소프트웨어 정의 라디오가 초광대역 주파수 튜닝을 처리하는 방법

소프트웨어 정의 라디오(SDR)는 범용 컴퓨터 프로세서를 사용하여 아날로그 회로 하드웨어 대신 디지털 신호 처리 측면을 수행합니다. 이를 통해 전용 회로에 비해 저렴한 비용으로 애플리케이션, 처리 능력 및 동적 범위의 유연성을 높일 수 있습니다. 완전한 아날로그 라디오와 비교할 때 SDR은 일부 아날로그 구성 요소가 필요하지만 일부 아날로그 회로를 동등한 소프트웨어 구현으로 대체합니다.

모든 SDR에 필요한 아날로그 구성 요소의 주요 예는 무선 주파수 안테나와 인터페이스하는 송신 또는 수신 증폭기 회로입니다. 모든 무선 시스템의 중요한 부분은 신호의 주파수를 주파수에서 위 또는 아래로 이동하는 것을 목적으로 하는 믹서입니다(이 프로세스를 헤테로다인이라고 함). SDR은 복소수를 사용하여 신호를 나타내는 디지털 믹서를 사용하므로 아날로그에 비해 상당한 이점이 있습니다. 즉, 아날로그 믹서는 신호를 더 낮은 주파수로만 이동할 수 있는 동안 DC로 신호의 주파수 이동을 수행할 수 있습니다.

일반적으로 SDR은 중심 주파수 주변에서 더 높은 대역폭을 가지므로 재조정할 필요 없이 더 넓은 범위의 무선 스펙트럼을 모니터링하고 조정할 수 있습니다. 다시 말해, SDR은 DC에서 18GHz 이상에 이르는 넓은 조정 범위에서 높은 순간 대역폭을 제공할 수 있는 경우가 많습니다. 이 두 가지 고성능 라디오 속성의 조합으로 인해 주파수 튜닝을 지원하는 데 필요한 라디오 및 신호 처리 하드웨어가 다를 수 있습니다.

설계 및 주파수 범위에 따라 주파수 믹싱 및 튜닝은 디지털 또는 아날로그를 포함하여 신호 체인의 모든 지점에서 구현할 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이 기사에서는 직접 샘플링, IQ(in phase quadrature) 믹싱 및 슈퍼 헤테로다인 믹싱을 포함하여 다양한 주파수를 조정하는 데 사용할 수 있는 특정 메커니즘에 대해 설명합니다.

주파수 역학이란 무엇입니까?

이 문서에서는 주파수 역학이라는 용어를 사용하여 고주파 신호가 ADC(아날로그-디지털 변환기) 및 후속 주파수 변환에 의해 샘플링에 적합한 범위로 주파수에서 아래로 이동하는 프로세스를 나타냅니다. 신호가 디지털화되면 발생합니다. 신호의 주파수를 기반으로 특정 무선 경로를 선택해야 합니다. 다른 무선 경로는 다양한 주파수 범위에 최적화되어 있습니다. 각 무선 체인 내에서 주파수는 아날로그 변환기에 의해 혼합되어 주파수를 효과적으로 위 또는 아래로 이동시킬 수 있습니다.

유사하게, 디지털 신호는 변환기 내에서 또는 FPGA 내에서 이동될 수도 있습니다. 선택한 주파수 범위에 따라 다양한 샘플링 및 변환 방법이 사용됩니다. 간단히 말해서, 이 문서에서는 각 작동 모드에 대한 관련 주파수 메커니즘과 함께 특정 튜닝 메커니즘에 대해 설명합니다.

방법아날로그 튜닝 구성요소주파수 튜닝 위치직접 샘플링없음소프트웨어IQMixer하드웨어 다음 소프트웨어Super-heterodyneIF 다운컨버터, 두 번째 믹서 가능 하드웨어

직접 샘플링

직접 샘플링은 안테나에서 신호를 직접 샘플링(또는 전송)하는 것을 의미하며 그 사이에 아날로그 구성 요소가 최소화되거나 전혀 포함되지 않습니다. 즉, 무선 주파수(RF) 신호의 청크가 샘플링되고 디지털화되어 처리를 위해 소프트웨어로 전달됩니다. 간단하지만 이 방법의 제약 조건에는 노이즈와 고속 샘플링 하드웨어 및 클록의 가용성이 포함됩니다. 넓은 범위의 RF 스펙트럼이 샘플링되기 때문에 재조정 없이 다중 대역 응용이 가능합니다.

