Teledyne e2v通過(guò)最新的微波數字轉換器推動(dòng)無(wú)線(xiàn)電軟件化

過(guò)去的幾十年里，無(wú)線(xiàn)電技術(shù)標準、相關(guān)應用和互聯(lián)設備得到了爆炸式的發(fā)展，對數據帶寬和吞吐量的要求越來(lái)越高。據統計，45億因特網(wǎng)用戶(hù)和迅速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)變革對器件性能要求的年增長(cháng)速度超過(guò)25%¹，這是一個(gè)巨大的挑戰。當今，隨著(zhù)在家辦公日益普及，地面和空間通訊的關(guān)鍵基礎設施已投入測試。

導言：

目前，關(guān)鍵的無(wú)線(xiàn)電頻段資源短缺，無(wú)法滿(mǎn)足需要。這意味著(zhù)現代通訊網(wǎng)絡(luò )需要找到更明智的方式以保持數據的流通。一種有效的方式是分隔和重用寶貴的射頻頻段，最大化其利用率。在過(guò)去的幾年里，新建的基礎設置已開(kāi)始考慮到未來(lái)的需要。

目前因特網(wǎng)流量的增長(cháng)量超過(guò)25%(CAGR)，2020年每月超過(guò)200EB(EB=10¹⁸ 字節或10⁶ TB)，2022年預計達到每年4.2 ZB。（數據來(lái)源:Cisco 2019)

本文將討論一些未來(lái)電子數據交換的核心技術(shù)。在軟件定義無(wú)線(xiàn)電/網(wǎng)絡(luò )（SDR/SDN）中，軟件技術(shù)是影響最大的因素。當今，業(yè)內普遍認為虛擬系統硬件以及將人工智能引入復雜的操作流程，可實(shí)現最高的系統效率、利用率和動(dòng)態(tài)敏捷度。聽(tīng)起來(lái)像是科幻小說(shuō)？事實(shí)上，這種技術(shù)即將到來(lái)。

如今，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)非常復雜，無(wú)法通過(guò)使用諸如設計時(shí)間服務(wù)計劃或簡(jiǎn)單的通用設計等傳統的方法優(yōu)化。人們需要更智能、更高級的技術(shù)：例如認知無(wú)線(xiàn)電(CR) — 這種無(wú)線(xiàn)電能監測動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )行為，識別不同應用的需求，自動(dòng)調整其物理層參數，使網(wǎng)絡(luò )性能和服務(wù)質(zhì)量(QoS)最大化。在許多情況下，不同的應用共享相同的無(wú)線(xiàn)通道和頻段，難以同時(shí)滿(mǎn)足不同的QoS標準?，F在使用的基本控制架構無(wú)法同時(shí)平衡關(guān)鍵的功能參數需求，包括延遲、吞吐量、可靠性和適應力。若是考慮到不同的通訊需求，如低/高數據率、時(shí)間關(guān)鍵/非時(shí)間關(guān)鍵信號等，則更加難以實(shí)現。

軟件化是一種可行的解決方案。軟件化做為一種相對較新的術(shù)語(yǔ)，是指利用算法解決之前由硬件解決的通信問(wèn)題。為了實(shí)現軟件化，未來(lái)的系統會(huì )逐漸虛擬化和數字可控化。

軟件化如何影響網(wǎng)絡(luò )設計和規劃？

有如下兩種情況：

●   SDR：通過(guò)認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，越來(lái)越多的應用可使用軟件實(shí)現調制、糾錯甚至載波頻率和通道帶寬，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)運行的需要。使用波束成型、相控陣天線(xiàn)以及快速載波跳頻可進(jìn)一步增強SDR的性能。

●    SDN：控制平面和數據平面的硬件互相解耦，控制集中化，并從具體應用中抽象出基礎設計。

¹ 參考Cisco系統數據

邁向軟件化：

歐盟地平線(xiàn)2020計劃預測了下一代因特網(wǎng)(NGI)的挑戰，并在2018年底發(fā)布了網(wǎng)絡(luò )世界2020討論文檔《NGI的智能網(wǎng)絡(luò )²》。這篇詳細的文檔討論了基于軟件化的下一代網(wǎng)絡(luò )建設的多種挑戰，特別是SDR和SDN。

這篇文檔概述了研究和發(fā)展的領(lǐng)域，并介紹了當今網(wǎng)絡(luò )基礎設施的情況。不出所料，今天工程師和大眾最熟知的挑戰是數據安全和個(gè)人隱私?？紤]到物理網(wǎng)(IoT)對今天的工業(yè)4.0革命的影響，越來(lái)越多的設備通過(guò)網(wǎng)絡(luò )互連，服務(wù)規劃是另一個(gè)重要的挑戰。

