muqian
，guanjiandewuxiandianpinduanziyuanduanque，wufamanzuxuyao。zheyiweizhexiandaitongxunwangluoxuyaozhaodaogengmingzhidefangshiyibaochishujudeliutong。yizhongyouxiaodefangshishifengehezhongyongbaoguide射頻頻段，最大化其利用率。在過去的幾年裏，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，業內普遍認為虛擬係統硬件以及將人工智能引入複雜的操作流程，可實現最高的係統效率、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，無線網絡已經非常複雜，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。現在使用的基本控製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。

 

ruanjianhuashiyizhongkexingdejiejuefangan。ruanjianhuazuoweiyizhongxiangduijiaoxindeshuyu，shizhiliyongsuanfajiejuezhiqianyouyingjianjiejuedetongxinwenti。weileshixianruanjianhua
，weilaidexitonghuizhujianxunihuaheshuzikekonghua。

 

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製、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：控製平麵和數據平麵的硬件互相解耦
，控製集中化，並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，並在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於軟件化的下一代網絡建設的多種挑戰，特別是SDR和SDN。

 

zhepianwendanggaishuleyanjiuhefazhandelingyu
，bingjieshaoledangjinwangluojichusheshideqingkuang。buchusuoliao，jintiangongchengshihedazhongzuishuzhidetiaozhanshishujuanquanhegerenyinsi。kaolvdaowuliwang(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。

 

係統越來越複雜
，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）yijizhongduodeyonghuhefuwutigongshang。nanguaixianzaiwomenqidaixinderengongzhinenghejiqixuexijiejuefangannengjiangshangshudexuqiuyibingmanzu
，zhexuyaotongshipinghengjizhonghefensandeshujufangfa，rutongbujinxingyunjisuan
、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係統。

 

無線電軟件化是什麼？

 

無線電軟件化是通過應用算法實現可編程、可重複配置的無線電通信通道或係統。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並設置其物理層參數（載波頻率、調製模式等）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
，出現了越來越多的複雜敏捷無線電係統和相關的應用
，如即將到來的5G移動無線終端。但是，若不仔細規劃、設計網絡係統，則難以保證未來通訊係統的流暢度。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係統等，使得係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)，為提高射頻係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，並將其下變頻/上變頻至數字域。它們是數字控製射頻無線電係統的關鍵器件，可提高下一代通訊設施的控製靈活性。

 

軟件化或數字控製的本質

 

無線電通訊係統將載波頻率（通常是一個單音信號）和數據（信息）信號調製（或混合）。ADC采樣信號頻率，產生連續的數字信號流，然後數字信號處理器(DSP)將有用的信息從信號流中抽取出來。而DAC通常用於發射端，其產生定義的合成射頻信號譜
，並將信號功率投射於特定的通道。

 

在(zai)當(dang)代(dai)的(de)外(wai)差(cha)式(shi)無(wu)線(xian)電(dian)設(she)計(ji)中(zhong)
，需(xu)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)或(huo)幾(ji)個(ge)中(zhong)頻(pin)環(huan)節(jie)將(jiang)信(xin)號(hao)能(neng)量(liang)向(xiang)上(shang)或(huo)向(xiang)下(xia)投(tou)射(she)於(yu)無(wu)線(xian)電(dian)頻(pin)譜(pu)中(zhong)，並(bing)轉(zhuan)換(huan)到(dao)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)基(ji)帶(dai)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)。這(zhe)些(xie)中(zhong)頻(pin)需(xu)要(yao)混(hun)合(he)電(dian)路(lu)和(he)本(ben)振(zhen)頻(pin)率(lv)振(zhen)蕩(dang)器(qi)，帶(dai)來(lai)設(she)置(zhi)和(he)校(xiao)準(zhun)的(de)挑(tiao)戰(zhan)，並(bing)增(zeng)加(jia)成(cheng)本(ben)和(he)設(she)計(ji)複(fu)雜(za)度(du)。幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)，隨(sui)著(zhe)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)技(ji)術(shu)（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，並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。

 

係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，允許數字控製，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，便於處理短時通訊高峰或適配不同的工作模式。

 

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係統

  

利用數學增強現代通訊係統的敏捷度和靈活性

 

多年來，采樣定理、傅裏葉變換和卷積等數學理論對通訊係統的發展做出了很大貢獻。當在無線電係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之後的下變頻使用DSP內部的不同的數字控製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於高靈活性的接收係統中，用於處理多個通道

，並由數字域變量定義（圖2）。這是一種簡單的優化認知無線電的方案。

 

圖 2 - 在增強型SDR中，數字控製振蕩器可調節任何數量的獨立通道

 

