Como rádios definidos por software lidam com o ajuste de frequência ultra-ampla

Um rádio definido por software (SDR) usa um processador de computador de propósito geral para realizar aspectos de processamento de sinal digital no lugar de hardware de circuito analógico. Isso permite maior flexibilidade na aplicação, capacidade de processamento e faixa dinâmica, muitas vezes a um custo menor em relação ao circuito dedicado. Quando comparado a um rádio totalmente analógico, um SDR substitui alguns circuitos analógicos por implementações de software equivalentes, embora alguns componentes analógicos sejam necessários.

O principal exemplo de componentes analógicos necessários para qualquer SDR é o circuito amplificador de transmissão ou recepção que faz interface com a antena de radiofrequência. Uma parte importante de qualquer sistema de rádio é um mixer cujo objetivo é mudar a frequência de um sinal, tanto para cima quanto para baixo - um processo conhecido como heterodinação. Os SDRs usam mixers digitais que representam sinais usando números complexos, permitindo-lhes uma vantagem significativa sobre seus equivalentes analógicos - eles são capazes de realizar a mudança de frequência de um sinal para DC, enquanto um mixer analógico só é capaz de mudar um sinal para uma freqüência mais baixa.

Normalmente, os SDRs têm larguras de banda maiores em torno de sua frequência central, permitindo que uma fatia maior do espectro de rádio seja monitorada e sintonizada em uma faixa mais ampla sem a necessidade de reajustar. Dito de outra forma, isso significa que os SDRs geralmente são capazes de oferecer larguras de banda instantâneas altas em uma ampla faixa de sintonia que vai de DC a mais de 18 GHz. Devido à combinação desses dois atributos de rádio de alto desempenho, o rádio e o hardware de processamento de sinal necessários para suportar a sintonia de frequência podem variar.

É importante observar que dependendo do projeto e da faixa de frequência, a mixagem e a sintonia de frequência podem ser implementadas em qualquer ponto ao longo da cadeia de sinal, incluindo digital ou analógico. Este artigo discute os mecanismos específicos disponíveis para ajustar várias frequências, incluindo amostragem direta, mixagem em quadratura de fase (IQ) e mixagem super-heteródina.

O que é mecânica de frequência?

Este documento usa o termo mecânica de frequência para se referir ao processo pelo qual um sinal de alta frequência é desviado para uma faixa apropriada para amostragem por um conversor analógico-digital (ADC), bem como as traduções de frequência subsequentes que podem ocorrem assim que o sinal é digitalizado. Um caminho de rádio específico deve ser selecionado com base na frequência do sinal - diferentes caminhos de rádio são otimizados para diferentes faixas de frequência. Dentro de cada cadeia de rádio, a frequência pode ser mixada por conversores analógicos, mudando efetivamente a frequência para cima ou para baixo.

Da mesma forma, um sinal digital também pode ser deslocado, seja dentro do conversor ou dentro do FPGA. Dependendo da faixa de frequência selecionada, diferentes métodos de amostragem e conversão são usados. Em resumo, este artigo discute a mecânica de ajuste específica, juntamente com a mecânica de frequência relevante para cada modo de operação.
Método Componentes de sintonia analógica Localização de sintonia de frequênciaAmostragem diretaNenhumSoftwareIQMixerHardware seguido por softwareSuper-heterodyneIF downconverter, possivelmente um segundo mixerHardware
Amostragem direta

Amostragem direta refere-se à amostragem (ou envio) de sinais diretamente da antena com o mínimo ou nenhum componente analógico entre eles. Em outras palavras, uma parte do sinal de radiofrequência (RF) é amostrada, digitalizada e passada ao software para processamento. Embora simples, as restrições desse método incluem ruído e a disponibilidade de hardware e relógios de amostragem de alta velocidade. Uma vez que uma grande extensão do espectro de RF é amostrada, aplicações multibanda são possíveis sem a necessidade de reajustar.

A capacidade de sintonizar em diferentes frequências depende da taxa de amostragem do ADC ou do conversor digital para analógico (DAC) durante a transmissão. Os dispositivos conversores disponíveis comercialmente podem amostrar até 3GSPS (giga samples por segundo), permitindo que uma grande quantidade de dados seja digitalizada em um curto espaço de tempo. Essas taxas de amostragem permitem a amostragem de dados em várias bandas de frequência, incluindo muitas bandas de frequência de celular comercial.

Os SDRs geralmente são operados como transceptores - dispositivos capazes de transmitir e receber - e a cadeia de amostragem direta é uma entre várias cadeias possíveis em SDRs de banda larga. A cadeia de amostragem direta é escolhida automaticamente ao usar frequências abaixo daquelas suportadas pelo conversor analógico.

Transmissão de banda base

A antena externa é conectada ao SDR por meio de interruptores e amplificadores, no entanto, observe que nenhum componente analógico para conversão de frequência é usado. Toda a reamostragem e conversão de frequência são implementadas em software e o circuito analógico é usado exclusivamente para condicionamento de sinal - filtragem - e amplificação.