系統越來(lái)越復雜，需支持數據量剪切和越來(lái)越大的容量，還有各種不同的通訊技術(shù)（無(wú)線(xiàn)標準、光學(xué)互連、衛星通訊）以及眾多的用戶(hù)和服務(wù)提供商。難怪現在我們期待新的人工智能和機器學(xué)習解決方案能將上述的需求一并滿(mǎn)足，這需要同時(shí)平衡集中和分散的數據方法，如同步進(jìn)行云計算、霧計算和邊緣計算。

提高射頻敏捷度：

Teledyne e2v是一家總部在法國格勒諾布爾的公司，專(zhuān)業(yè)從事微波技術(shù)的研發(fā)。早在第一款軍用雷達發(fā)明的時(shí)候，Teledyne e2v就涉足了微波的領(lǐng)域。70多年前，Teledyne e2v已開(kāi)始設計行波管和閘流管系統。

1995年，Teledyne e2v研發(fā)了第一代寬帶數據轉換器，包括模數轉換器和數模轉換器芯片(ADC和DAC)，為提高射頻系統的敏捷度和靈活性做出了巨大貢獻。

這些器件支持高頻模擬射頻信號，并將其下變頻/上變頻至數字域。它們是數字控制射頻無(wú)線(xiàn)電系統的關(guān)鍵器件，可提高下一代通訊設施的控制靈活性。

無(wú)線(xiàn)電軟件化是什么？

無(wú)線(xiàn)電軟件化是通過(guò)應用算法實(shí)現可編程、可重復配置的無(wú)線(xiàn)電通信通道或系統。這些無(wú)線(xiàn)電可以使軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)，甚至是認知無(wú)線(xiàn)電(CR)，即能夠識別本地射頻環(huán)境并設置其物理層參數（載波頻率、調制模式等）以最大化頻譜容量利用率的無(wú)線(xiàn)電。

隨著(zhù)過(guò)去10年數字電子技術(shù)的發(fā)展，出現了越來(lái)越多的復雜敏捷無(wú)線(xiàn)電系統和相關(guān)的應用，如即將到來(lái)的5G移動(dòng)無(wú)線(xiàn)終端。但是，若不仔細規劃、設計網(wǎng)絡(luò )系統，則難以保證未來(lái)通訊系統的流暢度。關(guān)鍵的數據需要在機器和機器(M2M)之間交換，如自動(dòng)售貨機網(wǎng)絡(luò )以及自動(dòng)駕駛和交通管理系統等，使得系統對吞吐量和延遲的壓力越來(lái)越大。

a)

a）

a) 傳統的單級外差式無(wú)線(xiàn)電，需下混頻器

b)

b)

b) 利用ADC內部采樣信號混疊的直接轉換系統

圖為簡(jiǎn)化的接收端信號鏈路

利用數學(xué)增強現代通訊系統的敏捷度和靈活性

多年來(lái)，采樣定理、傅里葉變換和卷積等數學(xué)理論對通訊系統的發(fā)展做出了很大貢獻。當在無(wú)線(xiàn)電系統中應用

數據轉換器時(shí)，用戶(hù)將得到更多的便利。

圖1中可明顯看出轉換器和數字信號處理對接收路徑的影響。 當代的外差式設計（圖1a)需要使用一個(gè)模擬下混頻器，將接收的信號轉換到ADC的第二奈奎斯特域。

而在直接射頻處理架構中（圖1b)，ADC利用信號混疊直接實(shí)現第一級下變頻。在A(yíng)DC之后的下變頻使用DSP內部的不同的數字控制振蕩器鎖定到特定的載波信號。

最終，這種先進(jìn)的數字方法應用于高靈活性的接收系統中，用于處理多個(gè)通道，并由數字域變量定義（圖2）。這是一種簡(jiǎn)單的優(yōu)化認知無(wú)線(xiàn)電的方案。

圖 2 - 在增強型SDR中，數字控制振蕩器可調節任何數量的獨立通道

接收端射頻欠采樣

在采樣系統里，奈奎斯特-香農采樣定理規定了模擬數字轉換器以采樣率2B采樣最大帶寬為B的信號時(shí)，可在數字域還原原始的信號。 通過(guò)使用帶通濾波器，則有可能使用欠采樣直接將超過(guò)帶寬限制的高奈奎斯特域的射頻信號下變頻至其基帶頻譜范圍（圖2）。欠采樣需使用ADC前端的采樣保持放大器(TH)。