SDR使调整各种频率的机制
文章：Victor Wollesen和Eldrich Rebello
软件定义无线电的本教程讨论了它如何实现特定机制，用于调整各种频率，包括直接采样和混合。
软件定义的无线电（SDR）使用通用计算机处理器来执行数字信号处理的各个方面，代替模拟电路硬件。这允许在应用程序，处理能力和动态范围内具有更大的灵活性，并且通常以较低的成本相对于专用电路。与完全模拟无线电相比，SDR替换了具有等效软件实现的一些模拟电路，尽管需要某些模拟组件。
任何SDR所需的模拟组件的主要示例是与射频天线接口的传输或接收放大器电路。任何无线电系统的重要部分是混频器，其目的是将信号的频率移位，向上或向下移动到频率 - 作为异差的过程中的过程。SDRS使用表示使用复数的信号的数字混频器允许它们在模拟等同物上具有显着的优势 - 它们能够在模拟混频器仅能够将信号移至较低频率的信号时对DC执行频率转换。
通常，SDR周围具有更高的带宽，围绕其中心频率偏宽，允许更大的切片在不需要的情况下在更宽范围内监测和调谐的更大的无线电频谱。换句话说，这意味着SDR通常能够通过从DC到超过18 GHz的宽阔调谐范围提供高瞬时带宽。由于这两个高性能无线电属性的组合，支持频率调谐所需的无线电和信号处理硬件可能变化。
值得注意的是，根据设计和频率范围，频率混合和调谐可以在信号链的任何点处实现，包括数字或模拟。本文讨论了可用于调谐各种频率的特定机制，包括直接采样，相位正交（IQ）混合，以及超级外差混合。
什么是频率力学？
该文档使用术语频率力学来指代进程，通过该过程，高频信号在频率上向下移动到适合于模数转换器（ADC）的应用的范围以及可能的后续频率翻译一旦信号数字化就会发生。必须基于信号不同的无线电路径的频率来选择特定的无线电路径，针对不同的频率范围优化。在每个无线电链内，频率可以通过模拟转换器混合，有效地向上移动频率。
类似地，数字信号也可以在转换器内或在FPGA内移动。根据所选频率范围，使用不同的采样方法和转换。简而言之，本文讨论了特定的调谐力学，以及每个操作模式的相关频率力学。
| 方法 | 模拟调整组件 | 频率调整位置 |
| 直接抽样 | 没有任何 | 软件 |
| 智商 | 混合器 | 硬件后跟软件 |
| 超外差 | 如果是下变频器，可能是第二个混音器 | 硬件 |
直接抽样
直接采样是指直接从天线中采样（或发送）信号，其之间的最小或没有模拟组件。换句话说，采样，数字化并传递给射频（RF）信号的块以进行处理。虽然简单地，这种方法的约束包括噪声和高速采样硬件和时钟的可用性。由于采样了大量的RF频谱，因此不必重新调整多频带应用。
调入不同频率的能力取决于发射时ADC或数模转换器（DAC）的采样率。商业可获得的转换器装置可以采样高达3GSPS（每秒GIGA样本），允许在短时间内进行大量数据。这些采样率允许跨多个频带的采样数据，包括许多商业蜂窝频带。
SDR通常作为能力 - 能够进行传输和接收的设备，并且直接采样链是在宽带SDR上可能的几个链中的一个。在使用模数下变频器支持下面的频率时，将自动选择直接采样链。
基带传输
外部天线通过开关和放大器连接到SDR，但请注意，没有使用用于频率转换的模拟组件。所有重采样和频率转换都是在软件中实现的，并且模拟电路仅用于信号调节滤波和放大。
图1直接采样是指直接从天线的信号传输，其间是最小的或没有模拟组件。来源：每种恶习
当SDR作为发射器运行时，用户应用程序生成数据，并且由FPGA作为样本接收。QSFP +端口通过串行链路发送到FPGA的数字化数据，其中重采样和频率混合在数字域中发生。然后，通过基于FPGA的插值例程，然后使用基于FPGA的数字上转换 - 使用数控振荡器（NCO）。在将数据发送到DAC之前，在插值之后发生任何用户应用的频率移位，如图所示图1。然后，DAC将频移数字数据转换为模拟信号，该模拟信号产生作为转换过程的一部分的图像频率。现在 - 模拟信号通过防成像滤波器，通过无线电前端放大器，然后通过无线电前端放大器进行。
基带传输力学
当样本通过SDR中的各种组件移动时，频率和带宽变化。现在我们对我们的电路有很好的理解，让我们来看看这些步骤中的每一个的信号发生的事情。
生成样本
图1的下半部分显示了我们可能希望传输的三个波形。在生成样本之前，用户定义采样率（标记为a）。采样率用于指定用户带宽;间隔[-a / 2，a / 2]，其围绕0 Hz。由于这些波形将被稍后阶段的NCO频率偏移，因此在某些情况下初始正弦波可以具有图中的负频率状的黑信号。一旦生成，示例将通过串行链路发送到SDR以进行进一步处理。重要的是要注意，并非用户带宽中的所有样本都将被传输 - 它将稍后变得清晰（参见上图中的黄色信号）。
插值
在生成用户样本之后，下一步是执行插值以获得更大的带宽。这个新的带宽指定较大的间隔 - 也以0 Hz为中心 - 这是由设备的采样率定义的（用于Crimson TNG的325 MSP，为青色的1 GSP）。用户带宽总是小于转换带宽。将样本插入到较大的带宽对于下一个阶段来说至关重要，在下一阶段发生。