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Figura 1:Amostragem direta refere-se à transmissão de sinais diretamente da antena com o mínimo ou nenhum componente analógico entre eles. Fonte:Por Vícios

Quando o SDR é operado como um transmissor, os dados são gerados pelo aplicativo do usuário e recebidos pelo FPGA como amostras. As portas qSFP + enviam os dados digitalizados por um link serial para o FPGA, onde a reamostragem e a mixagem de frequência ocorrem no domínio digital. Em seguida, ele passa pela rotina de interpolação baseada em FPGA seguida pela conversão digital baseada em FPGA - usando o oscilador controlado numericamente (NCO). Qualquer mudança de frequência aplicada pelo usuário ocorre após a interpolação, antes de enviar os dados para o DAC, conforme mostrado na Figura 1. Os dados digitais deslocados de frequência são então convertidos pelo DAC em um sinal analógico, que gera frequências de imagem como parte do processo de conversão . O sinal agora analógico passa por filtros anti-imagem, pelos amplificadores front-end do rádio e, em seguida, sai para a antena do rádio.

Mecânica de transmissão de banda base

Conforme as amostras se movem pelos vários componentes no SDR, as frequências e larguras de banda mudam. Agora que temos um bom entendimento de nosso circuito, vamos ver o que acontece com o sinal em cada uma dessas etapas.

Gerando amostras

A metade inferior da Figura 1 mostra três formas de onda que podemos estar procurando transmitir. Antes de as amostras serem geradas, o usuário define uma taxa de amostragem (rotulada como A). A taxa de amostragem serve para especificar a largura de banda do usuário; um intervalo [-A / 2, A / 2] que está centrado em torno de 0 Hz. Como essas formas de onda serão compensadas pela frequência NCO em um estágio posterior, as ondas senoidais iniciais em alguns casos podem ter uma frequência negativa - como o sinal preto no diagrama. Depois de geradas, as amostras serão enviadas ao SDR por meio de um link serial para processamento posterior. É importante observar que nem todas as amostras na largura de banda do usuário serão transmitidas - isso ficará claro mais tarde (veja o sinal amarelo no diagrama acima).

Interpolação

Depois de gerar as amostras do usuário, a próxima etapa é realizar a interpolação para obter uma largura de banda maior. Esta nova largura de banda especifica um intervalo maior - também centrado em torno de 0 Hz - que é definido pela taxa de amostragem do dispositivo (325 MSPS para Crimson TNG, 1 GSPS para Cyan). A largura de banda do usuário é sempre menor do que a largura de banda de conversão. Interpolar as amostras para uma largura de banda maior é crucial para o próximo estágio em que ocorre a conversão digital.

Up-conversion

Após interpolar o sinal para a largura de banda de conversão do dispositivo, o FPGA pode prosseguir para converter as amostras. Lembre-se de que a conversão ascendente simplesmente desloca todas as frequências para cima em um valor fixo - a frequência do NCO. Tanto o Crimson TNG quanto o Cyan têm mixers digitais CORDIC que são capazes de up-conversion e down-conversion (DUC, DDC). A conversão ascendente é realizada misturando as amostras do usuário com um oscilador local encontrado no FPGA (definido para a frequência NCO). Isso faz com que a frequência de todos os nossos sinais aumente. Usar a largura de banda de conversão maior que obtivemos da interpolação garante que possamos capturar mais de nossos produtos de mistura.

Em alguns casos (veja o sinal em amarelo), misturar nosso sinal gerado com a frequência NCO resulta em uma frequência que não está dentro da largura de banda do usuário. Aqui, o produto de mistura ainda terá uma imagem que é girada para caber em nossa largura de banda de captura (veja a linha pontilhada em amarelo). Para sinais de banda base, os componentes de frequência negativa são descartados e, portanto, esta imagem não é relevante e é ignorada.

O DAC então converte os sinais em sua forma analógica. Apesar do bom desempenho dos DACs modernos, as imagens de Nyquist dos sinais originais existirão; a cada múltiplo de nossa largura de banda de conversão, é provável que vejamos imagens do sinal em seus deslocamentos correspondentes. Filtros anti-imagem são usados ​​para suprimir as imagens que normalmente apareceriam em zonas de Nyquist mais altas - múltiplos da largura de banda de conversão. O sinal analógico final agora pode ser transmitido pela antena.

QI direto

IQ direto ou amostragem de quadratura em fase é uma variante da amostragem direta em que um sinal de RF recebido é dividido em dois componentes, separados por 90 graus na fase. Dois canais ADC - ou canais DAC para transmissão - são usados ​​para amostrar esses sinais de mudança de fase. O processo de recepção direta de QI é descrito abaixo.

