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The Next-Gen, Software-Defined Radio (SDR) Transceiver Delivers Big Advances in Frequency Hopping (FH) 作者：Mizhou (Michelle) Tan，ADI 公司RF產(chǎn)品應用工程師 摘要 本文深入探討了跳頻(FH)的概念，以及如何通過(guò)靈活設計ADRV9002 SDR收發(fā)器的鎖相環(huán)(PLL)架構來(lái)實(shí)現四大跳頻特性。這些特性可為用戶(hù)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(shí)時(shí)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(shù)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(mǎn)足當今復雜通信系統中的更高要求。 簡(jiǎn)介 與傳統的無(wú)線(xiàn)電通信不同，跳頻(FH)定義了一種通過(guò)快速改變載波頻率1來(lái)發(fā)送無(wú)線(xiàn)電信號的方法，Nikola Tesla在1903年的美國專(zhuān)利“信號傳輸方法”中首次提到了這種方法。后來(lái)，在1942年，女演員Hedy Lamarr和作曲家George Antheil進(jìn)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(gè)頻率之間切換，以防止魚(yú)雷的無(wú)線(xiàn)電控制受到干擾。一百多年來(lái)，從第一次世界大戰中固定指揮點(diǎn)之間的非實(shí)時(shí)、低速通信，到當代飛機、艦船和陸地系統之間的實(shí)時(shí)、高速多媒體通信，跳頻在軍事領(lǐng)域的應用已進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。此外，跳頻已廣泛應用于許多無(wú)線(xiàn)個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò )，如藍牙®個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)，以及消費電子和業(yè)余無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域，如對講機、汽車(chē)模型和無(wú)人機。 什么是跳頻？ 跳頻的概念如圖1所示。如果將整個(gè)頻帶和持續時(shí)間劃分為二維網(wǎng)格，那么在任何給定的時(shí)隙，將會(huì )使用不同的頻率子帶進(jìn)行通信。跳頻模式的隨機性相當于增加了另一個(gè)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，可以和其他傳統通信共享帶寬，實(shí)現更高的頻譜效率。隨著(zhù)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(jìn)的系統功能，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(xué)和醫療(ISM)頻帶和蜂窩頻段�？梢灾С终瓗�(kHz)和不超過(guò)40 MHz的寬帶操作。圖2顯示了ADRV9002的簡(jiǎn)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(gè)PLL專(zhuān)用于接收數據路徑，另一個(gè)專(zhuān)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(gè)RF PLL，并且可以選擇將兩個(gè)PLL提供給任何接收器或發(fā)送器使用，兩個(gè)一起用或一個(gè)都不用。這種靈活性是在各種TDD應用中支持跳頻的關(guān)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(gè)PLL，以滿(mǎn)足嚴格的跳頻時(shí)序要求。 ADRV9002的四大跳頻特性 通過(guò)兩個(gè)PLL多路復用和PLL快速重新調諧實(shí)現特快速跳頻 跳頻是通過(guò)在切換到不同頻率之前重新調諧PLL來(lái)實(shí)現的。ADRV9002根據PLL的使用情況提供不同的跳頻模式。2圖1中的每個(gè)時(shí)隙代表一個(gè)跳幀，可以分為一個(gè)轉換時(shí)間段和一個(gè)停留時(shí)間段，如圖3所示。
