【導(dǎo)讀】過(guò)去的幾十年里，無(wú)線電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)應(yīng)用和互聯(lián)設(shè)備得到了爆炸式的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)帶寬和吞吐量的要求越來(lái)越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(duì)器件性能要求的年增長(zhǎng)速度超過(guò)25%1，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)今，隨著在家辦公日益普及，地面和空間通訊的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施已投入測(cè)試。
目前，關(guān)鍵的無(wú)線電頻段資源短缺，無(wú)法滿(mǎn)足需要。這意味著現(xiàn)代通訊網(wǎng)絡(luò)需要找到更明智的方式以保持?jǐn)?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(guò)去的幾年里，新建的基礎(chǔ)設(shè)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(zhǎng)量超過(guò)25%(CAGR)，2020年每月超過(guò)200EB(EB=1018字節(jié)或106TB)，2022年預(yù)計(jì)達(dá)到每年4.2 ZB（數(shù)據(jù)來(lái)源:Cisco 2019)
本文將討論一些未來(lái)電子數(shù)據(jù)交換的核心技術(shù)。在軟件定義無(wú)線電/網(wǎng)絡(luò)（SDR/SDN）中，軟件技術(shù)是影響最大的因素。當(dāng)今，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為虛擬系統(tǒng)硬件以及將人工智能引入復(fù)雜的操作流程，可實(shí)現(xiàn)最高的系統(tǒng)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)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)使用諸如設(shè)計(jì)時(shí)間服務(wù)計(jì)劃或簡(jiǎn)單的通用設(shè)計(jì)等傳統(tǒng)的方法優(yōu)化。人們需要更智能、更高級(jí)的技術(shù)：例如認(rèn)知無(wú)線電(CR)——這種無(wú)線電能監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)行為，識(shí)別不同應(yīng)用的需求，自動(dòng)調(diào)整其物理層參數(shù)，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(yīng)用共享相同的無(wú)線通道和頻段，難以同時(shí)滿(mǎn)足不同的QoS標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在使用的基本控制架構(gòu)無(wú)法同時(shí)平衡關(guān)鍵的功能參數(shù)需求，包括延遲、吞吐量、可靠性和適應(yīng)力。若是考慮到不同的通訊需求，如低/高數(shù)據(jù)率、時(shí)間關(guān)鍵/非時(shí)間關(guān)鍵信號(hào)等，則更加難以實(shí)現(xiàn)。
軟件化是一種可行的解決方案。軟件化做為一種相對(duì)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(xiàn)軟件化，未來(lái)的系統(tǒng)會(huì)逐漸虛擬化和數(shù)字可控化。
軟件化如何影響網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃？有如下兩種情況：
•SDR：通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，越來(lái)越多的應(yīng)用可使用軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)制、糾錯(cuò)甚至載波頻率和通道帶寬，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)運(yùn)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(jìn)一步增強(qiáng)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(yīng)用中抽象出基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。
邁向軟件化
歐盟地平線2020計(jì)劃預(yù)測(cè)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(luò)世界2020討論文檔《NGI的智能網(wǎng)絡(luò)2》。這篇詳細(xì)的文檔討論了基于軟件化的下一代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(lǐng)域，并介紹了當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(gè)人隱私。考慮到物理網(wǎng)(IoT)對(duì)今天的工業(yè)4.0革命的影響，越來(lái)越多的設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互連，服務(wù)規(guī)劃是另一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。
系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，需支持?jǐn)?shù)據(jù)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)線標(biāo)準(zhǔn)、光學(xué)互連、衛(wèi)星通訊）以及眾多的用戶(hù)和服務(wù)提供商。難怪現(xiàn)在我們期待新的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)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(shù)據(jù)方法，如同步進(jìn)行云計(jì)算、霧計(jì)算和邊緣計(jì)算。
提高射頻敏捷度
Teledyne e2v是一家總部在法國(guó)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(dá)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(shè)計(jì)行波管和閘流管系統(tǒng)。
