Teledyne e2v通過最新的微波數(shù)字轉換器推動無線電軟件化

過去的幾十年里，無線電技術標準、相關應用和互聯(lián)設備得到了爆炸式的發(fā)展，對數(shù)據(jù)帶寬和吞吐量的要求越來越高。據(jù)統(tǒng)計，45億因特網(wǎng)用戶和迅速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)變革對器件性能要求的年增長速度超過25%¹，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。當今，隨著在家辦公日益普及，地面和空間通訊的關鍵基礎設施已投入測試。

導言：

目前，關鍵的無線電頻段資源短缺，無法滿足需要。這意味著現(xiàn)代通訊網(wǎng)絡需要找到更明智的方式以保持數(shù)據(jù)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。在過去的幾年里，新建的基礎設置已開始考慮到未來的需要。

目前因特網(wǎng)流量的增長量超過25%(CAGR)，2020年每月超過200EB(EB=10¹⁸ 字節(jié)或10⁶ TB)，2022年預計達到每年4.2 ZB。（數(shù)據(jù)來源:Cisco 2019)

本文將討論一些未來電子數(shù)據(jù)交換的核心技術。在軟件定義無線電/網(wǎng)絡（SDR/SDN）中，軟件技術是影響最大的因素。當今，業(yè)內普遍認為虛擬系統(tǒng)硬件以及將人工智能引入復雜的操作流程，可實現(xiàn)最高的系統(tǒng)效率、利用率和動態(tài)敏捷度。聽起來像是科幻小說？事實上，這種技術即將到來。

如今，無線網(wǎng)絡已經(jīng)非常復雜，無法通過使用諸如設計時間服務計劃或簡單的通用設計等傳統(tǒng)的方法優(yōu)化。人們需要更智能、更高級的技術：例如認知無線電(CR) — 這種無線電能監(jiān)測動態(tài)網(wǎng)絡行為，識別不同應用的需求，自動調整其物理層參數(shù)，使網(wǎng)絡性能和服務質量(QoS)最大化。在許多情況下，不同的應用共享相同的無線通道和頻段，難以同時滿足不同的QoS標準?，F(xiàn)在使用的基本控制架構無法同時平衡關鍵的功能參數(shù)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(shù)據(jù)率、時間關鍵/非時間關鍵信號等，則更加難以實現(xiàn)。

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語，是指利用算法解決之前由硬件解決的通信問題。為了實現(xiàn)軟件化，未來的系統(tǒng)會逐漸虛擬化和數(shù)字可控化。

軟件化如何影響網(wǎng)絡設計和規(guī)劃？

有如下兩種情況：

●   SDR：通過認知無線電技術，越來越多的應用可使用軟件實現(xiàn)調制、糾錯甚至載波頻率和通道帶寬，以滿足動態(tài)運行的需要。使用波束成型、相控陣天線以及快速載波跳頻可進一步增強SDR的性能。

●    SDN：控制平面和數(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)

邁向軟件化：

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

這篇文檔概述了研究和發(fā)展的領域，并介紹了當今網(wǎng)絡基礎設施的情況。不出所料，今天工程師和大眾最熟知的挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)安全和個人隱私?？紤]到物理網(wǎng)(IoT)對今天的工業(yè)4.0革命的影響，越來越多的設備通過網(wǎng)絡互連，服務規(guī)劃是另一個重要的挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)越來越復雜，需支持數(shù)據(jù)量剪切和越來越大的容量，還有各種不同的通訊技術（無線標準、光學互連、衛(wèi)星通訊）以及眾多的用戶和服務提供商。難怪現(xiàn)在我們期待新的人工智能和機器學習解決方案能將上述的需求一并滿足，這需要同時平衡集中和分散的數(shù)據(jù)方法，如同步進行云計算、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，專業(yè)從事微波技術的研發(fā)。早在第一款軍用雷達發(fā)明的時候，Teledyne e2v就涉足了微波的領域。70多年前，Teledyne e2v已開始設計行波管和閘流管系統(tǒng)。

1995年，Teledyne e2v研發(fā)了第一代寬帶數(shù)據(jù)轉換器，包括模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器芯片(ADC和DAC)，為提高射頻系統(tǒng)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(shù)字域。它們是數(shù)字控制射頻無線電系統(tǒng)的關鍵器件，可提高下一代通訊設施的控制靈活性。

無線電軟件化是什么？

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

隨著過去10年數(shù)字電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的復雜敏捷無線電系統(tǒng)和相關的應用，如即將到來的5G移動無線終端。但是，若不仔細規(guī)劃、設計網(wǎng)絡系統(tǒng)，則難以保證未來通訊系統(tǒng)的流暢度。關鍵的數(shù)據(jù)需要在機器和機器(M2M)之間交換，如自動售貨機網(wǎng)絡以及自動駕駛和交通管理系統(tǒng)等，使得系統(tǒng)對吞吐量和延遲的壓力越來越大。

a)

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a) 傳統(tǒng)的單級外差式無線電，需下混頻器

b)

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b) 利用ADC內部采樣信號混疊的直接轉換系統(tǒng)

圖為簡化的接收端信號鏈路

利用數(shù)學增強現(xiàn)代通訊系統(tǒng)的敏捷度和靈活性

多年來，采樣定理、傅里葉變換和卷積等數(shù)學理論對通訊系統(tǒng)的發(fā)展做出了很大貢獻。當在無線電系統(tǒng)中應用

數(shù)據(jù)轉換器時，用戶將得到更多的便利。

圖1中可明顯看出轉換器和數(shù)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現(xiàn)第一級下變頻。在ADC之后的下變頻使用DSP內部的不同的數(shù)字控制振蕩器鎖定到特定的載波信號。

最終，這種先進的數(shù)字方法應用于高靈活性的接收系統(tǒng)中，用于處理多個通道，并由數(shù)字域變量定義（圖2）。這是一種簡單的優(yōu)化認知無線電的方案。

圖 2 - 在增強型SDR中，數(shù)字控制振蕩器可調節(jié)任何數(shù)量的獨立通道

接收端射頻欠采樣

在采樣系統(tǒng)里，奈奎斯特-香農采樣定理規(guī)定了模擬數(shù)字轉換器以采樣率2B采樣最大帶寬為B的信號時，可在數(shù)字域還原原始的信號。 通過使用帶通濾波器，則有可能使用欠采樣直接將超過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)。