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【世说设计】介绍一下，这是拥有显著跳频(FH)优势的下一代软件定义无线电(SDR)收发器~

时间：2021-11-29 15:08:10

关键字：收发器无线电

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[导读]本文深入探讨了跳频(FH)的概念，以及如何通过灵活设计ADRV9002SDR收发器的锁相环(PLL)架构来实现四大跳频特性。这些特性可为用户提供强大的跳频功能，让他们能够处理单通道和双通道操作模式下的Link16和快速实时载波频率负载等应用。此外，跳频与多芯片同步(MCS)和数字...

本文深入探讨了跳频(FH)的概念，以及如何通过灵活设计 ADRV9002 SDR 收发器的锁相环(PLL)架构来实现四大跳频特性。这些特性可为用户提供强大的跳频功能，让他们能够处理单通道和双通道操作模式下的Link 16和快速实时载波频率负载等应用。此外，跳频与多芯片同步(MCS)和数字预失真(DPD)技术的结合使ADRV9002 SDR收发器成为一种非常有吸引力的解决方案，可满足当今复杂通信系统中的更高要求。

与传统的无线电通信不同，跳频(FH)定义了一种通过快速改变载波频率来发送无线电信号的方法，Nikola Tesla在1903年的美国专利"信号传输方法"中首次提到了这种方法。后来，在1942年，女演员Hedy Lamarr和作曲家George Antheil进一步巩固了这一概念，他们从钢琴的按键数量得到启发，在88个频率之间切换，以防止鱼雷的无线电控制受到干扰。一百多年来，从第一次世界大战中固定指挥点之间的非实时、低速通信，到当代飞机、舰船和陆地系统之间的实时、高速多媒体通信，跳频在军事领域的应用已进入了一个崭新的时代。此外，跳频已广泛应用于许多无线个人通信网络，如蓝牙^®个人局域网(PAN)，以及消费电子和业余无线电领域，如对讲机、汽车模型和无人机。

什么是跳频？

跳频的概念如图1所示。如果将整个频带和持续时间划分为二维网格，那么在任何给定的时隙，将会使用不同的频率子带进行通信。跳频模式的随机性相当于增加了另一个只能在发送器和接收器之间解码的安全层，使其具有较高的抗窄带干扰能力和较强的抗恶意拦截和封锁的能力。此外，跳频信号相互干扰小，可以和其他传统通信共享带宽，实现更高的频谱效率。随着跳频速率加快且使用更多的子频带，跳频的优势变得更加突出，成为对许多不同应用有吸引力的解决方案。

图1. 跳频的概念。

下一代SDR收发器

ADRV9002是一款双窄带和宽带SDR收发器，提供出色的RF性能和先进的系统功能，例如DPD和跳频。ADRV9002的工作频率为30 MHz至6 GHz，覆盖超高频(UHF)频带；特高频(VHF)频带；工业、科学和医疗(ISM)频带和蜂窝频段。可以支持窄带(kHz)和不超过40 MHz的宽带操作。图2显示了ADRV9002的简化示意框图。其中包括发送和接收双通道，以及一组高级数字信号处理算法。许多其他收发器都是将一个PLL专用于接收数据路径，另一个专用于发送数据路径，而以红色方框中显示的ADRV9002 PLL结构则比较独特，它在器件中使用两个RF PLL，并且可以选择将两个PLL提供给任何接收器或发送器使用，两个一起用或一个都不用。这种灵活性是在各种TDD应用中支持跳频的关键，例如单通道和双通道操作，包括仅发送模式(1T/2T)、仅接收模式(1R/2R)和发送/接收模式(1T1R/2T2R)。双通道操作支持通道分集和通道多路复用。此外，可以在乒乓模式下使用两个PLL，以满足严格的跳频时序要求。

图2. 采用灵活的PLL设计的ADRV9002简化示意框图。

ADRV9002的四大跳频特性

通过两个PLL多路复用和PLL快速重新调谐实现特快速跳频

跳频是通过在切换到不同频率之前重新调谐PLL来实现的。ADRV9002根据PLL的使用情况提供不同的跳频模式。图1中的每个时隙代表一个跳帧，可以分为一个转换时间段和一个停留时间段，如图3所示。