다른 주파수로 튜닝하는 능력은 송신할 때 ADC 또는 DAC(디지털-아날로그 변환기)의 샘플링 속도에 따라 다릅니다. 시중에 판매되는 변환기 장치는 최대 3GSPS(초당 기가 샘플 수)를 샘플링할 수 있으므로 많은 양의 데이터를 짧은 시간에 디지털화할 수 있습니다. 이러한 샘플링 속도를 사용하면 상용 셀룰러 주파수 대역을 비롯한 여러 주파수 대역에서 데이터를 샘플링할 수 있습니다.

SDR은 종종 송수신기(송신 및 수신이 모두 가능한 장치)로 작동되며 직접 샘플링 체인은 광대역 SDR에서 가능한 여러 체인 중 하나입니다. 아날로그 다운 컨버터가 지원하는 주파수보다 낮은 주파수를 사용할 때 직접 샘플링 체인이 자동으로 선택됩니다.

베이스밴드 전송

외부 안테나는 스위치와 증폭기를 통해 SDR에 연결되지만 주파수 변환을 위한 아날로그 구성 요소는 사용되지 않습니다. 모든 리샘플링 및 주파수 변환은 소프트웨어로 구현되며 아날로그 회로는 신호 조절(필터링 및 증폭)에만 사용됩니다.

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그림 1:직접 샘플링은 안테나에서 직접 신호를 전송하고 그 사이에 최소한의 아날로그 구성 요소를 사용하거나 전혀 사용하지 않는 것을 말합니다. 출처:바이스당

SDR이 송신기로 작동하면 사용자 애플리케이션에서 데이터가 생성되고 FPGA에서 샘플로 수신됩니다. qSFP+ 포트는 직렬 링크를 통해 디지털화된 데이터를 FPGA로 전송하며, 여기서 리샘플링 및 주파수 혼합이 디지털 도메인에서 발생합니다. 그런 다음 FPGA 기반 보간 루틴을 거친 다음 NCO(수치 제어 발진기)를 사용하여 FPGA 기반 디지털 상향 변환을 수행합니다. 사용자가 적용한 주파수 이동은 그림 1과 같이 데이터를 DAC로 보내기 전에 보간 후 발생합니다. 그런 다음 주파수 이동된 디지털 데이터는 DAC에 의해 아날로그 신호로 변환되어 변환 프로세스의 일부로 이미지 주파수를 생성합니다. . 이제 아날로그 신호는 안티 이미징 필터를 거쳐 라디오 프런트 엔드 증폭기를 거쳐 라디오 안테나로 나옵니다.

베이스밴드 전송 메커니즘

샘플이 SDR의 다양한 구성 요소를 통해 이동함에 따라 주파수와 대역폭이 변경됩니다. 이제 회로를 잘 이해했으므로 이러한 각 단계에서 신호에 어떤 일이 발생하는지 살펴보겠습니다.

샘플 생성

그림 1의 아래쪽 절반은 전송하려는 세 가지 파형을 보여줍니다. 샘플이 생성되기 전에 사용자는 샘플 속도(A로 표시)를 정의합니다. 샘플 속도는 사용자 대역폭을 지정하는 역할을 합니다. 0Hz를 중심으로 하는 간격 [-A/2, A/2]. 이러한 파형은 나중 단계에서 NCO 주파수에 의해 오프셋되므로 일부 경우 초기 사인파는 다이어그램의 블랙 신호와 같은 음의 주파수를 가질 수 있습니다. 생성된 샘플은 추가 처리를 위해 직렬 링크를 통해 SDR로 전송됩니다. 사용자 대역폭의 모든 샘플이 전송되는 것은 아니며 나중에 명확해집니다(위 다이어그램의 노란색 신호 참조).

보간

사용자 샘플을 생성한 후 다음 단계는 더 큰 대역폭을 얻기 위해 보간을 수행하는 것입니다. 이 새로운 대역폭은 장치의 샘플 레이트(Crimson TNG의 경우 325MSPS, Cyan의 경우 1GSPS)로 정의되는 더 큰 간격(또한 0Hz를 중심으로 함)을 지정합니다. 사용자 대역폭은 항상 변환 대역폭보다 작습니다. 샘플을 더 큰 대역폭으로 보간하는 것은 디지털 상향 변환이 발생하는 다음 단계에서 매우 중요합니다.