圖2.采用靈活的PLL設計的ADRV9002簡(jiǎn)化示意框圖
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(shí)間足夠長(cháng)（比通道設置時(shí)間和所需的PLL調諧時(shí)間長(cháng)），則TDD操作中的一對發(fā)送和接收通道只需要一個(gè)PLL（稱(chēng)為一個(gè)PLL重新調諧模式）。為了實(shí)現更快的跳頻和更短的轉換時(shí)間（比通道設置時(shí)間和所需的PLL調諧時(shí)間短），在器件中則可以使用兩個(gè)鎖相環(huán)（稱(chēng)為兩個(gè)PLL多路復用模式）。兩個(gè)PLL以乒乓方式相互協(xié)調：當一個(gè)PLL用于當前頻率時(shí)，另一個(gè)PLL則重新調諧至下一個(gè)頻率。這樣就可以實(shí)現快速跳頻，從而大大縮短不同頻率變化之間所需的轉換時(shí)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(hù)定義的轉換時(shí)間決定。 圖4進(jìn)一步解釋了PLL多路復用模式概念。如前所述，每個(gè)時(shí)隙代表一個(gè)跳幀，它由一個(gè)轉換時(shí)間段和一個(gè)停留時(shí)間段組成。當一個(gè)PLL在停留時(shí)間內使用時(shí)，另一個(gè)PLL從同一跳幀的轉換時(shí)間開(kāi)始時(shí)即開(kāi)始進(jìn)行調諧。它可以一直進(jìn)行調諧，直到下一個(gè)跳幀的轉換時(shí)間段結束為止。所以，只要所需的PLL調諧時(shí)間比一次停留時(shí)間和兩次轉換時(shí)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(lái)說(shuō)至關(guān)重要，例如Link 16。Link 16被認為是北大西洋公約組織(NATO)使用的最重要的戰術(shù)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(guò)在初始化時(shí)準確校準整個(gè)跳頻范圍，ADRV9002采用快速PLL重新調諧模式來(lái)滿(mǎn)足嚴格的時(shí)序要求。PLL重新調諧時(shí)間取決于A(yíng)DRV9002 PLL參考時(shí)鐘速率。表2顯示在不同的PLL參考時(shí)鐘速率下所需的快速PLL重新調諧時(shí)間。PLL參考時(shí)鐘速率為300 MHz時(shí)，快速PLL重新調諧時(shí)間約為15 μs。Link 16的跳幀長(cháng)度為13 μs時(shí)，如果轉換時(shí)間大于2 μs，在使用PLL多路復用模式時(shí)使用15 μs的PLL重新調諧時(shí)間即可滿(mǎn)足時(shí)序要求，具體如表1所示。 表2.使用快速PLL重新調諧模式時(shí)的PLL重新調諧時(shí)間
正如論文“在存在窄帶干擾的情況下，通過(guò)緩慢、平坦的Nakagami 衰減通道傳輸的JTIDS/Link 16型波形的性能分析”3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(kāi)啟時(shí)間和6.6 μs關(guān)閉時(shí)間，總持續時(shí)間為13 μs。雙脈沖結構由兩個(gè)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(shí)間大致為6.6 μs (>2 μs)，因此使用ADRV9002實(shí)現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(shí)間以及頻率與時(shí)間之間的關(guān)系），采用Link 16型跳幀（為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，僅使用發(fā)送跳頻）。