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【世說設計】介紹一下，這是擁有顯著跳頻(FH)優(yōu)勢的下一代軟件定義無線電(SDR)收發(fā)器~

時間：2021-11-29 15:08:10

關鍵字：收發(fā)器無線電

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[導讀]本文深入探討了跳頻(FH)的概念，以及如何通過靈活設計ADRV9002SDR收發(fā)器的鎖相環(huán)(PLL)架構來實現(xiàn)四大跳頻特性。這些特性可為用戶提供強大的跳頻功能，讓他們能夠處理單通道和雙通道操作模式下的Link16和快速實時載波頻率負載等應用。此外，跳頻與多芯片同步(MCS)和數字...

本文深入探討了跳頻(FH)的概念，以及如何通過靈活設計 ADRV9002 SDR 收發(fā)器的鎖相環(huán)(PLL)架構來實現(xiàn)四大跳頻特性。這些特性可為用戶提供強大的跳頻功能，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載等應用。此外，跳頻與多芯片同步(MCS)和數字預失真(DPD)技術的結合使ADRV9002 SDR收發(fā)器成為一種非常有吸引力的解決方案，可滿足當今復雜通信系統(tǒng)中的更高要求。

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進一步鞏固了這一概念，他們從鋼琴的按鍵數量得到啟發(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，到當代飛機、艦船和陸地系統(tǒng)之間的實時、高速多媒體通信，跳頻在軍事領域的應用已進入了一個嶄新的時代。此外，跳頻已廣泛應用于許多無線個人通信網絡，如藍牙^®個人局域網(PAN)，以及消費電子和業(yè)余無線電領域，如對講機、汽車模型和無人機。

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)時間劃分為二維網格，那么在任何給定的時隙，將會使用不同的頻率子帶進行通信。跳頻模式的隨機性相當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專用于接收數據路徑，另一個專用于發(fā)送數據路徑，而以紅色方框中顯示的ADRV9002 PLL結構則比較獨特，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應用中支持跳頻的關鍵，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用。此外，可以在乒乓模式下使用兩個PLL，以滿足嚴格的跳頻時序要求。

圖2. 采用靈活的PLL設計的ADRV9002簡化示意框圖。

ADRV9002的四大跳頻特性

通過兩個PLL多路復用和PLL快速重新調諧實現(xiàn)特快速跳頻

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

圖3. 跳幀結構。

在較慢的跳頻模式下，如果頻率變化之間的轉換時間足夠長（比通道設置時間和所需的PLL調諧時間長），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重新調諧模式）。為了實現(xiàn)更快的跳頻和更短的轉換時間（比通道設置時間和所需的PLL調諧時間短），在器件中則可以使用兩個鎖相環(huán)（稱為兩個PLL多路復用模式）。兩個PLL以乒乓方式相互協(xié)調：當一個PLL用于當前頻率時，另一個PLL則重新調諧至下一個頻率。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換時間。表1總結了這兩種模式。

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，由用戶定義的轉換時間決定。

圖4進一步解釋了PLL多路復用模式概念。如前所述，每個時隙代表一個跳幀，它由一個轉換時間段和一個停留時間段組成。當一個PLL在停留時間內使用時，另一個PLL從同一跳幀的轉換時間開始時即開始進行調諧。它可以一直進行調諧，直到下一個跳幀的轉換時間段結束為止。所以，只要所需的PLL調諧時間比一次停留時間和兩次轉換時間的總和短，PLL多路復用模式就是成功的。

圖4. 用于快速跳頻的PLL多路復用模式。

PLL多路復用模式下的跳頻對軍事應用來說至關重要，例如Link 16。Link 16被認為是北大西洋公約組織(NATO)使用的最重要的戰(zhàn)術數據鏈路標準之一，它使用960 MHz至1.215 GHz射頻頻段的抗干擾高速數字數據鏈路。³通過在初始化時準確校準整個跳頻范圍，ADRV9002采用快速PLL重新調諧模式來滿足嚴格的時序要求。PLL重新調諧時間取決于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重新調諧時間。PLL參考時鐘速率為300 MHz時，快速PLL重新調諧時間約為15 μs。Link 16的跳幀長度為13 μs時，如果轉換時間大于2 μs，在使用PLL多路復用模式時使用15 μs的PLL重新調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重新調諧模式時

的PLL重新調諧時間

正如論文"在存在窄帶干擾的情況下，通過緩慢、平坦的Nakagami 衰減通道傳輸的JTIDS/Link 16型波形的性能分析"中所述，Link 16消息數據可以作為單脈沖或雙脈沖發(fā)送，具體由打包結構決定。單脈沖結構包含6.4 μs開啟時間和6.6 μs關閉時間，總持續(xù)時間為13 μs。雙脈沖結構由兩個單脈沖組成，它們傳輸相同的數據，但使用不同的載波頻率，如圖5所示。所以，轉換時間大致為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. 標準的Link 16雙脈沖結構。

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)的最短轉換時間，實驗未使用圖5中所示的標準Link 16脈沖結構，而是開啟時間從6.4 μs增加到11 μs，關閉時間從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，以進行觀察。上方的圖顯示功率與時間的關系。從圖中可以看出，每隔13 μs就會進行發(fā)送跳頻，連續(xù)發(fā)送跳幀之間的轉換時間大約為3 μs。下方的圖顯示頻率與時間的關系。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都具備出色的頻率精度。