目前，關(guān)鍵的無(wú)線(xiàn)電頻段資源短缺，無(wú)法滿(mǎn)足需要。這意味著(zhù)現代通訊網(wǎng)絡(luò )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(guò)去的幾年里，新建的基礎設置已開(kāi)始考慮到未來(lái)的需要。

 

目前因特網(wǎng)流量的增長(cháng)量超過(guò)25%(CAGR)，2020年每月超過(guò)200EB(EB=1018字節或106TB)，2022年預計達到每年4.2 ZB（數據來(lái)源:Cisco 2019)

 

本文將討論一些未來(lái)電子數據交換的核心技術(shù)。在軟件定義無(wú)線(xiàn)電/網(wǎng)絡(luò )（SDR/SDN）中，軟件技術(shù)是影響最大的因素。當今，業(yè)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(shí)現最高的系統效率、利用率和動(dòng)態(tài)敏捷度。聽(tīng)起來(lái)像是科幻小說(shuō)？事實(shí)上，這種技術(shù)即將到來(lái)。

 

如今，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)非常復雜，無(wú)法通過(guò)使用諸如設計時(shí)間服務(wù)計劃或簡(jiǎn)單的通用設計等傳統的方法優(yōu)化。人們需要更智能、更高級的技術(shù)：例如認知無(wú)線(xiàn)電(CR)——這種無(wú)線(xiàn)電能監測動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )行為，識別不同應用的需求，自動(dòng)調整其物理層參數，使網(wǎng)絡(luò )性能和服務(wù)質(zhì)量(QoS)最大化。在許多情況下，不同的應用共享相同的無(wú)線(xiàn)通道和頻段，難以同時(shí)滿(mǎn)足不同的QoS標準?，F在使用的基本控制架構無(wú)法同時(shí)平衡關(guān)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(shí)間關(guān)鍵/非時(shí)間關(guān)鍵信號等，則更加難以實(shí)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(shù)語(yǔ)，是指利用算法解決之前由硬件解決的通信問(wèn)題。為了實(shí)現軟件化，未來(lái)的系統會(huì )逐漸虛擬化和數字可控化。

 

軟件化如何影響網(wǎng)絡(luò )設計和規劃？有如下兩種情況：

 

•SDR：通過(guò)認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，越來(lái)越多的應用可使用軟件實(shí)現調制、糾錯甚至載波頻率和通道帶寬，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)運行的需要。使用波束成型、相控陣天線(xiàn)以及快速載波跳頻可進(jìn)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(xiàn)2020計劃預測了下一代因特網(wǎng)(NGI)的挑戰，并在2018年底發(fā)布了網(wǎng)絡(luò )世界2020討論文檔《NGI的智能網(wǎng)絡(luò )2》。這篇詳細的文檔討論了基于軟件化的下一代網(wǎng)絡(luò )建設的多種挑戰，特別是SDR和SDN。

 

這篇文檔概述了研究和發(fā)展的領(lǐng)域，并介紹了當今網(wǎng)絡(luò )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(gè)人隱私?？紤]到物理網(wǎng)(IoT)對今天的工業(yè)4.0革命的影響，越來(lái)越多的設備通過(guò)網(wǎng)絡(luò )互連，服務(wù)規劃是另一個(gè)重要的挑戰。

 

系統越來(lái)越復雜，需支持數據量剪切和越來(lái)越大的容量，還有各種不同的通訊技術(shù)（無(wú)線(xiàn)標準、光學(xué)互連、衛星通訊）以及眾多的用戶(hù)和服務(wù)提供商。難怪現在我們期待新的人工智能和機器學(xué)習解決方案能將上述的需求一并滿(mǎn)足，這需要同時(shí)平衡集中和分散的數據方法，如同步進(jìn)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(zhuān)業(yè)從事微波技術(shù)的研發(fā)。早在第一款軍用雷達發(fā)明的時(shí)候，Teledyne e2v就涉足了微波的領(lǐng)域。70多年前，Teledyne e2v已開(kāi)始設計行波管和閘流管系統。

 

無(wú)線(xiàn)電軟件化是什么？

 

