Bagaimana radio yang ditentukan perangkat lunak menangani penyetelan frekuensi ultra lebar
Radio yang ditentukan perangkat lunak (SDR) menggunakan prosesor komputer tujuan umum untuk melakukan aspek pemrosesan sinyal digital sebagai pengganti perangkat keras sirkuit analog. Hal ini memungkinkan fleksibilitas yang lebih besar dalam aplikasi, kemampuan pemrosesan, dan rentang dinamis seringkali dengan biaya yang lebih rendah dibandingkan dengan sirkuit khusus. Jika dibandingkan dengan radio analog penuh, SDR menggantikan beberapa sirkuit analog dengan implementasi perangkat lunak yang setara, meskipun beberapa komponen analog akan diperlukan.
Contoh utama komponen analog yang diperlukan untuk setiap SDR adalah rangkaian penguat transmisi atau penerima yang berinteraksi dengan antena frekuensi radio. Bagian penting dari setiap sistem radio adalah mixer yang tujuannya adalah untuk menggeser frekuensi sinyal, baik ke atas atau ke bawah dalam frekuensi-proses yang disebut sebagai heterodyning. SDR menggunakan mixer digital yang mewakili sinyal menggunakan bilangan kompleks yang memungkinkan mereka mendapatkan keuntungan yang signifikan dibandingkan dengan analog yang setara—mereka mampu melakukan pergeseran frekuensi sinyal ke DC sementara mixer analog hanya mampu menggeser sinyal ke frekuensi yang lebih rendah.
Biasanya, SDR memiliki bandwidth yang lebih tinggi di sekitar frekuensi tengahnya, memungkinkan bagian spektrum radio yang lebih besar untuk dipantau dan disetel pada rentang yang lebih luas tanpa perlu disetel ulang. Dengan kata lain, ini berarti bahwa SDR seringkali mampu menawarkan bandwidth seketika yang tinggi melalui rentang penyetelan yang luas mulai dari DC hingga lebih dari 18 GHz. Karena kombinasi dari dua atribut radio berkinerja tinggi ini, radio dan perangkat keras pemrosesan sinyal yang diperlukan untuk mendukung penyetelan frekuensi mungkin berbeda.
Penting untuk dicatat bahwa tergantung pada desain dan rentang frekuensi, pencampuran dan penyetelan frekuensi dapat diimplementasikan pada titik mana pun di sepanjang rantai sinyal, termasuk dalam digital atau analog. Artikel ini membahas mekanisme spesifik yang tersedia untuk menyetel berbagai frekuensi, termasuk pengambilan sampel langsung, pencampuran kuadratur fase (IQ), dan pencampuran super heterodyne.
Apa itu mekanika frekuensi?
Dokumen ini menggunakan istilah mekanika frekuensi untuk merujuk pada proses di mana sinyal frekuensi tinggi digeser ke bawah dalam frekuensi ke kisaran yang sesuai untuk pengambilan sampel oleh konverter analog-ke-digital (ADC) serta terjemahan frekuensi berikutnya yang mungkin terjadi setelah sinyal didigitalkan. Jalur radio tertentu harus dipilih berdasarkan frekuensi sinyal—jalur radio yang berbeda dioptimalkan untuk rentang frekuensi yang berbeda. Dalam setiap rantai radio, frekuensi dapat dicampur oleh konverter analog, yang secara efektif menggeser frekuensi ke atas atau ke bawah.
Demikian pula, sinyal digital juga dapat digeser, baik di dalam konverter, atau di dalam FPGA. Tergantung pada rentang frekuensi yang dipilih, metode pengambilan sampel dan konversi yang berbeda digunakan. Secara singkat, artikel ini membahas mekanisme penyetelan khusus, bersama dengan mekanika frekuensi yang relevan untuk setiap mode operasi.
MetodeKomponen penyetelan analogLokasi penyetelan frekuensiPengambilan sampel langsungTidak adaPerangkat LunakIQMixerPerangkat keras diikuti oleh perangkat lunakKonverter down superheterodyneIF, mungkin mixer keduaPerangkat keras
Pengambilan sampel langsung
Pengambilan sampel langsung mengacu pada pengambilan sampel (atau pengiriman) sinyal langsung dari antena dengan minimal atau tanpa komponen analog di antaranya. Dengan kata lain, sepotong sinyal frekuensi radio (RF) diambil sampelnya, didigitalkan, dan diteruskan ke perangkat lunak untuk diproses. Meskipun sederhana, kendala metode ini termasuk kebisingan dan ketersediaan perangkat keras dan jam pengambilan sampel berkecepatan tinggi. Karena penyebaran spektrum RF yang besar diambil sampelnya, aplikasi multi-band dimungkinkan tanpa harus disetel ulang.