注意，為了顯示ADRV9002可實(shí)現的最短轉換時(shí)間，實(shí)驗未使用圖5中所示的標準Link 16脈沖結構，而是開(kāi)啟時(shí)間從6.4 μs增加到11 μs，關(guān)閉時(shí)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(jìn)行觀(guān)察。上方的圖顯示功率與時(shí)間的關(guān)系。從圖中可以看出，每隔13 μs就會(huì )進(jìn)行發(fā)送跳頻，連續發(fā)送跳幀之間的轉換時(shí)間大約為3 μs。下方的圖顯示頻率與時(shí)間的關(guān)系。在這個(gè)實(shí)驗中，發(fā)送載波頻率以1 MHz的步長(cháng)在四個(gè)不同的頻率之間循環(huán)。正如預期的一樣，下方的圖證實(shí)了發(fā)送輸出也以1 MHz的步長(cháng)在四個(gè)不同的頻率之間循環(huán)，并且在整個(gè)停留時(shí)間段內都具備出色的頻率精度。
圖6.Link 16 Tx跳頻的發(fā)送輸出 通過(guò)使用更先進(jìn)的測試設備（例如Keysight E5052B和R&S FSWP）可以進(jìn)一步測量Link 16跳頻的頻率精度。在表3所示的測量示例中，發(fā)送載波頻率在400 MHz、400.1 MHz、400.2 MHz和400.3 MHz時(shí)跳頻。發(fā)送輸入信號也相應的同步變換頻率從而使所有跳幀生成400 MHz的頻率輸出。測量持續時(shí)間設置為100 μs，其中包括7個(gè)完整的跳幀。每隔128 ns測量一次頻率�？梢钥闯�，在停留時(shí)間開(kāi)始時(shí)，PLL已經(jīng)完全鎖定。停留時(shí)間期間的頻率誤差取決于相位噪聲性能。表3顯示這7個(gè)連續跳幀的平均、最大和最小頻率偏移（輸出頻率和400 MHz之間的絕對差值）性能。在大多數幀中，平均頻率誤差低于1 ppm。數十次實(shí)驗顯示出同樣的結果。注意，測量值可能因設備和測試配置而異。 表3.Link 16跳頻的頻率精度性能
ADRV9002還提供了用戶(hù)微調PLL環(huán)路濾波器帶寬的能力。當PLL環(huán)路濾波器帶寬配置為1200 kHz時(shí)，可以實(shí)現表3所示的性能。較大的PLL濾波器帶寬可以減少PLL重新調諧時(shí)間，確保在停留時(shí)間開(kāi)始前PLL完全鎖定。建議用戶(hù)進(jìn)一步評估其應用中所需的相位噪聲性能來(lái)選擇最合適的環(huán)路濾波器帶寬。 使用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的方式加載高達128個(gè)不同頻率的跳頻表 ADRV9002針對所有跳頻模式使用跳頻表概念。2跳頻表中的每一項包含了跳幀的頻率和其他操作參數。跳頻表可以是靜態(tài)加載的，這表示它在初始化期間加載，之后不允許即時(shí)更改。它也可以是動(dòng)態(tài)加載的，即在執行跳頻期間加載；在這種情況下，用戶(hù)可以即時(shí)更改表的內容。此外，還使用了類(lèi)似乒乓的概念，因此用戶(hù)可以選擇性地加載兩個(gè)不同的表，每個(gè)表包含最少1個(gè)、最多64個(gè)項。在一個(gè)表用于當前跳幀時(shí)，加載另一個(gè)表，準備用于下一個(gè)跳幀。每個(gè)項都會(huì )通知ADRV9002關(guān)于某個(gè)跳幀的配置�？梢酝ㄟ^(guò)自動(dòng)遞增索引方式（如果是兩個(gè)跳頻表，則是從第一個(gè)表的第一項開(kāi)始，到第二個(gè)表的最后一項，然后重新回到第一個(gè)表的第一項，如果是一個(gè)跳頻表，則是連續循環(huán)），或通過(guò)數字GPIO指示的特定項對跳頻表進(jìn)行隨時(shí)索引。 圖7顯示跳頻表A和B，每個(gè)包含N個(gè)項(1 ≤ N ≤ 64)。表中的每個(gè)項包含4個(gè)重要參數：跳頻、中頻（僅用于接收IF模式）、接收增益表的索引，以及發(fā)送衰減。在TDD操作中，用戶(hù)必須通過(guò)專(zhuān)用的通道設置信號（每個(gè)發(fā)送通道一個(gè)，每個(gè)接收通道一個(gè)）來(lái)通知ADRV9002為每個(gè)跳幀啟用了哪個(gè)通道（發(fā)送或接收）。所以，盡管跳頻表中的每個(gè)項都同時(shí)包含接收和發(fā)送參數，但只會(huì )使用相關(guān)參數。