图3. 跳帧结构。

在较慢的跳频模式下，如果频率变化之间的转换时间足够长（比通道设置时间和所需的PLL调谐时间长），则TDD操作中的一对发送和接收通道只需要一个PLL（称为一个PLL重新调谐模式）。为了实现更快的跳频和更短的转换时间（比通道设置时间和所需的PLL调谐时间短），在器件中则可以使用两个锁相环（称为两个PLL多路复用模式）。两个PLL以乒乓方式相互协调：当一个PLL用于当前频率时，另一个PLL则重新调谐至下一个频率。这样就可以实现快速跳频，从而大大缩短不同频率变化之间所需的转换时间。表1总结了这两种模式。

表1. ADRV9002跳频模式（基于PLL的使用情况）

如表1所示，要选择两种模式中的哪一种，由用户定义的转换时间决定。

图4进一步解释了PLL多路复用模式概念。如前所述，每个时隙代表一个跳帧，它由一个转换时间段和一个停留时间段组成。当一个PLL在停留时间内使用时，另一个PLL从同一跳帧的转换时间开始时即开始进行调谐。它可以一直进行调谐，直到下一个跳帧的转换时间段结束为止。所以，只要所需的PLL调谐时间比一次停留时间和两次转换时间的总和短，PLL多路复用模式就是成功的。

图4. 用于快速跳频的PLL多路复用模式。

PLL多路复用模式下的跳频对军事应用来说至关重要，例如Link 16。Link 16被认为是北大西洋公约组织(NATO)使用的最重要的战术数据链路标准之一，它使用960 MHz至1.215 GHz射频频段的抗干扰高速数字数据链路。³通过在初始化时准确校准整个跳频范围，ADRV9002采用快速PLL重新调谐模式来满足严格的时序要求。PLL重新调谐时间取决于ADRV9002 PLL参考时钟速率。表2显示在不同的PLL参考时钟速率下所需的快速PLL重新调谐时间。PLL参考时钟速率为300 MHz时，快速PLL重新调谐时间约为15 μs。Link 16的跳帧长度为13 μs时，如果转换时间大于2 μs，在使用PLL多路复用模式时使用15 μs的PLL重新调谐时间即可满足时序要求，具体如表1所示。

表2. 使用快速PLL重新调谐模式时

的PLL重新调谐时间

正如论文"在存在窄带干扰的情况下，通过缓慢、平坦的Nakagami 衰减通道传输的JTIDS/Link 16型波形的性能分析"中所述，Link 16消息数据可以作为单脉冲或双脉冲发送，具体由打包结构决定。单脉冲结构包含6.4 μs开启时间和6.6 μs关闭时间，总持续时间为13 μs。双脉冲结构由两个单脉冲组成，它们传输相同的数据，但使用不同的载波频率，如图5所示。所以，转换时间大致为6.6 μs (>2 μs)，因此使用ADRV9002实现Link 16跳频是完全可行的。

图5. 标准的Link 16双脉冲结构。

图6显示ADRV9002发送输出（功率与时间以及频率与时间之间的关系），采用Link 16型跳帧（为简化起见，仅使用发送跳频）。注意，为了显示ADRV9002可实现的最短转换时间，实验未使用图5中所示的标准Link 16脉冲结构，而是开启时间从6.4 μs增加到11 μs，关闭时间从6.6 μs缩短到2 μs。将Tektronix RSA306B频谱分析仪连接至ADRV9002评估板的发送输出端口，以进行观察。上方的图显示功率与时间的关系。从图中可以看出，每隔13 μs就会进行发送跳频，连续发送跳帧之间的转换时间大约为3 μs。下方的图显示频率与时间的关系。在这个实验中，发送载波频率以1 MHz的步长在四个不同的频率之间循环。正如预期的一样，下方的图证实了发送输出也以1 MHz的步长在四个不同的频率之间循环，并且在整个停留时间段内都具备出色的频率精度。