Kemampuan untuk menyetel ke frekuensi yang berbeda tergantung pada laju pengambilan sampel ADC atau konverter digital-ke-analog (DAC) saat mentransmisikan. Perangkat konverter yang tersedia secara komersial dapat mengambil sampel hingga 3GSPS (sampel giga per detik) yang memungkinkan sejumlah besar data didigitalkan dalam waktu singkat. Laju sampel ini memungkinkan pengambilan sampel data di beberapa pita frekuensi, termasuk banyak pita frekuensi seluler komersial.
SDR sering dioperasikan sebagai transceiver—perangkat yang mampu mengirim dan menerima—dan rantai pengambilan sampel langsung adalah salah satu di antara beberapa rantai yang memungkinkan pada SDR pita lebar. Rantai pengambilan sampel langsung dipilih secara otomatis saat menggunakan frekuensi di bawah frekuensi yang didukung oleh konverter turun analog.
Transmisi pita dasar
Antena eksternal terhubung ke SDR melalui sakelar dan amplifier, namun, perhatikan bahwa tidak ada komponen analog untuk konversi frekuensi yang digunakan. Semua resampling dan konversi frekuensi diimplementasikan dalam perangkat lunak dan sirkuit analog hanya digunakan untuk pengkondisian sinyal—pemfilteran—dan penguatan.
klik untuk gambar ukuran penuh Gambar 1:Pengambilan sampel langsung mengacu pada transmisi sinyal langsung dari antena dengan minimal atau tanpa komponen analog di antaranya. Sumber:Per Wakil
Ketika SDR dioperasikan sebagai pemancar, data dihasilkan oleh aplikasi pengguna dan diterima oleh FPGA sebagai sampel. Port qSFP+ mengirimkan data digital melalui tautan serial ke FPGA, di mana resampling dan pencampuran frekuensi terjadi di domain digital. Kemudian melewati rutinitas interpolasi berbasis FPGA diikuti oleh konversi naik digital berbasis FPGA—menggunakan osilator yang dikontrol secara numerik (NCO). Pergeseran frekuensi yang diterapkan pengguna terjadi setelah interpolasi, sebelum mengirim data ke DAC, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Data digital yang diubah frekuensinya kemudian diubah oleh DAC menjadi sinyal analog, yang menghasilkan frekuensi gambar sebagai bagian dari proses konversi . Sinyal analog sekarang melewati filter anti-pencitraan, melalui amplifier ujung depan radio, dan kemudian keluar ke antena radio.
Mekanisme transmisi pita dasar
Saat sampel bergerak melalui berbagai komponen di SDR, frekuensi dan bandwidth berubah. Sekarang setelah kita memiliki pemahaman yang baik tentang sirkuit kita, mari kita lihat apa yang terjadi pada sinyal di setiap langkah ini.
Membuat sampel
Bagian bawah Gambar 1 menunjukkan tiga bentuk gelombang yang mungkin ingin kita pancarkan. Sebelum sampel dibuat, pengguna menentukan laju sampel (berlabel A). Sample rate berfungsi untuk menentukan bandwidth pengguna; interval [-A/2, A/2] yang berpusat di sekitar 0 Hz. Karena bentuk gelombang ini akan diimbangi oleh frekuensi NCO pada tahap selanjutnya, gelombang sinus awal dalam beberapa kasus mungkin memiliki frekuensi negatif—seperti sinyal hitam pada diagram. Setelah dihasilkan, sampel akan dikirim ke SDR melalui tautan serial untuk diproses lebih lanjut. Penting untuk dicatat bahwa tidak semua sampel dalam bandwidth pengguna akan ditransmisikan—ini akan menjadi jelas nanti (lihat sinyal kuning pada diagram di atas).
Interpolasi
Setelah menghasilkan sampel pengguna, langkah selanjutnya adalah melakukan interpolasi untuk mendapatkan bandwidth yang lebih besar. Bandwidth baru ini menetapkan interval yang lebih besar—juga berpusat di sekitar 0 Hz—yang ditentukan oleh laju sampel perangkat (325 MSPS untuk Crimson TNG, 1 GSPS untuk Cyan). Bandwidth pengguna selalu lebih kecil dari bandwidth konversi. Interpolasi sampel ke bandwidth yang lebih besar sangat penting untuk tahap berikutnya di mana konversi digital terjadi.