圖7.ADRV9002跳頻表內容和索引方法 在進(jìn)一步探討如何在跳頻模式中使用跳頻表之前，需要先了解ADRV9002和基帶集成電路(BBIC)之間的大體的通信方式。 如圖8所示，BBIC作為跳頻操作的主要部分，會(huì )設置跳頻模式、通道設置信號（Rx1_ENBALE、Rx2_ENABLE、Tx1_ENABLE和Tx2_ENABLE）、HOP信號（HOP1和HOP2），以及靜態(tài)或動(dòng)態(tài)跳頻表（包含跳頻、接收IF頻率、接收增益表的索引和發(fā)送衰減）。BBIC通過(guò)SPI接口或DGPIO與ADRV9002通信。ADRV9002作為一個(gè)節點(diǎn)接收來(lái)自BBIC的信號，然后相應地配置數據路徑和LO進(jìn)行跳頻。 圖9所示為一個(gè)動(dòng)態(tài)表示例，每個(gè)跳頻表A和B僅加載一個(gè)頻率。這是一種極端情況，允許用戶(hù)即時(shí)更改每個(gè)幀的跳頻。本示例使用PLL多路復用模式。如圖8所示，跳頻信號的上升沿和下降沿定義跳幀的時(shí)序邊界，如之前所述，每個(gè)跳幀由轉換時(shí)間和停留時(shí)間組成。通道設置信號上升沿定義一個(gè)幀延遲（在PLL多路復用模式下，這種延遲是必要的）之后的跳幀類(lèi)型。
圖8. ADRV9002和BBIC如何在跳頻期間互相通信的大概框圖 注意，通道設置信號既可以表示發(fā)送設置信號，也可以表示接收設置信號。圖9顯示了該信號的簡(jiǎn)化版本示意圖。由于TDD操作同時(shí)涉及發(fā)送和接收，用戶(hù)需要分別配置發(fā)送設置信號和接收設置信號。除了指示跳幀類(lèi)型，通道設置信號還可以用來(lái)觸發(fā)BBIC進(jìn)行跳頻表加載。跳頻表加載應在通道設置信號下降沿之后的那個(gè)跳頻信號沿之前完成，然后PLL在同一跳頻信號邊沿開(kāi)始調諧到該頻率，并為由下一個(gè)跳頻邊沿指示的下一個(gè)跳幀做好準備。表A和表B以乒乓模式運行，這樣加載完成后，一個(gè)表的頻率用來(lái)進(jìn)行跳頻操作，同時(shí)對另一個(gè)表的頻率實(shí)施調諧。
圖9.在PLL多路復用模式下，動(dòng)態(tài)的使用跳頻表加載一個(gè)頻率的示例 圖10顯示通過(guò)動(dòng)態(tài)方式使跳頻表每次加載4個(gè)項和8個(gè)項時(shí)發(fā)送輸出頻率與時(shí)間之間的關(guān)系。發(fā)送輸入具有0 kHz、–100 kHz、–200 kHz和–300 kHz頻率的4個(gè)幀，并通過(guò)連續循環(huán)這些幀將其饋送到ADRV9002。它與跳幀完全匹配和同步，所以0 kHz輸入幀對應3.1 GHz LO。跳頻期間，當LO變更為下一頻率，發(fā)送輸入頻率也變更為下一頻率。 在執行跳頻時(shí)，動(dòng)態(tài)加載表A和表B（為了簡(jiǎn)化和便于觀(guān)察，每次加載時(shí)表內容不改變）。對于每次加載4項，在3.1 GHz輸出頻率會(huì )看到四個(gè)連續的發(fā)送輸出幀，然后在3.1004 GHz輸出頻率也會(huì )看到四個(gè)連續的發(fā)送輸出幀，然后以這種模式循環(huán)往復。對于每次加載8項，在3.1 GHz輸出頻率會(huì )看到四個(gè)連續的發(fā)送輸出幀，在3.1004 GHz輸出頻率4個(gè)連續幀，在3.1008 Hz輸出頻率四個(gè)連續幀，以及3.1012 GHz輸出頻率四個(gè)連續幀，然后以這種模式循環(huán)往復。圖8所示的發(fā)送輸出證實(shí)動(dòng)態(tài)表加載操作如預期完全一致。 使用雙通道來(lái)實(shí)現通道分集與通道多路復用 如圖2所示，ADRV9002支持發(fā)送和接收雙通道�？梢詫蓚�(gè)通道應用跳頻，以實(shí)現通道分集或通道多路復用。 要實(shí)現分集，需使用同樣的PLL（一個(gè)或兩個(gè)）、同樣的跳頻表和TDD時(shí)序配置使兩個(gè)通道同時(shí)跳頻。用戶(hù)可以啟用ADRV9002提供的MCS功能，確保同一個(gè)或不同ADRV9002器件上的多個(gè)通道彼此完全同步，以保證確定性延遲。還可以通過(guò)MCS實(shí)現相位同步，但必須在每次PLL重新調諧頻率時(shí)執行相應操作。通過(guò)MCS，實(shí)現了多個(gè)通道在跳頻期間的同步，使ADRV9002成為對涉及跳頻的MIMO分集應用來(lái)說(shuō)非常有吸引力的解決方案。了解在跳頻期間使用MCS的要求和限制的更多詳細信息，請參閱ADRV9001系統開(kāi)發(fā)用戶(hù)指南。