圖 4所示。

圖4

使用AFE7422和AFE7444的多頻帶發(fā)送和接收配置

此設(shè)置會(huì)生成多頻帶信號(hào)，該信號(hào)包括三個(gè)不同的子帶，總帶寬為2.75 GHz。接收器在跨越多個(gè)奈奎斯特區(qū)的整個(gè)頻帶中采樣，然后將采樣數(shù)據(jù)饋送到數(shù)字下變頻模塊(具有多個(gè)并聯(lián)級(jí))。方法是通過(guò)獨(dú)立的數(shù)字控制振蕩器(NCO)和數(shù)字混頻器，選擇多個(gè)子帶并將它們轉(zhuǎn)變?yōu)榛l信號(hào)。應(yīng)用抽選，然后根據(jù)單個(gè)信號(hào)的帶寬，降低輸出采樣率，并抑制帶外減損。

相反地，在發(fā)送側(cè)，各個(gè)數(shù)字輸入流輸入到多個(gè)并聯(lián)的數(shù)字上變頻級(jí)中，上變頻將把基頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為其相應(yīng)的目標(biāo)頻率。然后，數(shù)據(jù)將被超抽樣至RF數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出采樣率，通過(guò)最后一級(jí)中的RF DAC合成一個(gè)合并后的寬頻帶信號(hào)(范圍從700 MHz到3.45 GHz)。

變頻和跳頻

您可以通過(guò)僅選擇單個(gè)頻帶，并利用內(nèi)部數(shù)字環(huán)回，然后在重新發(fā)送該信號(hào)之前對(duì)所選的子帶應(yīng)用頻移，從而擴(kuò)展前一個(gè)案例。如圖 5所示。

圖 5

使用AFE7444/AFE7422實(shí)現(xiàn)變頻或跳頻

此設(shè)置可捕獲前文所述的多頻帶信號(hào)。數(shù)字下變頻模塊選擇一個(gè)獨(dú)立的子帶，將其轉(zhuǎn)換為基頻信號(hào)并通過(guò)數(shù)字濾波器傳遞。數(shù)字濾波器會(huì)清除帶外減損，如諧波或混頻產(chǎn)品。芯片內(nèi)數(shù)字環(huán)回路徑，支持直接將數(shù)字接收器的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)饋送入發(fā)送器路徑，而無(wú)需離開(kāi)芯片，并且不必連接任何額外的處理設(shè)備。

只需把濾波后的信號(hào)向上變頻回為最初接收的頻率，便打造出片上數(shù)字中繼器。為了部署跳頻發(fā)送器，需要將發(fā)送器部分的NCO編程使其輸出所需的新頻率，然后重新發(fā)送頻移信號(hào)。如圖 5中頻譜分析儀圖譜中的黃色跡線所示，并將其與最初接收的多頻帶頻譜(綠色跡線)相比較。

圖 6

振蕩器上的頻率躍遷

到現(xiàn)在為止，我舉例說(shuō)明了基本概念，類似的方法可以用于支持其它使用案例，包括：

多頻帶變頻。由于使用了多個(gè)并聯(lián)的數(shù)字下變頻和上變頻模塊，所以您可以接收并將多頻帶信號(hào)解聚合為多個(gè)獨(dú)立的子帶信號(hào)，然后對(duì)每個(gè)子帶信號(hào)應(yīng)用獨(dú)立的頻移，并經(jīng)片上內(nèi)部數(shù)字環(huán)回饋送入發(fā)送器路徑，在達(dá)到新的頻率后重新發(fā)送子帶信號(hào)。

快速跳頻。由于我們可以重新編程N(yùn)CO從而在幾毫秒內(nèi)獲得更新的頻率，或輪流使用乒乓模式下每個(gè)信號(hào)路徑上可用的多個(gè)NCO，就可以接收并按照重復(fù)性或任意序列發(fā)送頻率捷變信號(hào)。這兩種頻率之間的轉(zhuǎn)換如圖 6所示。

斜坡產(chǎn)生/直接數(shù)字合成模式。用于每個(gè)發(fā)送器的內(nèi)置正弦波音頻發(fā)生器，都支持生成雷達(dá)系統(tǒng)常用的頻率斜坡和調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)。

同步寬頻帶掃描和窄頻帶觀測(cè)。因?yàn)槊總€(gè)接收器前端采樣級(jí)都可以連接多個(gè)數(shù)字處理級(jí)，所以您可以選擇為寬頻帶模式配置一個(gè)接收路徑。輸出跨越奈奎斯特全頻帶的采樣數(shù)據(jù)，并觀測(cè)最高可達(dá)1.5 GHz的非瞬間帶寬，進(jìn)而掃描是否有任何信號(hào)的存在。與此同時(shí)，您可以配置窄頻帶抽選模式的第二個(gè)路徑，放大后精確分析在寬頻帶模式下探測(cè)到的所有信號(hào)。

到現(xiàn)在為止，我舉例說(shuō)明了基本概念，類似的方法可以用于支持其它使用案例，包括：

·多頻帶變頻。由于使用了多個(gè)并聯(lián)的數(shù)字下變頻和上變頻模塊，所以您可以接收并將多頻帶信號(hào)解聚合為多個(gè)獨(dú)立的子帶信號(hào)，然后對(duì)每個(gè)子帶信號(hào)應(yīng)用獨(dú)立的頻移，并經(jīng)片上內(nèi)部數(shù)字環(huán)回饋送入發(fā)送器路徑，在達(dá)到新的頻率后重新發(fā)送子帶信號(hào)。

·快速跳頻。由于我們可以重新編程N(yùn)CO從而在幾毫秒內(nèi)獲得更新的頻率，或輪流使用乒乓模式下每個(gè)信號(hào)路徑上可用的多個(gè)NCO，就可以接收并按照重復(fù)性或任意序列發(fā)送頻率捷變信號(hào)。這兩種頻率之間的轉(zhuǎn)換如圖 6所示。

·斜坡產(chǎn)生/直接數(shù)字合成模式。用于每個(gè)發(fā)送器的內(nèi)置正弦波音頻發(fā)生器，都支持生成雷達(dá)系統(tǒng)常用的頻率斜坡和調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)。

·同步寬頻帶掃描和窄頻帶觀測(cè)。因?yàn)槊總€(gè)接收器前端采樣級(jí)都可以連接多個(gè)數(shù)字處理級(jí)，所以您可以選擇為寬頻帶模式配置一個(gè)接收路徑。輸出跨越奈奎斯特全頻帶的采樣數(shù)據(jù)，并觀測(cè)最高可達(dá)1.5 GHz的非瞬間帶寬，進(jìn)而掃描是否有任何信號(hào)的存在。與此同時(shí)，您可以配置窄頻帶抽選模式的第二個(gè)路徑，放大后精確分析在寬頻帶模式下探測(cè)到的所有信號(hào)。