상향 전환

신호를 장치의 변환 대역폭으로 보간한 후 FPGA는 샘플을 상향 변환할 수 있습니다. 상향 변환은 단순히 모든 주파수를 고정된 양(NCO의 주파수)만큼 위로 이동한다는 것을 기억하십시오. Crimson TNG와 Cyan에는 모두 상향 변환 및 하향 변환(DUC, DDC)이 가능한 CORDIC 디지털 믹서가 있습니다. 상향 변환은 사용자 샘플을 FPGA(NCO 주파수로 설정)에 있는 로컬 발진기와 혼합하여 수행됩니다. 이로 인해 모든 신호의 주파수가 증가합니다. 보간에서 얻은 더 큰 변환 대역폭을 사용하면 더 많은 믹싱 제품을 캡처할 수 있습니다.

경우에 따라(노란색 신호 참조) 생성된 신호를 NCO 주파수와 혼합하면 주파수가 사용자 대역폭 내에 있지 않게 됩니다. 여기에서 믹싱 제품에는 캡처 대역폭에 맞게 회전된 이미지가 계속 남아 있습니다(노란색 점선 참조). 기저대역 신호의 경우 음의 주파수 성분은 폐기되므로 이 이미지는 관련이 없으며 무시됩니다.

그런 다음 DAC는 신호를 아날로그 형식으로 변환합니다. 오늘날의 DAC가 얼마나 좋은 성능을 발휘하더라도 원래 신호의 Nyquist 이미지는 존재할 것입니다. 변환 대역폭의 각 배수에서 해당 오프셋에서 신호 이미지를 볼 수 있습니다. 안티 이미징 필터는 일반적으로 변환 대역폭의 배수인 더 높은 나이퀴스트 영역에 표시되는 이미지를 억제하는 데 사용됩니다. 이제 최종 아날로그 신호를 안테나를 통해 전송할 수 있습니다.

직접적인 IQ

직접 IQ 또는 동위상 직교 샘플링은 수신된 RF 신호가 90도 위상으로 분리된 두 구성 요소로 분할되는 직접 샘플링의 변형입니다. 두 개의 ADC 채널 또는 전송용 DAC 채널은 이러한 위상 편이된 신호를 샘플링하는 데 사용됩니다. 직접 IQ 수신 프로세스는 아래에 설명되어 있습니다.

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그림 2:직접 샘플링의 변형인 Direct IQ 수신기는 위상 편이된 신호를 샘플링하기 위해 2개의 채널을 사용합니다. 출처:바이스당

그림 2의 왼쪽에 있는 첫 번째 섹션은 3개의 순수한 사인파와 안테나에 포착된 이미지를 보여줍니다. 가변 감쇠기는 관심 대역 밖의 주파수를 감쇠합니다. 다음 단계인 IQ 변조기는 I 및 Q 구성 요소를 결합하여 RF 신호를 형성합니다. 이 프로세스는 로컬 발진기(LO)에 의해 결정된 양만큼 모든 주파수를 아래로 이동합니다. 이것은 아날로그 프로세스입니다.

아날로그 앤티 앨리어싱 필터는 들어오는 신호를 변환기 영역에 속하는 신호로만 제한하는 것을 목표로 합니다. ADC는 샘플링 속도에 의해 제한되는 유한한 작동 주파수 범위를 갖기 때문에 이것은 중요합니다. 변환기 대역폭은 장치의 샘플 속도(Crimson TNG의 경우 325MSPS, Cyan의 경우 1GSPS)로 정의되는 0Hz를 중심으로 하는 큰 간격을 지정합니다. ADC는 들어오는 신호를 디지털 형식으로 변환합니다.

이 시점에서 변환된 대역폭은 디지털 처리를 위해 큽니다. 데시메이션을 준비하기 위해 샘플은 디지털 방식으로 하향 변환됩니다. 이것은 FPGA에 설정된 NCO 주파수에 의해 모든 신호의 주파수를 감소시킵니다. Crimson TNG와 Cyan에는 DUC와 DDC를 모두 지원하는 CORDIC 디지털 믹서가 있습니다. 하향 변환은 수신된 샘플을 NCO 주파수라고 하는 것으로 설정된 FPGA에 있는 로컬 발진기와 혼합하여 수행됩니다. 이 작업이 수행된 후 빨간색으로 표시된 것과 같은 일부 주파수는 음수일 수 있습니다.