2 對于通道多路復用，每對發(fā)送和接受通道使用一個(gè)PLL，彼此獨立地執行跳頻。其中一個(gè)限制是特快跳頻（要求為一個(gè)發(fā)送和接收通道對配備兩個(gè)PLL）無(wú)法用于使一個(gè)ADRV9002器件的兩對通道進(jìn)行多路復用。 除了2T2R模式，還值得一提的是：ADRV9002還支持1T2R和2T1R的跳頻操作，因而可以更靈活地滿(mǎn)足用戶(hù)的特定要求。 支持跳頻與DPD操作同時(shí)進(jìn)行 ADRV9002還支持窄帶和寬帶應用的DPD操作。它在實(shí)現符合標準的相鄰通道功率泄漏比(ACPR)性能的同時(shí)，修正功率放大器(PA)的非線(xiàn)性，從而顯著(zhù)提高功率放大器的效率。 ADRV9002的一個(gè)高級功能是DPD可以和跳頻一起執行。在這種情況下，ADRV9002允許用戶(hù)配置多達8個(gè)頻率區域，而DPD算法為每個(gè)頻率區域創(chuàng )建一個(gè)優(yōu)化解決方案。針對每個(gè)區域，DPD解決方案作為一組系數，可以分別在傳輸開(kāi)始和結束時(shí)進(jìn)行存儲和加載。這可以確保在整個(gè)跳頻范圍內保持PA線(xiàn)性度。 由于DPD是一個(gè)自適應濾波過(guò)程，必須周期性地捕獲一組樣本進(jìn)行系數計算，因此跳幀長(cháng)度需要足夠長(cháng)才能滿(mǎn)足DPD捕獲長(cháng)度要求。但是，如果用戶(hù)只使用初始加載的DPD系數，無(wú)需進(jìn)行DPD更新，則不存在這種限制。 ADRV9002的跟蹤校準通常不會(huì )在快速跳頻期間進(jìn)行。但是，會(huì )根據用戶(hù)的跳頻配置，基于多個(gè)頻率區域執行初始校準，以實(shí)現最佳性能。 使用ADRV9002收發(fā)器評估軟件(TES)進(jìn)行跳頻性能評估 用戶(hù)可以通過(guò)ADRV9002 TES軟件在評估板上充分測試跳頻性能。TES支持Xilinx® ZC706和ZCU102 FPGA評估板。2如圖11所示，可以輕松使用跳頻配置頁(yè)面來(lái)配置跳頻參數，包括跳頻操作模式、跳頻表、GPIO設置和TDD時(shí)序等。TES內置FPGA同步功能，因此用戶(hù)能夠準確控制TDD時(shí)序，確保發(fā)送或接收幀能完全與跳幀同步。TES中還提供許多跳頻示例，供用戶(hù)進(jìn)一步分析研究。
圖10.用動(dòng)態(tài)加載跳頻表的方法每次載入4項和8項的跳頻結果比較
圖11.通過(guò)TES配置跳頻 結論 跳頻是下一代SDR收發(fā)器ADRV9002的先進(jìn)系統特性之一。ADRV9002使用兩個(gè)PLL、多種跳頻模式，以及通過(guò)靈活加載和索引跳頻表的方法，為用戶(hù)提供出色的跳頻能力，以便應對各種應用并滿(mǎn)足更高系統要求。所有功能都可以通過(guò)ADRV9002 TES和軟件開(kāi)發(fā)套件(SDK)進(jìn)行全面評估。 參考資料 1 John G. Proakis。數字通信，第3版。McGraw-Hill，1994年3月。 2UG-1828：ADRV9001系統開(kāi)發(fā)用戶(hù)指南。ADI公司，2021年10月。 3 Kao Chin-Han�！霸诖嬖谡瓗Ц蓴_的情況下，通過(guò)緩慢、平坦的Nakagami 衰減通道傳輸的JTIDS/Link 16型波形的性能分析�！泵绹＼娧芯可�，2008年。 作者簡(jiǎn)介 Mizhou (Michelle) Tan是ADI公司的產(chǎn)品應用工程師。3年來(lái)，她一直為RF收發(fā)器產(chǎn)品和應用的設計和開(kāi)發(fā)提供支持。在加入ADI公司之前，她獲得了四川大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，并于2004年獲得了新澤西理工學(xué)院電氣和計算機工程博士學(xué)位。從2004年至2018年，她分別在A(yíng)gere Systems、LSI Logic和Intel Corp.擔任算法、系統和軟件工程師。她在技術(shù)會(huì )議和期刊上發(fā)表論文15余篇，在無(wú)線(xiàn)通信和數字信號處理領(lǐng)域擁有9項已授權專(zhuān)利。聯(lián)系方式：michelle.tan@analog.com。 |