無(wú)線(xiàn)電軟件化是通過(guò)應用算法實(shí)現可編程、可重復配置的無(wú)線(xiàn)電通信通道或系統。這些無(wú)線(xiàn)電可以使軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)，甚至是認知無(wú)線(xiàn)電(CR)，即能夠識別本地射頻環(huán)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(wú)線(xiàn)電。

 

隨著(zhù)過(guò)去10年數字電子技術(shù)的發(fā)展，出現了越來(lái)越多的復雜敏捷無(wú)線(xiàn)電系統和相關(guān)的應用，如即將到來(lái)的5G移動(dòng)無(wú)線(xiàn)終端。但是，若不仔細規劃、設計網(wǎng)絡(luò )系統，則難以保證未來(lái)通訊系統的流暢度。關(guān)鍵的數據需要在機器和機器(M2M)之間交換，如自動(dòng)售貨機網(wǎng)絡(luò )以及自動(dòng)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(lái)越大。 

 

1995年，Teledyne e2v研發(fā)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(wú)線(xiàn)電系統的關(guān)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(zhì)

 

無(wú)線(xiàn)電通訊系統將載波頻率（通常是一個(gè)單音信號）和數據（信息）信號調制（或混合）。ADC采樣信號頻率，產(chǎn)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(lái)。而DAC通常用于發(fā)射端，其產(chǎn)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(wú)線(xiàn)電設計中，需使用一個(gè)或幾個(gè)中頻環(huán)節將信號能量向上或向下投射于無(wú)線(xiàn)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(lái)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(zhù)半導體器件技術(shù)（例如晶體管躍遷和最大頻率）的高速發(fā)展，用戶(hù)可大大減少中頻模擬混頻器的環(huán)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(shí)現直接射頻轉換，提供精確的、無(wú)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(shí)現的數字解碼和解調的模式。

 

系統發(fā)射端的情況也是類(lèi)似的?，F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(wú)線(xiàn)電包括動(dòng)態(tài)可調整的物理層，便于處理短時(shí)通訊高峰或適配不同的工作模式。

 

圖 1 - 簡(jiǎn)化的接收端信號鏈路

a)  傳統的單級外差式無(wú)線(xiàn)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(xué)增強現代通訊系統的敏捷度和靈活性

 

多年來(lái)，采樣定理、傅里葉變換和卷積等數學(xué)理論對通訊系統的發(fā)展做出了很大貢獻。當在無(wú)線(xiàn)電系統中應用數據轉換器時(shí)，用戶(hù)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(gè)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(shí)現第一級下變頻。在A(yíng)DC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(jìn)的數字方法應用于高靈活性的接收系統中，用于處理多個(gè)通道，并由數字域變量定義（圖2）。這是一種簡(jiǎn)單的優(yōu)化認知無(wú)線(xiàn)電的方案。

 

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(shí)，可在數字域還原原始的信號。 通過(guò)使用帶通濾波器，則有可能使用欠采樣直接將超過(guò)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(lèi)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(huán)節（如本振和中頻），極大地簡(jiǎn)化了模擬信號路徑的設計（圖3）。

 

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(shí)現數字控制無(wú)線(xiàn)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(fā)射端多奈奎斯特域頻率合成

 

在發(fā)射端，傳統的外差式無(wú)線(xiàn)電的發(fā)射DAC通常在第一奈奎斯特域(NZ1)輸出信號功率，并通過(guò)低通濾波器濾除混疊信號功率。如果發(fā)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(shí)，可使用帶通濾波器選擇目標信號頻段。

 

圖 4 - 在NZ1產(chǎn)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(gè)關(guān)鍵要素，也是Teledyne e2v進(jìn)一步增強下一代無(wú)線(xiàn)電設計的目標。

 

KA波段創(chuàng )新的動(dòng)力

 

歐盟地平線(xiàn)2020計劃推動(dòng)的星際元器件工程，其目標是開(kāi)發(fā)新的寬帶數據轉換器以簡(jiǎn)化射頻信號鏈路并推進(jìn)Ka波段直接轉換技術(shù)的發(fā)展。在這樣的愿景下，元器件需實(shí)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(dòng)態(tài)性能，同時(shí)促進(jìn)歐洲宇航業(yè)務(wù)的發(fā)展。我們預計這個(gè)工程將影響深遠，包括增強通訊基礎設施和地球觀(guān)測能力等。