Konversi naik
Setelah menginterpolasi sinyal ke bandwidth konversi perangkat, FPGA dapat melanjutkan untuk mengonversi sampel. Ingatlah bahwa konversi ke atas hanya menggeser semua frekuensi ke atas dengan jumlah yang tetap—frekuensi NCO. Baik Crimson TNG dan Cyan memiliki mixer digital CORDIC yang mampu melakukan konversi naik dan turun (DUC, DDC). Up-konversi dicapai dengan mencampur sampel pengguna dengan osilator lokal yang ditemukan di FPGA (diatur ke frekuensi NCO). Hal ini menyebabkan frekuensi semua sinyal kita meningkat. Menggunakan bandwidth konversi yang lebih besar yang kami peroleh dari interpolasi memastikan bahwa kami dapat menangkap lebih banyak produk pencampuran kami.
Dalam beberapa kasus (lihat sinyal dengan warna kuning), pencampuran sinyal yang dihasilkan dengan frekuensi NCO menghasilkan frekuensi yang tidak berada dalam bandwidth pengguna. Di sini produk pencampuran akan tetap memiliki gambar yang diputar agar sesuai dengan bandwidth tangkapan kita (lihat garis putus-putus berwarna kuning). Untuk sinyal pita dasar, komponen frekuensi negatif dibuang dan oleh karena itu gambar ini tidak relevan dan diabaikan.
DAC kemudian mengubah sinyal ke bentuk analognya. Terlepas dari seberapa bagus kinerja DAC modern, gambar Nyquist dari sinyal asli akan tetap ada; pada setiap kelipatan dari bandwidth konversi kami, kami cenderung melihat gambar sinyal pada offset yang sesuai. Filter anti-pencitraan digunakan untuk menekan gambar yang biasanya muncul di zona Nyquist yang lebih tinggi—kelipatan dari bandwidth konversi. Sinyal analog terakhir sekarang dapat ditransmisikan melalui antena.
IQ Langsung
IQ langsung atau pengambilan sampel kuadratur dalam fase adalah varian dari pengambilan sampel langsung di mana sinyal RF yang diterima dibagi menjadi dua komponen, dipisahkan oleh fase 90 derajat. Dua saluran ADC—atau saluran DAC untuk transmisi—digunakan untuk mengambil sampel sinyal pergeseran fasa ini. Proses penerimaan IQ langsung dijelaskan di bawah ini.
klik untuk gambar ukuran penuh Gambar 2:Penerima IQ langsung, varian dari pengambilan sampel langsung, menggunakan dua saluran untuk mengambil sampel sinyal pergeseran fasa. Sumber:Per Wakil
Bagian pertama di sisi kiri Gambar 2 menunjukkan tiga gelombang sinus murni dan gambarnya saat ditangkap oleh antena. Sebuah attenuator variabel melemahkan frekuensi di luar band yang diinginkan. Tahap berikutnya—modulator IQ—menggabungkan komponen I dan Q untuk membentuk sinyal RF. Proses ini menggeser semua frekuensi ke bawah dengan jumlah yang ditentukan oleh osilator lokal (LO). Perhatikan bahwa ini adalah proses analog.
Filter anti-aliasing analog bertujuan untuk membatasi sinyal yang masuk hanya yang termasuk dalam domain konverter. Hal ini penting karena ADC memiliki rentang frekuensi operasi yang terbatas yang dibatasi oleh laju samplingnya. Bandwidth konverter menentukan interval besar yang berpusat di sekitar 0 Hz yang ditentukan oleh laju sampel perangkat (325 MSPS untuk Crimson TNG, 1 GSPS untuk Cyan). ADC mengubah sinyal yang masuk ke dalam bentuk digital.
Pada titik ini, bandwidth yang dikonversi besar untuk pemrosesan digital. Untuk mempersiapkan penipisan, sampel dikonversi ke bawah secara digital. Ini mengurangi frekuensi semua sinyal dengan frekuensi NCO yang diatur pada FPGA. Crimson TNG dan Cyan memiliki mixer digital CORDIC yang mampu melakukan DUC dan DDC. Down-conversion dilakukan dengan mencampur sampel yang diterima dengan osilator lokal yang ditemukan di FPGA—diatur ke apa yang disebut sebagai frekuensi NCO. Perhatikan bahwa setelah ini terjadi, beberapa frekuensi—seperti yang ditunjukkan dengan warna merah—mungkin negatif.