샘플이 수신되기 전에 사용자는 샘플 레이트(B로 표시됨)를 정의합니다. 샘플 속도는 차례로 0Hz를 중심으로 하는 간격 [-B/2, B/2]인 사용자 대역폭을 지정합니다. Decimation은 모든 수신 신호가 사용자 대역폭 내에 있도록 합니다.

슈퍼 헤테로다인

헤테로다인 수신기는 수신된 RF 신호(f1)와 국부 발진기(f2)의 기준 신호를 혼합하여 (f1 ± f2)의 중간 주파수에서 두 개의 신호를 생성합니다. 수퍼헤테로다인(수퍼헤트로 줄임) 수신기의 중간 주파수(IF)는 아날로그 전자 장치로 처리하기 더 쉽고 결과적으로 정상적인 사람이 들을 수 있는 주파수보다 높도록 선택됩니다(따라서 접두어 "수퍼").

슈퍼 히트 수신기

그림 3은 수퍼-헤트 수신기를 보여줍니다. 단순함을 위해 수신기만 표시된다는 점에 유의하십시오. 등가 전송 회로는 신호 흐름이 반대인 유사한 구성 요소를 사용합니다. 사용자가 수퍼-헤트 범위에서 작동 주파수를 선택하면 연관된 아날로그 단계가 자동으로 선택됩니다. 슈퍼헤트 수신기는 먼저 아날로그 믹서를 사용하여 수신된 RF를 하향 변환합니다. 이것은 그림 3에서 "LOgen 보드"라고 표시된 적절한 별도의 회로에 의해 달성됩니다. 이러한 방식으로 고주파수 아날로그 믹싱을 사용하면 비트 주파수 또는 IF의 배수라고 하는 것을 생성합니다. 디지털화 전에 아날로그 필터가 필요합니다.

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그림 3:수퍼헤테로다인 수신기의 IF는 아날로그 전자 장치로 처리하기 쉽도록 선택되었습니다. 출처:바이스당

다운 컨버전의 두 번째 단계는 IQ 변조기에 이어 안티 이미징 필터를 사용하여 구현되어 고주파 혼합 프로세스에서 생성된 변환 제품을 제거합니다. IF는 이제 디지털화되었으며 소프트웨어에서 궁극적으로 사용하기 전에 디지털 믹서를 사용하여 더 혼합할 수 있습니다.

장단점 이해

작동 주파수에 따라 광대역 SDR은 사용 가능한 아날로그 회로 중에서 선택합니다. 베이스밴드 주파수 또는 직접 샘플링으로 작업할 때 아날로그 믹싱이 불가능하며 주파수는 회로 클럭 속도에 의해 제한됩니다. 더 높은 주파수로 작업할 때 아날로그 믹서 회로가 필요하며 아날로그 믹싱 단계의 수는 주파수에 따라 다릅니다. GHz 범위에서 작업하려면 ADC 또는 DAC와 같은 디지털 구성 요소의 작업 범위로 신호 주파수를 낮추기 위해 일반적으로 초고온 아날로그 회로와 일반적으로 두 개의 아날로그 믹싱 회로가 필요합니다.

광대역 튜닝을 위해 단일 장치를 사용하려면 다양한 방법의 장단점을 이해해야 합니다. 예로는 아날로그 믹싱으로 인한 신호 아티팩트나 아날로그 믹싱이 원하지 않는 경우 고속 변환 장치의 비용이 있습니다. 광대역 운영을 위한 개발 경험이 있고 주어진 프로젝트와 관련된 특정 요구 사항을 충족하도록 제품을 수정할 수 있는 공급업체와 협력하는 것이 중요합니다. 사용 가능한 제품, 사양, 지원되는 애플리케이션 및 해당 기능에 대한 논의를 기반으로 공급업체를 선택하는 것이 가장 좋습니다.

>> 이 기사는 원래 자매 사이트인 EDN에 게시되었습니다. .

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빅터 월슨 Per Vices Corporation의 CEO입니다. 엘드리히 레벨로 캐나다 풍력 에너지 연구소의 전기 엔지니어입니다.

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