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Teledyne e2v通過最新的微波數字轉換器推動無線電軟件化

發布時間:2020-06-04 來源:Teledyne e2v 責任編輯:wenwei

【導讀】過去的幾十年里,無線電技術標準、相關應用和互聯設備得到了爆炸式的發展,對數據帶寬和吞吐量的要求越來越高。據統計,45億因特網用戶和迅速發展的物聯網(IoT)變革對器件性能要求的年增長速度超過25%1,這是一個巨大的挑戰。當今,隨著在家辦公日益普及,地面和空間通訊的關鍵基礎設施已投入測試。
 
目前,關鍵的無線電頻段資源短缺,無法滿足需要。這意味著現代通訊網絡需要找到更明智的方式以保持數據的流通。一種有效的方式是分隔和重用寶貴的射頻頻段,最大化其利用率。在過去的幾年里,新建的基礎設置已開始考慮到未來的需要。
 
目前因特網流量的增長量超過25%(CAGR),2020年每月超過200EB(EB=1018字節或106TB),2022年預計達到每年4.2 ZB(數據來源:Cisco 2019)
 
本文將討論一些未來電子數據交換的核心技術。在軟件定義無線電/網絡(SDR/SDN)中,軟件技術是影響最大的因素。當今,業內普遍認為虛擬系統硬件以及將人工智能引入復雜的操作流程,可實現最高的系統效率、利用率和動態敏捷度。聽起來像是科幻小說?事實上,這種技術即將到來。
 
如今,無線網絡已經非常復雜,無法通過使用諸如設計時間服務計劃或簡單的通用設計等傳統的方法優化。人們需要更智能、更高級的技術:例如認知無線電(CR)——這種無線電能監測動態網絡行為,識別不同應用的需求,自動調整其物理層參數,使網絡性能和服務質量(QoS)最大化。在許多情況下,不同的應用共享相同的無線通道和頻段,難以同時滿足不同的QoS標準。現在使用的基本控制架構無法同時平衡關鍵的功能參數需求,包括延遲、吞吐量、可靠性和適應力。若是考慮到不同的通訊需求,如低/高數據率、時間關鍵/非時間關鍵信號等,則更加難以實現。
 
軟件化是一種可行的解決方案。軟件化做為一種相對較新的術語,是指利用算法解決之前由硬件解決的通信問題。為了實現軟件化,未來的系統會逐漸虛擬化和數字可控化。
 
軟件化如何影響網絡設計和規劃?有如下兩種情況:
 
•SDR:通過認知無線電技術,越來越多的應用可使用軟件實現調制、糾錯甚至載波頻率和通道帶寬,以滿足動態運行的需要。使用波束成型、相控陣天線以及快速載波跳頻可進一步增強SDR的性能。
•SDN:控制平面和數據平面的硬件互相解耦,控制集中化,并從具體應用中抽象出基礎設計。
 
邁向軟件化
 
歐盟地平線2020計劃預測了下一代因特網(NGI)的挑戰,并在2018年底發布了網絡世界2020討論文檔《NGI的智能網絡2》。這篇詳細的文檔討論了基于軟件化的下一代網絡建設的多種挑戰,特別是SDR和SDN。
 
這篇文檔概述了研究和發展的領域,并介紹了當今網絡基礎設施的情況。不出所料,今天工程師和大眾最熟知的挑戰是數據安全和個人隱私。考慮到物理網(IoT)對今天的工業4.0革命的影響,越來越多的設備通過網絡互連,服務規劃是另一個重要的挑戰。
 
系統越來越復雜,需支持數據量剪切和越來越大的容量,還有各種不同的通訊技術(無線標準、光學互連、衛星通訊)以及眾多的用戶和服務提供商。難怪現在我們期待新的人工智能和機器學習解決方案能將上述的需求一并滿足,這需要同時平衡集中和分散的數據方法,如同步進行云計算、霧計算和邊緣計算。
 
提高射頻敏捷度
 
Teledyne e2v是一家總部在法國格勒諾布爾的公司,專業從事微波技術的研發。早在第一款軍用雷達發明的時候,Teledyne e2v就涉足了微波的領域。70多年前,Teledyne e2v已開始設計行波管和閘流管系統。
 
無線電軟件化是什么?
 
