集成式RF采样收发器支持快速跳频、多频带和多模式操作

作者：德州仪器高速数据转换器应用经理Matthias Feulner

最新的直接无线射频(RF) - 采样收发器 – 包括德州仪器的AFE7444和AFE7422设备，分别支持四个和两个天线信道 – 提供多种强大功能，使得多种先进的系统特性，如多频带和多模式操作，以及变频和快速跳频成为可能。这些功能从系统概念来看变得日益普及，如多功能阵列，大型相控阵天线的不同子阵列可配置为根据情况或任务需要而执行多种功能；这包括雷达、通信或电子战(EW)功能，如图1所示。


图 1：多功能相控阵列系统

此外，这些系统常常需要实现快速跳频，以便通过重复或任意的序列逐渐调整到工作频率，如图 2所示。如此执行可以避免人为干扰、防范信号探测或便于实施防电子欺骗技术（电子欺骗：篡改雷达反射信号的电子签名）。


图 2：跨越多个奈奎斯特区的频率捷变操作

为进一步了解这些功能，让我们首先来研究一下集成式RF采样收发器的功能模块，如图 3所示。


图 3：AFE7444/AFE7422 RF采样收发器的功能模块

当接收器与发送器结合应用时，这些功能模块将以下列方式提供增强功能：

•        跨越从几MHz直至6 GHz的极宽的RF频率范围进行操作，处理非常宽泛的非瞬间带宽，最高可达1.5 GHz。
•        数字信号处理模块，支持聚合和解聚合多种子带或波形，每个子带或波形可在接收或发送侧作为独立的数字数据流进行处理。

多频带或多模式信号处理

现在让我们来考虑通过利用宽频带采样、合成以及数字处理功能，来处理多频带或多模式信号的使用案例。如图 4所示。


图 4：使用AFE7422和AFE7444的多频带发送和接收配置

此设置会生成多频带信号，该信号包括三个不同的子带，总带宽为2.75 GHz。接收器在跨越多个奈奎斯特区的整个频带中采样，然后将采样数据馈送到数字下变频模块（具有多个并联级）。方法是通过独立的数字控制振荡器(NCO)和数字混频器，选择多个子带并将它们转变为基频信号。应用抽选，然后根据单个信号的带宽，降低输出采样率，并抑制带外减损。
相反地，在发送侧，各个数字输入流输入到多个并联的数字上变频级中，上变频将把基频信号转换为其相应的目标频率。然后，数据将被超抽样至RF数模转换器(DAC)输出采样率，通过最后一级中的RF DAC合成一个合并后的宽频带信号（范围从700 MHz到3.45 GHz）。

变频和跳频

您可以通过仅选择单个频带，并利用内部数字环回，然后在重新发送该信号之前对所选的子带应用频移，从而扩展前一个案例。如图 5所示。


图 5：使用AFE7444/AFE7422实现变频或跳频

此设置可捕获前文所述的多频带信号。数字下变频模块选择一个独立的子带，将其转换为基频信号并通过数字滤波器传递。数字滤波器会清除带外减损，如谐波或混频产品。芯片内数字环回路径，支持直接将数字接收器的数字输出数据馈送入发送器路径，而无需离开芯片，并且不必连接任何额外的处理设备。

只需把滤波后的信号向上变频回为最初接收的频率，便打造出片上数字中继器。为了部署跳频发送器，需要将发送器部分的NCO编程使其输出所需的新频率，然后重新发送频移信号。如图 5中频谱分析仪图谱中的黄色迹线所示，并将其与最初接收的多频带频谱（绿色迹线）相比较。


图 6：振荡器上的频率跃迁

到现在为止，我举例说明了基本概念，类似的方法可以用于支持其它使用案例，包括：
•        多频带变频。由于使用了多个并联的数字下变频和上变频模块，所以您可以接收并将多频带信号解聚合为多个独立的子带信号，然后对每个子带信号应用独立的频移，并经片上内部数字环回馈送入发送器路径，在达到新的频率后重新发送子带信号。
•        快速跳频。由于我们可以重新编程NCO从而在几毫秒内获得更新的频率，或轮流使用乒乓模式下每个信号路径上可用的多个NCO，就可以接收并按照重复性或任意序列发送频率捷变信号。这两种频率之间的转换如图 6所示。
•        斜坡产生/直接数字合成模式。用于每个发送器的内置正弦波音频发生器，都支持生成雷达系统常用的频率斜坡和调频连续波(FMCW)。
•        同步宽频带扫描和窄频带观测。因为每个接收器前端采样级都可以连接多个数字处理级，所以您可以选择为宽频带模式配置一个接收路径。输出跨越奈奎斯特全频带的采样数据，并观测最高可达1.5 GHz的非瞬间带宽，进而扫描是否有任何信号的存在。与此同时，您可以配置窄频带抽选模式的第二个路径，放大后精确分析在宽频带模式下探测到的所有信号。