上转换
在将信号插入到设备的转换带宽之后，FPGA可以继续上转换样本。回想一下，上转换只需将所有频率转换为固定量 - NCO的频率。Crimson TNG和Cyan都拥有能够进行上转换和下转换（DUC，DDC）的Cordic数字混频器。通过将用户样本与FPGA中的本地振荡器混合（设置为NCO频率）来实现上转换来实现。这导致我们所有信号的频率增加增加。使用从插值中获得的较大转换带宽可确保我们可以捕获更多的混合产品。
在某些情况下（参见黄色的信号），将我们的生成信号与NCO频率混合导致不在用户带宽内的频率。在这里，混合产品仍然具有旋转的图像，以适合我们的捕获带宽（参见黄色的虚线）。对于基带信号，丢弃负频率分量，因此此图像不相关并忽略。
然后DAC将信号转换为其模拟形式。尽管现代DAC的现代DAC有多好，但奈奎斯特的原始信号的图像将存在;在我们的转换带宽的每个倍数下，我们可能会在相应的偏移中看到信号的图像。防成像滤波器用于抑制通常在转换带宽的较高奈奎斯特地区上显示的图像。现在可以通过天线传输最终的模拟信号。
直接智商
直接IQ或相位正交采样是直接采样的变型，其中接收的RF信号被分成两个组件，相位分离90度。用于传输的两个ADC通道或DAC通道用于对这些相移信号进行采样。以下描述了直接IQ接收的过程。
图2.直接IQ接收器是一种直接采样的变体，采用两个通道来采样相移信号。来源：每种恶习
左侧的第一部分图2.显示三个纯正弦波及其图像，因为它们被天线拾取。可变衰减器衰减景点以外的频率。以下阶段 - IQ调制器 - 组合I和Q组件以形成RF信号。该过程通过本地振荡器（LO）确定的所有频率使所有频率移位。请注意，这是一个模拟过程。
模拟抗混叠滤波器旨在将传入信号限制为落在转换器域中的传入信号。这很重要，因为ADC具有有限的运行范围，其采样率受限。转换器带宽指定以0 Hz为中心的大间隔，该间隔由设备的采样率（325 MSP为Crimson TNG，1 GSP为Cyan）定义。ADC将传入信号转换为数字形式。
此时，转换的带宽对于数字处理很大。为了准备抽取，样品被数字倒闭。这将通过在FPGA上设置的NCO频率降低所有信号的频率。Crimson TNG和Cyan拥有能够进行DUC和DDC的Cordic数字混频器。通过将所接收的样品与在FPGA中的局部振荡器混合到被称为NCO频率的内容来实现下变转换。请注意，在此发生之后，某些频率状况 - 类似于红色的频率可能为负。
在接收到样本之前，用户定义采样率（标记为B）。采样率依次指定用户带宽，间隔[-b / 2，b / 2]，其围绕0 Hz。抽取可确保所有传入信号都属于用户带宽。
超级外副E.
外差接收器将接收的RF信号（F1）与来自本地振荡器（F2）的参考信号混合，以在（F1±F2）的中间频率下产生两个信号。选择超差异转化为超级HET接收器的中频（IF），使得用模拟电子设备更容易处理，因此在正常的人类声音频率上方（因此，“超级”的前缀）。
超级HET接收器
示出了超级HET接收器图3.。注意，仅为简单起见仅示出了接收器 - 等效传输电路将使用类似的组件反转信号流。当用户在超级HET范围内选择工作频率时，自动选择相关的模拟阶段。超级HET接收器首先使用模拟混频器转换接收的RF。这是通过一个合适的单独电路来实现，标记在图3中标记为“LOGEN板”。使用高频模拟混合以这种方式产生称为差频或倍数的差。数字化之前需要模拟滤波器。
图3.如果选择过度差异的接收器，则更容易使用模拟电子设备处理。来源：每种恶习
使用IQ调制器随后进行防映像滤波器来实现第二阶段，以消除由高频混合过程产生的转换产物。如果IF现在是数字化，可以在抽取和最终用途之前使用数字混频器进一步混合。
了解权衡
根据工作频率，宽带SDR从可用的模拟电路中选择。在使用基带频率或直接采样时，不可能进行模拟混合，并且频率受电路时钟速度的限制。使用更高频率时，需要模拟混频器电路，并且模拟混合级的数量再次取决于频率。在GHz范围内工作通常需要超级HET模拟电路和通常两个模拟混合电路，以将信号频率降低到数字组件的工作范围，例如ADC或DAC。
使用用于宽带调谐的单个设备需要了解各种方法的权衡。实例包括由模拟混合引起的信号伪像或者如果不需要模拟混合，则高速转换装置的成本。重要的是与具有开发宽带操作的经验的供应商合作，并具有修改其产品的能力，以满足与给定项目相关的特定要求。最好基于可用的产品，规格，支持的应用程序选择供应商以及围绕其功能的讨论。
本文最初发布edn.。
维克多沃尔森是每个恶习公司的首席执行官Eldrich Rebello是加拿大风能研究所的电气工程师。
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