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RF转换器如何使得宽带无线电成为可能?

来源::网络整理 | 作者:管理员 | 本文已影响

能够直接合成无线电频率范围内信号的转换器(RF转换器)已经成熟,常规无线电设计将因此发生变革。由于能够数字化并合成高达2 GHz到3 GHz的瞬时信号带宽,RF 转换器现在可以兑现提供真正宽带无线电的承诺,无线电设计人员得以大幅简化硬件设计,并很好的支持软件可重复配置的能力,这对于常规无线电设计来说是不可能实现的。

今天的文章我们就探讨 RF 转换器技术的进步如何使得新型数据采集系统和宽带无线电成为可能,并讨论软件配置的可行性。

每位无线电设计人员都要面对这样一个设计取舍的问题,即需要权衡信号带宽内的性能与功耗。无线电设计人员如何满足这一约束决定了无线电的尺寸和重量,并从根本上影响无线电的位置,包括建筑物、塔楼、电线杆、地下车辆、包裹、口袋、耳朵或眼镜。每个无线电位置都有一个与其位置相称的可用功率量。例如,建筑物或塔楼上的可用功率很可能高于口袋中的智能手机或耳内的蓝牙耳机提供的功率。所有情况下都存在一个基本事实:无线电需要的功率越小,并且单位功率所能支持的吞吐量越大,则无线电尺寸越小,重量越轻。这个事实影响巨大,多年来一直是通信电子行业中很多创新背后的推动力。

RF转换器如何使得宽带无线电成为可能?

图1. RF转换器支持宽带无线电提供视频流和游戏等需要大量数据的服务。

半导体公司将更多的功能和更高的性能集成到相同或更小尺寸的器件中,使用此类器件的设备得以实现更小、更多功能或更轻(某些情况下这三者都能得到实现)的承诺。设备越小、越轻、功能越多则越好,这样就可以把设备放置在以前由于其他约束而不能放的位置。例如,原先需要建筑物,现在由于占地面积减小,设备可以放在塔楼上;原先放在塔楼上的无线电单元,如果重量足够轻,就可以缩小成放在电线柱上的单元;原先因为较重而需要车辆携带的单元,现在可以放在一个背包中。

当今的环境充斥着各种需要放在建筑物、塔楼、柱子和车辆上的传统装置。出于世界各地人们彼此互联的需求,工程师们利用当时可用的器件设计设备以应对挑战,这才有了我们今天通信无处不在的环境。我们可以随时随地通过多种不同网络(包括移动网络、无线局域网、特设短距离无线网络等)进行通话、发消息、即时通讯、传照片、下载、上传和浏览。所有这些都连接到宽带有线网络,数据由RF电缆传输,最终通过光纤传输。

增强的视频体验

多项研究表明,对数据的需求预计会在未来十年持续增长。其驱动力是人们对数据更丰富的内容的似乎无止境的需求,因而需要更宽的带宽。例如,有线电视和光纤到户运营商通过提供更高速度的连接和更多高清电视频道,不断在家庭宽带服务方面展开竞争。超高清(UHD或4k清晰度)电视需要的容量是高清电视的两倍以上,通道带宽需求超过当今使用的带宽。

此外,包括虚拟现实 (VR) 在内的沉浸式视频,以及具有多维自由度的游戏和3D效果(180°或全景视觉等),全部使用4k超高清电视,每用户需要高达1 Gb的带宽,这远远超出了简单的4k UHD电视广播和流媒体已然很苛刻的要求。在线游戏需要网络提供对称的数据带宽,因为延迟时间至关重要,这推动了更宽带宽上行传输能力的发展。这种对更宽上行能力的需求反过来又促使设备制造商升级其设计,以实现对称的宽带宽传输。

当今RF转换器强大的功能对于推动传输如此丰富视频内容的进步至关重要。必须能够提供大动态信号的输出,同时要求具有优秀的杂散性能,从而支持使用256-QAM、1024-QAM和4k-QAM等更高阶的调制方案。已安装的同轴电缆设备和分配放大器具有1.2 GHz至1.7 GHz的有限带宽,为了提高每个通道的频谱效率,必须使用上述更高阶的调制方法。前端传输设备的更高性能可延长已安装设备群的使用寿命,缓解资本预算限制,以及支持向多家服 务运营商 (MSO) 提供更长时间窗口来升级其设备和传输系统。

多频段、多模式测试

随着集成的功能越来越多,如今的智能手机与传统手机已相去甚远。许多功能都有与之相关联的无线电,因此,当前的移动设备中可能有五到七个甚至更多的频段。生产智能手机时,每种无线电都必须进行测试,这给多模式通信测试仪制造商带来了新的挑战。尽管测试量随着无线电数量的增加而增加,但仍需要快速测试以降低测试成本。考虑到测试仪的尺寸和成本,为移动设备中的每个无线电构建不同的无线电硬件变得不切实际。随着更多的频段开放或被提议用于移动服务,测试移动设备中越来越多的无线电的挑战难度在加大。

RF 转换器可以很好地应对这一挑战。无论是发射机还是接收机,RF 转换器均能提供常规无线电无法实现的灵活性。宽带 RF 转换器可以同时捕捉并直接合成每个频段中的信号,从而支持同时测试移动设备中的多个无线电。利用RF DAC和RF ADC内置的通道选择器,多个无线电信号可以在转换器中得到高效处理。例如,图2中显示每个RF DAC有3个子通道处理单元,可以将三个频段不同的信号合路,然后利用数字控制振荡器 (NCO) 进行数字上变频,再由RF DAC转换为RF信号。

RF转换器如何使得宽带无线电成为可能?

图2. 带通道选择器的RF DAC示例

在其他市场领域,例如针对航空航天和防务市场的测试设备,对用于脉冲雷达和军用通信的宽带测试解决方案的需求日益增加。由于需要测试的雷达、电子情报、电子战设备和通信设备的数量与类型众多,测试设备制造商必须制造出一种具有丰富特性组合的灵活仪器。例如,任意波形发生器必须能够创建各种信号,包括线性频率调制脉冲信号、相位相干信号以及各种输出频率和带宽的调制信号。测量设备必须同样强大,以便在测试激励器或发射器时能接收这些信号。RF转换器支持直接RF合成和RF频率下的测量,可以很好地服务于此类应用。在某些情况下,这可以消除上变频或下变频的需求,而在其他情况下,减少变频次数。硬件得以简化,尺寸、重量和功耗要求得以降低。增加通道选择器、内插器、NCO和合成器等数字特性,可在专用低功耗 CMOS技术上实现高效信号处理。

软件定义无线电

RF转换器是软件定义无线电的关键因素之一。RF转换器能够直接合成和捕获几个GHz 带宽内的无线电频率,以数字方式实现上变频或下变频功能,这样整个上变频或下变频级都不再需要,无线电架构得以简化。去掉模拟变频级和相关混频器、LO合成器、滤波器,可减小无线电的尺寸、重量和功耗 (SWaP),使无线电能够适应更多的应用场景,并可使用更小的电源供电。这种技术使得无线电小巧轻便,足以手持、车载或安装在飞机、直升机、无人机 (UAV) 等各种机载资产中。

RF转换器如何使得宽带无线电成为可能?

图3. RF转换器驱动的软件定义无线电支持跨平台互连通信


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