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Figura 2:O receptor Direct IQ, uma variante da amostragem direta, emprega dois canais para amostrar sinais de fase deslocada. Fonte:Por Vícios

A primeira seção no lado esquerdo da Figura 2 mostra três ondas senoidais puras e suas imagens conforme são captadas pela antena. Um atenuador variável atenua as frequências fora da banda de interesse. O estágio seguinte - o modulador IQ - combina os componentes I e Q para formar o sinal de RF. Este processo desloca todas as frequências para baixo em um valor determinado pelo oscilador local (LO). Observe que este é um processo analógico.

Um filtro anti-aliasing analógico visa restringir o sinal de entrada apenas àqueles que caem no domínio do conversor. Isso é importante porque o ADC tem uma faixa de operação finita de frequência que é limitada por sua taxa de amostragem. A largura de banda do conversor especifica um grande intervalo centrado em torno de 0 Hz que é definido pela taxa de amostragem do dispositivo (325 MSPS para Crimson TNG, 1 GSPS para Cyan). O ADC converte os sinais de entrada em um formato digital.

Neste ponto, a largura de banda convertida é grande para processamento digital. Para se preparar para a dizimação, as amostras são convertidas digitalmente. Isso diminui a frequência de todos os sinais pela frequência NCO definida no FPGA. O Crimson TNG e o Cyan têm mixers digitais CORDIC com capacidade para DUC e DDC. A conversão descendente é realizada pela mistura das amostras recebidas com um oscilador local encontrado no FPGA - definido para o que é conhecido como frequência NCO. Observe que depois que isso acontecer, algumas das frequências - como a mostrada em vermelho - podem ser negativas.

Antes de as amostras serem recebidas, o usuário define uma taxa de amostragem (rotulada como B). A taxa de amostragem, por sua vez, especifica a largura de banda do usuário, um intervalo [-B / 2, B / 2] que é centralizado em torno de 0 Hz. A decimação garante que todos os sinais de entrada estejam dentro da largura de banda do usuário.

Super heteródino

Um receptor heteródino mistura o sinal de RF recebido (f1) com um sinal de referência de um oscilador local (f2) para produzir dois sinais em frequências intermediárias de (f1 ± f2). A frequência intermediária do receptor (IF) super-heteródina - abreviada para super-het - é escolhida de modo que seja mais fácil de processar com eletrônica analógica e está, consequentemente, acima das frequências humanas normais audíveis (daí o prefixo de "super").

Receptor Super-het

Um receptor super-het é mostrado na Figura 3. Observe que apenas um receptor é mostrado para simplificar - o circuito de transmissão equivalente usará componentes semelhantes com o fluxo de sinal invertido. Os estágios analógicos associados são escolhidos automaticamente quando o usuário seleciona uma frequência de trabalho na faixa super-het. Um receptor super-het primeiro converte a RF recebida usando um mixer analógico. Isso é obtido por um circuito separado adequado denominado “placa LOgen” na Figura 3. O uso da mixagem analógica de alta frequência dessa maneira produz o que é conhecido como frequências de batimento ou múltiplos de IF. Filtros analógicos são necessários antes da digitalização.

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Figura 3:O IF do receptor super-heteródino é escolhido de forma que seja mais fácil de processar com eletrônicos analógicos. Fonte:Por Vícios

Um segundo estágio de conversão descendente é implementado usando o modulador IQ seguido por filtros anti-imagem para remover produtos de conversão gerados pelo processo de mistura de alta frequência. O IF agora está digitalizado e pode ser posteriormente mixado usando mixers digitais antes da dizimação e uso final no software.

Compreendendo as compensações

Dependendo da frequência de trabalho, um SDR de banda larga seleciona entre os circuitos analógicos disponíveis. Ao trabalhar com frequências de banda base ou amostragem direta, nenhuma mixagem analógica é possível e a frequência é limitada pela velocidade do relógio do circuito. Ao trabalhar com frequências mais altas, são necessários circuitos de mixer analógico e o número de estágios de mixagem analógica depende novamente da frequência. Trabalhar na faixa de GHz normalmente requer um circuito analógico super-het e normalmente dois circuitos de mixagem analógicos para diminuir a frequência do sinal para a faixa de trabalho dos componentes digitais, como ADCs ou DACs.

Usar um único dispositivo para ajuste de banda larga requer uma compreensão das vantagens e desvantagens de vários métodos. Os exemplos incluem artefatos de sinal causados ​​por mixagem analógica ou o custo de dispositivos de conversão de alta velocidade se a mixagem analógica não for desejada. É importante trabalhar com fornecedores que tenham experiência em desenvolvimento para operação de banda larga e que tenham a capacidade de modificar seus produtos para atender aos requisitos específicos associados a um determinado projeto. É melhor selecionar um fornecedor com base em seus produtos disponíveis, especificações, aplicativos com suporte e uma discussão sobre seus recursos.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EDN .

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Victor Wollesen é CEO da Per Vices Corporation. Eldrich Rebello é engenheiro elétrico no Wind Energy Institute of Canada.

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