無線電軟件化是通過應用算法實現可編程、可重復配置的無線電通信通道或系統。這些無線電可以使軟件定義無線電(SDR),甚至是認知無線電(CR),即能夠識別本地射頻環境并設置其物理層參數(載波頻率、調制模式等)以最大化頻譜容量利用率的無線電。
 
隨著過去10年數字電子技術的發展,出現了越來越多的復雜敏捷無線電系統和相關的應用,如即將到來的5G移動無線終端。但是,若不仔細規劃、設計網絡系統,則難以保證未來通訊系統的流暢度。關鍵的數據需要在機器和機器(M2M)之間交換,如自動售貨機網絡以及自動駕駛和交通管理系統等,使得系統對吞吐量和延遲的壓力越來越大。 
 
1995年,Teledyne e2v研發了第一代寬帶數據轉換器,包括模數轉換器和數模轉換器芯片(ADC和DAC),為提高射頻系統的敏捷度和靈活性做出了巨大貢獻。
 
這些器件支持高頻模擬射頻信號,并將其下變頻/上變頻至數字域。它們是數字控制射頻無線電系統的關鍵器件,可提高下一代通訊設施的控制靈活性。
 
軟件化或數字控制的本質
 
無線電通訊系統將載波頻率(通常是一個單音信號)和數據(信息)信號調制(或混合)。ADC采樣信號頻率,產生連續的數字信號流,然后數字信號處理器(DSP)將有用的信息從信號流中抽取出來。而DAC通常用于發射端,其產生定義的合成射頻信號譜,并將信號功率投射于特定的通道。
 
在當代的外差式無線電設計中,需使用一個或幾個中頻環節將信號能量向上或向下投射于無線電頻譜中,并轉換到轉換器的基帶頻率范圍。這些中頻需要混合電路和本振頻率振蕩器,帶來設置和校準的挑戰,并增加成本和設計復雜度。幸運的是,隨著半導體器件技術(例如晶體管躍遷和最大頻率)的高速發展,用戶可大大減少中頻模擬混頻器的環節和其本振的需求,直接在射頻信號頻段數字化。支持多奈奎斯特采樣的ADC可實現直接射頻轉換,提供精確的、無需混頻器的通道選擇(或調節)功能,并支持多種方便數字信號處理器實現的數字解碼和解調的模式。
 
系統發射端的情況也是類似的。現代的寬帶DAC可將信號能量投射在微波頻率,允許數字控制,為通訊設施提供可編程性和靈活性。這些智能、靈活的無線電包括動態可調整的物理層,便于處理短時通訊高峰或適配不同的工作模式。
 
Teledyne e2v通過最新的微波數字轉換器推動無線電軟件化
圖 1 - 簡化的接收端信號鏈路
a)  傳統的單級外差式無線電,需下混頻器 b) 利用ADC內部采樣信號混疊的直接轉換系統
  
利用數學增強現代通訊系統的敏捷度和靈活性
 
多年來,采樣定理、傅里葉變換和卷積等數學理論對通訊系統的發展做出了很大貢獻。當在無線電系統中應用數據轉換器時,用戶將得到更多的便利。
 
圖1中可明顯看出轉換器和數字信號處理對接收路徑的影響。 當代的外差式設計(圖1a)需要使用一個模擬下混頻器,將接收的信號轉換到ADC的第二奈奎斯特域。
 
而在直接射頻處理架構中(圖1b),ADC利用信號混疊直接實現第一級下變頻。在ADC之后的下變頻使用DSP內部的不同的數字控制振蕩器鎖定到特定的載波信號。
 
最終,這種先進的數字方法應用于高靈活性的接收系統中,用于處理多個通道,并由數字域變量定義(圖2)。這是一種簡單的優化認知無線電的方案。
 
Teledyne e2v通過最新的微波數字轉換器推動無線電軟件化
圖 2 - 在增強型SDR中,數字控制振蕩器可調節任何數量的獨立通道
 
接收端射頻欠采樣
 
在采樣系統里,奈奎斯特-香農采樣定理規定了模擬數字轉換器以采樣率2B采樣最大帶寬為B的信號時,可在數字域還原原始的信號。 通過使用帶通濾波器,則有可能使用欠采樣直接將超過帶寬限制的高奈奎斯特域的射頻信號下變頻至其基帶頻譜范圍(圖2)。欠采樣需使用ADC前端的采樣保持放大器(TH)。
 