 

星際工程也推動(dòng)Teledyne e2v研發(fā)新的數據轉換器。Teledyne e2v正與星際工程密切合作，計劃研發(fā)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(shí)現最先進(jìn)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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)

• 單端輸入的信號路徑（無(wú)需巴倫）

• 高編碼效率，ESIstream串行數字接口

• 強大的時(shí)鐘管理，包括同步鏈功能，可在波束成型應用

中實(shí)現簡(jiǎn)單的相位對齊多通道系統

 

圖 5 - 直接射頻轉換采樣器的樣片

 

Teledyne e2v計劃研發(fā)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(wú)與倫比的帶寬，這款樣片還將包括一些獨特的功能，便于簡(jiǎn)單地應用于實(shí)際的系統中。

 

這些功能包括：

 

• 單端模擬輸入信號路徑，簡(jiǎn)化印制板電路設計和布線(xiàn)

• 無(wú)需使用昂貴的、大體積的HF巴倫，可幫助用戶(hù)：

      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(dòng)時(shí)鐘管理

• 在模擬前端(AFE)的輸出端，這款器件沒(méi)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(chǎng)上大多數的FPGA兼容（包括Xilinx的KU60系列）。

 

星際工程也促進(jìn)了下一代TxDAC的發(fā)展。EV12DD700擁有超過(guò)K波段的多奈奎斯特域的射頻性能。這款器件有多種用戶(hù)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(chǎn)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(guò)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(jiǎn)化設計

 

輸入信號路徑簡(jiǎn)化

 

減少復雜微波射頻系統的串擾并降低EMI敏感度無(wú)疑是一個(gè)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(shí)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(diǎn)有以下兩個(gè)方面：

 

• ADC的輸入通常都是單端源，比如通過(guò)同軸電纜傳遞到接收端的射頻天線(xiàn)信號。為了處理這種單端信號，需在每個(gè)輸入端（微波采樣器和ADC）增加一個(gè)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(shí)。

 

•處理差分設計中的高速時(shí)鐘邊沿需精確匹配PCB走線(xiàn)的長(cháng)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(huán)節累積的信號相位誤差。

 

增強的緊湊數據互聯(lián)

 

過(guò)去十年，數據互聯(lián)系統中的數據轉換器得到了快速的發(fā)展。越來(lái)越多的器件放棄了多路差分串行LVDS數據線(xiàn)配合獨立的數據時(shí)鐘的方案，轉向使用集成了時(shí)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(xié)議和許可證免費的ESIstream，這兩種接口都支持超過(guò)12Gbps的數據率。

 

使用串行協(xié)議，可以更方便地使用光纖物理層替代銅線(xiàn)，并進(jìn)一步提高通道密度。在這些應用中，抽值和插值技術(shù)可幫助減少數據傳輸的線(xiàn)纜數量。

 

通過(guò)采樣時(shí)鐘精度保持信號相位信息

 

隨著(zhù)采樣時(shí)鐘頻率的提高，必須保證整個(gè)系統中采樣邊沿的確定性，特別是對于波束成型微波無(wú)線(xiàn)電系統。信號采樣相位精度非常重要，因為它決定了整個(gè)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(shù)4,5通過(guò)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(shí)鐘，成功解決了這一由同步信號的亞穩態(tài)引起的挑戰?，F在，用戶(hù)可以實(shí)現多個(gè)通道的并聯(lián)，無(wú)需煩惱如何保證多個(gè)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(xiàn)更接近

 

這個(gè)項目的目的是顯著(zhù)擴展采樣帶寬，提高寬帶產(chǎn)品系列的性能，以滿(mǎn)足星際項目和市場(chǎng)的需要。 將直接轉換技術(shù)應用于微波Ka波段確實(shí)非常重要并且極具挑戰。

 

之前的研究工作已經(jīng)成功證明K波段直接轉換的可行性。需要指出，這一技術(shù)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(zhù)手解決所有的技術(shù)問(wèn)題，預計在不遠的將來(lái)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(guān)的時(shí)鐘管理電路，集成度很高，可放在離天線(xiàn)更近的地方。這樣，超寬帶CR將成為現實(shí)，高敏捷度無(wú)線(xiàn)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(gè)至關(guān)重要的部分。

 

 

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