集成式RF采樣收發器支持快速跳頻、多頻帶和多模式操作

作者：德州儀器高速數據轉換器應用經理Matthias Feulner

最新的直接無線射頻(RF) - 采樣收發器 – 包括德州儀器的AFE7444和AFE7422設備，分別支持四個和兩個天線信道 – 提供多種強大功能，使得多種先進的系統特性，如多頻帶和多模式操作，以及變頻和快速跳頻成為可能。這些功能從系統概念來看變得日益普及，如多功能陣列，大型相控陣天線的不同子陣列可配置為根據情況或任務需要而執行多種功能；這包括雷達、通信或電子戰(EW)功能，如圖1所示。

多功能相控陣列系統

此外，這些系統常常需要實現快速跳頻，以便通過重復或任意的序列逐漸調整到工作頻率，如圖 2所示。如此執行可以避免人為干擾、防范信號探測或便于實施防電子欺騙技術（電子欺騙：篡改雷達反射信號的電子簽名）。

跨越多個奈奎斯特區的頻率捷變操作

為進一步了解這些功能，讓我們首先來研究一下集成式RF采樣收發器的功能模塊，如圖 3所示。

AFE7444/AFE7422 RF采樣收發器的功能模塊

當接收器與發送器結合應用時，這些功能模塊將以下列方式提供增強功能：

跨越從幾MHz直至6 GHz的極寬的RF頻率范圍進行操作，處理非常寬泛的非瞬間帶寬，最高可達1.5 GHz。

數字信號處理模塊，支持聚合和解聚合多種子帶或波形，每個子帶或波形可在接收或發送側作為獨立的數字數據流進行處理。

多頻帶或多模式信號處理

現在讓我們來考慮通過利用寬頻帶采樣、合成以及數字處理功能，來處理多頻帶或多模式信號的使用案例。如圖 4所示。

使用AFE7422和AFE7444的多頻帶發送和接收配置

此設置會生成多頻帶信號，該信號包括三個不同的子帶，總帶寬為2.75 GHz。接收器在跨越多個奈奎斯特區的整個頻帶中采樣，然后將采樣數據饋送到數字下變頻模塊（具有多個并聯級）。方法是通過獨立的數字控制振蕩器(NCO)和數字混頻器，選擇多個子帶并將它們轉變為基頻信號。應用抽選，然后根據單個信號的帶寬，降低輸出采樣率，并抑制帶外減損。

相反地，在發送側，各個數字輸入流輸入到多個并聯的數字上變頻級中，上變頻將把基頻信號轉換為其相應的目標頻率。然后，數據將被超抽樣至RF數模轉換器(DAC)輸出采樣率，通過最后一級中的RF DAC合成一個合并后的寬頻帶信號（范圍從700 MHz到3.45 GHz）。

變頻和跳頻

您可以通過僅選擇單個頻帶，并利用內部數字環回，然后在重新發送該信號之前對所選的子帶應用頻移，從而擴展前一個案例。如圖 5所示。

使用AFE7444/AFE7422實現變頻或跳頻

此設置可捕獲前文所述的多頻帶信號。數字下變頻模塊選擇一個獨立的子帶，將其轉換為基頻信號并通過數字濾波器傳遞。數字濾波器會清除帶外減損，如諧波或混頻產品。芯片內數字環回路徑，支持直接將數字接收器的數字輸出數據饋送入發送器路徑，而無需離開芯片，并且不必連接任何額外的處理設備。

只需把濾波后的信號向上變頻回為最初接收的頻率，便打造出片上數字中繼器。為了部署跳頻發送器，需要將發送器部分的NCO編程使其輸出所需的新頻率，然后重新發送頻移信號。如圖 5中頻譜分析儀圖譜中的黃色跡線所示，并將其與最初接收的多頻帶頻譜（綠色跡線）相比較。

振蕩器上的頻率躍遷

到現在為止，我舉例說明了基本概念，類似的方法可以用于支持其它使用案例，包括：

多頻帶變頻。由于使用了多個并聯的數字下變頻和上變頻模塊，所以您可以接收并將多頻帶信號解聚合為多個獨立的子帶信號，然后對每個子帶信號應用獨立的頻移，并經片上內部數字環回饋送入發送器路徑，在達到新的頻率后重新發送子帶信號。

快速跳頻。由于我們可以重新編程NCO從而在幾毫秒內獲得更新的頻率，或輪流使用乒乓模式下每個信號路徑上可用的多個NCO，就可以接收并按照重復性或任意序列發送頻率捷變信號。這兩種頻率之間的轉換如圖 6所示。

斜坡產生/直接數字合成模式。用于每個發送器的內置正弦波音頻發生器，都支持生成雷達系統常用的頻率斜坡和調頻連續波(FMCW)。

同步寬頻帶掃描和窄頻帶觀測。因為每個接收器前端采樣級都可以連接多個數字處理級，所以您可以選擇為寬頻帶模式配置一個接收路徑。輸出跨越奈奎斯特全頻帶的采樣數據，并觀測最高可達1.5 GHz的非瞬間帶寬，進而掃描是否有任何信號的存在。與此同時，您可以配置窄頻帶抽選模式的第二個路徑，放大后精確分析在寬頻帶模式下探測到的所有信號。