TH的作用類似于可“折疊”射頻信號的頻率轉換器,在下面的例子里將20到22.5GHz的信號轉換到ADC的基帶(第一奈奎斯特域,即0到2.5GHz)。這去除了中頻生成的環節(如本振和中頻),極大地簡化了模擬信號路徑的設計(圖3)。
 
Teledyne e2v通過最新的微波數字轉換器推動無線電軟件化
3 - 接收端2.5 GHz帶寬信號(載波頻率21.25GHz)的TH欠采樣(fs = 5 GHz)
 
這是實現數字控制無線電設計的基本步驟,在先前的介紹6 Gsps ADC EV12AQ600的文章3里有詳細描述。這款ADC的寬帶TH支持K波段信號的欠采樣。
 
發射端多奈奎斯特域頻率合成
 
在發射端,傳統的外差式無線電的發射DAC通常在第一奈奎斯特域(NZ1)輸出信號功率,并通過低通濾波器濾除混疊信號功率。如果發射DAC(TxDAC)可提供足夠大的帶寬,能將信號功率延展到更高的奈奎斯特域呢?如圖4所示,這時,可使用帶通濾波器選擇目標信號頻段。
 
Teledyne e2v通過最新的微波數字轉換器推動無線電軟件化
圖 4 - 在NZ1產生的合成射頻信號,并混疊到更高的奈奎斯特域(fs = 6 GHz)
 
例如,EV12DS480 TxDAC可延展信號功率直到26.5GHz,并以8.5Gsps的采樣率采樣。
 
ADC欠采樣和DAC多奈奎斯特域頻率合成是射頻數字控制的兩個關鍵要素,也是Teledyne e2v進一步增強下一代無線電設計的目標。
 
KA波段創新的動力
 
歐盟地平線2020計劃推動的星際元器件工程,其目標是開發新的寬帶數據轉換器以簡化射頻信號鏈路并推進Ka波段直接轉換技術的發展。在這樣的愿景下,元器件需實現更高的系統集成度,即增加射頻通道密度、減少功耗、增加帶寬和提高動態性能,同時促進歐洲宇航業務的發展。我們預計這個工程將影響深遠,包括增強通訊基礎設施和地球觀測能力等。
 
星際工程也推動Teledyne e2v研發新的數據轉換器。Teledyne e2v正與星際工程密切合作,計劃研發一款全新的模擬前端(AFE)樣片。這款AFE能大幅擴展微波頻率采樣帶寬,實現最先進的微波直接數字下變頻和頻率合成。
 
樣片的目標電性能
 
• 高性能模擬采樣器,輸入帶寬高達Ka波段
• Ka波段較高的無雜散動態范圍(SFDR)
• 單端輸入的信號路徑(無需巴倫)
• 高編碼效率,ESIstream串行數字接口
• 強大的時鐘管理,包括同步鏈功能,可在波束成型應用
中實現簡單的相位對齊多通道系統
 
Teledyne e2v通過最新的微波數字轉換器推動無線電軟件化
圖 5 - 直接射頻轉換采樣器的樣片
 
Teledyne e2v計劃研發的直接射頻轉換采樣器(圖5)預計-3dB模擬輸入帶寬高達微波Ka波段(即在26.5到40GHz之間)。除了無與倫比的帶寬,這款樣片還將包括一些獨特的功能,便于簡單地應用于實際的系統中。
 
這些功能包括:
 