接收端射頻欠采樣

 

在采樣係統裏，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製的高奈奎斯特域的射頻信號下變頻至其基帶頻譜範圍（圖2）。欠采樣需使用ADC前端的采樣保持放大器(TH)。

 

TH的作用類似於可“折疊”射頻信號的頻率轉換器，在下麵的例子裏將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）。

 

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)

 

這是實現數字控製無線電設計的基本步驟
，在先前的介紹6 Gsps ADC EV12AQ600的文章3裏有詳細描述。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，並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。

 

圖 4 - 在NZ1產生的合成射頻信號，並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，並以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製的兩個關鍵要素，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並推進Ka波段直接轉換技術的發展。在這樣的願景下
，元器件需實現更高的係統集成度，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範圍(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

• 強大的時鍾管理
，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係統

 

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


，便於簡單地應用於實際的係統中。

 

這些功能包括：

 

• 單端模擬輸入信號路徑
，簡化印製板電路設計和布線

• 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鍾管理

• 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高速串行接口係統
，與市場上大多數的FPGA兼容（包括Xilinx的KU60係列）。

 

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

，可靈活應用於各種數字控製係統。

 

模塊化全敏捷度微波SDR簡化設計

 

輸入信號路徑簡化

 

減少複雜微波射頻係統的串擾並降低EMI敏(min)感(gan)度(du)無(wu)疑(yi)是(shi)一(yi)個(ge)巨(ju)大(da)的(de)設(she)計(ji)挑(tiao)戰(zhan)。因(yin)此(ci)
，大(da)多(duo)數(shu)的(de)高(gao)端(duan)數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)信(xin)號(hao)和(he)時(shi)鍾(zhong)輸(shu)入(ru)使(shi)用(yong)差(cha)分(fen)平(ping)衡(heng)信(xin)號(hao)。這(zhe)一(yi)方(fang)案(an)非(fei)常(chang)有(you)效(xiao)，幾(ji)乎(hu)成(cheng)了(le)今(jin)天(tian)的(de)設(she)計(ji)標(biao)準(zhun)。但(dan)是(shi)，差(cha)分(fen)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)的(de)缺(que)點(dian)有(you)以(yi)下(xia)兩(liang)個(ge)方(fang)麵(mian)：

 

• 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）增加一個巴倫並平衡係統阻抗。這些巴倫需占用PCB麵積，並相當昂貴，特別是應用於Ka波段的設計時。

 

•處理差分設計中的高速時鍾邊沿需精確匹配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，數據互聯係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鍾的方案
，轉向使用集成了時鍾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。

 

shiyongchuanxingxieyi，keyigengfangbiandishiyongguangxianwulicengtidaitongxian，bingjinyibutigaotongdaomidu。zaizhexieyingyongzhong，chouzhihechazhijishukebangzhujianshaoshujuchuanshudexianlanshuliang。

 

通過采樣時鍾精度保持信號相位信息

 

隨(sui)著(zhe)采(cai)樣(yang)時(shi)鍾(zhong)頻(pin)率(lv)的(de)提(ti)高(gao)，必(bi)須(xu)保(bao)證(zheng)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)中(zhong)采(cai)樣(yang)邊(bian)沿(yan)的(de)確(que)定(ding)性(xing)，特(te)別(bie)是(shi)對(dui)於(yu)波(bo)束(shu)成(cheng)型(xing)微(wei)波(bo)無(wu)線(xian)電(dian)係(xi)統(tong)。信(xin)號(hao)采(cai)樣(yang)相(xiang)位(wei)精(jing)度(du)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，因(yin)為(wei)它(ta)決(jue)定(ding)了(le)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)（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tong過guo使shi用yong相xiang對dui低di速su的de脈mai衝chong沿yan將jiang任ren意yi數shu量liang的de轉zhuan換huan器qi鎖suo定ding到dao相xiang同tong的de高gao精jing度du采cai樣yang時shi鍾zhong
，成cheng功gong解jie決jue了le這zhe一yi由you同tong步bu信xin號hao的de亞ya穩wen態tai引yin起qi的de挑tiao戰zhan。現xian在zai，用yong戶hu可ke以yi實shi現xian多duo個ge通tong道dao的de並bing聯lian，無wu需xu煩fan惱nao如ru何he保bao證zheng多duo個ge分fen布bu式shi射she頻pin係xi統tong（用於相控陣和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，提高寬帶產品係列的性能，以滿足星際項目和市場的需要。 將直接轉換技術應用於微波Ka波段確實非常重要並且極具挑戰。

 

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
，這一技術同樣可用於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係統(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鍾管理電路
，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係統中的一個至關重要的部分。

 

 

推薦閱讀：