Sebelum sampel diterima, pengguna menentukan laju sampel (berlabel B). Tingkat sampel pada gilirannya menentukan bandwidth pengguna, interval [-B/2, B/2] yang berpusat di sekitar 0 Hz. Decimation memastikan bahwa semua sinyal yang masuk berada dalam bandwidth pengguna.
Super heterodyne
Penerima heterodyne mencampur sinyal RF yang diterima (f1) dengan sinyal referensi dari osilator lokal (f2) untuk menghasilkan dua sinyal pada frekuensi menengah (f1 ± f2). Superheterodyne—disingkat menjadi super-het—receiver's intermediate frequency (IF) dipilih sedemikian rupa sehingga lebih mudah untuk diproses dengan elektronik analog dan akibatnya berada di atas frekuensi normal yang dapat didengar manusia (oleh karena itu awalan dari “super”).
Penerima super-het
Penerima super-panas ditunjukkan pada Gambar 3. Perhatikan bahwa hanya penerima yang ditampilkan untuk kesederhanaan—sirkuit transmisi ekivalen akan menggunakan komponen serupa dengan aliran sinyal terbalik. Tahap analog terkait dipilih secara otomatis ketika pengguna memilih frekuensi kerja dalam kisaran super panas. Penerima super-panas pertama-tama mengubah RF yang diterima menggunakan mixer analog. Ini dicapai dengan sirkuit terpisah yang sesuai yang diberi label "papan LOgen" pada Gambar 3. Menggunakan pencampuran analog frekuensi tinggi dengan cara ini menghasilkan apa yang disebut sebagai frekuensi ketukan atau kelipatan IF. Filter analog diperlukan sebelum digitalisasi.
klik untuk gambar ukuran penuh Gambar 3:IF penerima superheterodyne dipilih sedemikian rupa sehingga lebih mudah untuk diproses dengan elektronik analog. Sumber:Per Wakil
Tahap kedua dari konversi turun diimplementasikan menggunakan modulator IQ diikuti oleh filter anti-pencitraan untuk menghapus produk konversi yang dihasilkan oleh proses pencampuran frekuensi tinggi. IF sekarang didigitalkan dan dapat dicampur lebih lanjut menggunakan mixer digital sebelum penipisan dan penggunaan akhir dalam perangkat lunak.
Memahami trade-off
Bergantung pada frekuensi kerja, SDR pita lebar memilih dari antara sirkuit analog yang tersedia. Saat bekerja dengan frekuensi pita dasar atau pengambilan sampel langsung, pencampuran analog tidak dimungkinkan, dan frekuensi dibatasi oleh kecepatan jam sirkuit. Saat bekerja dengan frekuensi yang lebih tinggi, sirkuit mixer analog diperlukan, dan jumlah tahap pencampuran analog kembali bergantung pada frekuensi. Bekerja dalam rentang GHz biasanya memerlukan sirkuit analog super panas dan biasanya dua sirkuit pencampuran analog untuk menurunkan frekuensi sinyal ke rentang kerja komponen digital, seperti ADC atau DAC.
Menggunakan satu perangkat untuk penyetelan pita lebar memerlukan pemahaman tentang pertukaran berbagai metode. Contohnya termasuk artifak sinyal yang disebabkan oleh pencampuran analog atau biaya perangkat konversi kecepatan tinggi jika pencampuran analog tidak diinginkan. Penting untuk bekerja dengan vendor yang memiliki pengalaman mengembangkan operasi pita lebar dan yang memiliki kemampuan untuk memodifikasi produk mereka untuk memenuhi persyaratan spesifik yang terkait dengan proyek tertentu. Yang terbaik adalah memilih vendor berdasarkan produk yang tersedia, spesifikasi, aplikasi yang didukung, dan diskusi seputar kemampuan mereka.
>> Artikel ini awalnya diterbitkan di situs saudara kami, EDN .
Victor Wollesen adalah CEO Per Vices Corporation.Eldrich Rebello adalah seorang insinyur listrik di Institut Energi Angin Kanada.
Konten Terkait:
Navigasi satelit dan Radio yang Ditentukan Perangkat Lunak
Mobil yang ditentukan perangkat lunak:Platform yang efisien untuk paralelisasi penting
Keamanan IoT – Perimeter dan blockchain yang ditentukan perangkat lunak
Proyek SDN sumber terbuka mendapatkan kode Google
Mengapa DSP tiba-tiba ada di mana-mana
Untuk lebih banyak Tertanam, berlangganan buletin email mingguan Tersemat.
Victor Wollesen adalah CEO Per Vices Corporation. 
Eldrich Rebello adalah seorang insinyur listrik di Institut Energi Angin Kanada.