• 單端模擬輸入信號路徑,簡化印制板電路設計和布線
• 無需使用昂貴的、大體積的HF巴倫,可幫助用戶:
      o直接從微波數字采樣
o減少模擬信號采樣器的信號失真
•獨特的微波采樣器和低抖動時鐘管理
• 在模擬前端(AFE)的輸出端,這款器件沒有使用LVDS,而是使用許可證免費的ESIstream高速串行接口系統,與市場上大多數的FPGA兼容(包括Xilinx的KU60系列)。
 
星際工程也促進了下一代TxDAC的發展。EV12DD700擁有超過K波段的多奈奎斯特域的射頻性能。這款器件有多種用戶定義的輸出數據模式,包括一種特殊的“雙射頻”模式,與現有的DAC產品EV12DS480相比,極大地提升了信號輸出的能力。這款最新的轉換器的采樣率超過8Gsps,可靈活應用于各種數字控制系統。
 
模塊化全敏捷度微波SDR簡化設計
 
輸入信號路徑簡化
 
減少復雜微波射頻系統的串擾并降低EMI敏感度無疑是一個巨大的設計挑戰。因此,大多數的高端數據轉換器的信號和時鐘輸入使用差分平衡信號。這一方案非常有效,幾乎成了今天的設計標準。但是,差分電路設計的缺點有以下兩個方面:
 
• ADC的輸入通常都是單端源,比如通過同軸電纜傳遞到接收端的射頻天線信號。為了處理這種單端信號,需在每個輸入端(微波采樣器和ADC)增加一個巴倫并平衡系統阻抗。這些巴倫需占用PCB面積,并相當昂貴,特別是應用于Ka波段的設計時。
 
•處理差分設計中的高速時鐘邊沿需精確匹配PCB走線的長度,這極大地增加了設計的難度。而使用單端輸入可減少或消除接收機中這些環節累積的信號相位誤差。
 
增強的緊湊數據互聯
 
過去十年,數據互聯系統中的數據轉換器得到了快速的發展。越來越多的器件放棄了多路差分串行LVDS數據線配合獨立的數據時鐘的方案,轉向使用集成了時鐘的超高速接收機的串行鏈路。典型的接口包括JESD204的多代協議和許可證免費的ESIstream,這兩種接口都支持超過12Gbps的數據率。
 
使用串行協議,可以更方便地使用光纖物理層替代銅線,并進一步提高通道密度。在這些應用中,抽值和插值技術可幫助減少數據傳輸的線纜數量。
 
通過采樣時鐘精度保持信號相位信息
 
隨著采樣時鐘頻率的提高,必須保證整個系統中采樣邊沿的確定性,特別是對于波束成型微波無線電系統。信號采樣相位精度非常重要,因為它決定了整個系統(例如高精度合成孔徑EO雷達)的空間測量精確度。
 
Teledyne e2v的獨特的同步鏈技術4,5通過使用相對低速的脈沖沿將任意數量的轉換器鎖定到相同的高精度采樣時鐘,成功解決了這一由同步信號的亞穩態引起的挑戰。現在,用戶可以實現多個通道的并聯,無需煩惱如何保證多個分布式射頻系統(用于相控陣和MIMO應用等)的相位對齊。
 
總結——高密度模塊和天線更接近
 
這個項目的目的是顯著擴展采樣帶寬,提高寬帶產品系列的性能,以滿足星際項目和市場的需要。 將直接轉換技術應用于微波Ka波段確實非常重要并且極具挑戰。
 
之前的研究工作已經成功證明K波段直接轉換的可行性。需要指出,這一技術同樣可用于高可靠性的宇航應用,這些應用通常需較高的總劑量防輻射性能。
 
Teledyne e2v正著手解決所有的技術問題,預計在不遠的將來推出高靈活性數據轉換器片上系統(SiP)模塊。這些模塊包含多輸入/多輸出的ADC/DAC、微波采樣器和相關的時鐘管理電路,集成度很高,可放在離天線更近的地方。這樣,超寬帶CR將成為現實,高敏捷度無線電基礎設施(至少其物理層)的挑戰將得到解決。SDR將變成靈活SDN系統中的一個至關重要的部分。
 
 
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