無(wú)線電軟件化是什么？
無(wú)線電軟件化是通過(guò)應(yīng)用算法實(shí)現(xiàn)可編程、可重復(fù)配置的無(wú)線電通信通道或系統(tǒng)。這些無(wú)線電可以使軟件定義無(wú)線電(SDR)，甚至是認(rèn)知無(wú)線電(CR)，即能夠識(shí)別本地射頻環(huán)境并設(shè)置其物理層參數(shù)（載波頻率、調(diào)制模式等）以最大化頻譜容量利用率的無(wú)線電。
隨著過(guò)去10年數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的復(fù)雜敏捷無(wú)線電系統(tǒng)和相關(guān)的應(yīng)用，如即將到來(lái)的5G移動(dòng)無(wú)線終端。但是，若不仔細(xì)規(guī)劃、設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，則難以保證未來(lái)通訊系統(tǒng)的流暢度。關(guān)鍵的數(shù)據(jù)需要在機(jī)器和機(jī)器(M2M)之間交換，如自動(dòng)售貨機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及自動(dòng)駕駛和交通管理系統(tǒng)等，使得系統(tǒng)對(duì)吞吐量和延遲的壓力越來(lái)越大。
1995年，Teledyne e2v研發(fā)了第一代寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)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(xiàn)。
這些器件支持高頻模擬射頻信號(hào)，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(wú)線電系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，可提高下一代通訊設(shè)施的控制靈活性。
軟件化或數(shù)字控制的本質(zhì)
無(wú)線電通訊系統(tǒng)將載波頻率（通常是一個(gè)單音信號(hào)）和數(shù)據(jù)（信息）信號(hào)調(diào)制（或混合）。ADC采樣信號(hào)頻率，產(chǎn)生連續(xù)的數(shù)字信號(hào)流，然后數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)將有用的信息從信號(hào)流中抽取出來(lái)。而DAC通常用于發(fā)射端，其產(chǎn)生定義的合成射頻信號(hào)譜，并將信號(hào)功率投射于特定的通道。
在當(dāng)代的外差式無(wú)線電設(shè)計(jì)中，需使用一個(gè)或幾個(gè)中頻環(huán)節(jié)將信號(hào)能量向上或向下投射于無(wú)線電頻譜中，并轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換器的基帶頻率范圍。這些中頻需要混合電路和本振頻率振蕩器，帶來(lái)設(shè)置和校準(zhǔn)的挑戰(zhàn)，并增加成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。幸運(yùn)的是，隨著半導(dǎo)體器件技術(shù)（例如晶體管躍遷和最大頻率）的高速發(fā)展，用戶(hù)可大大減少中頻模擬混頻器的環(huán)節(jié)和其本振的需求，直接在射頻信號(hào)頻段數(shù)字化。支持多奈奎斯特采樣的ADC可實(shí)現(xiàn)直接射頻轉(zhuǎn)換，提供精確的、無(wú)需混頻器的通道選擇（或調(diào)節(jié)）功能，并支持多種方便數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字解碼和解調(diào)的模式。
系統(tǒng)發(fā)射端的情況也是類(lèi)似的。現(xiàn)代的寬帶DAC可將信號(hào)能量投射在微波頻率，允許數(shù)字控制，為通訊設(shè)施提供可編程性和靈活性。這些智能、靈活的無(wú)線電包括動(dòng)態(tài)可調(diào)整的物理層，便于處理短時(shí)通訊高峰或適配不同的工作模式。
圖 1 - 簡(jiǎn)化的接收端信號(hào)鏈路
a) 傳統(tǒng)的單級(jí)外差式無(wú)線電，需下混頻器 b) 利用ADC內(nèi)部采樣信號(hào)混疊的直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
利用數(shù)學(xué)增強(qiáng)現(xiàn)代通訊系統(tǒng)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(shù)學(xué)理論對(duì)通訊系統(tǒng)的發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)。當(dāng)在無(wú)線電系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，用戶(hù)將得到更多的便利。
圖1中可明顯看出轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理對(duì)接收路徑的影響。 當(dāng)代的外差式設(shè)計(jì)（圖1a)需要使用一個(gè)模擬下混頻器，將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換到ADC的第二奈奎斯特域。
而在直接射頻處理架構(gòu)中（圖1b)，ADC利用信號(hào)混疊直接實(shí)現(xiàn)第一級(jí)下變頻。在ADC之后的下變頻使用DSP內(nèi)部的不同的數(shù)字控制振蕩器鎖定到特定的載波信號(hào)。
最終，這種先進(jìn)的數(shù)字方法應(yīng)用于高靈活性的接收系統(tǒng)中，用于處理多個(gè)通道，并由數(shù)字域變量定義（圖2）。這是一種簡(jiǎn)單的優(yōu)化認(rèn)知無(wú)線電的方案。
圖 2 - 在增強(qiáng)型SDR中，數(shù)字控制振蕩器可調(diào)節(jié)任何數(shù)量的獨(dú)立通道
接收端射頻欠采樣
在采樣系統(tǒng)里，奈奎斯特-香農(nóng)采樣定理規(guī)定了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以采樣率2B采樣最大帶寬為B的信號(hào)時(shí)，可在數(shù)字域還原原始的信號(hào)。 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(hào)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)。
TH的作用類(lèi)似于可“折疊”射頻信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換器，在下面的例子里將20到22.5GHz的信號(hào)轉(zhuǎn)換到ADC的基帶（第一奈奎斯特域，即0到2.5GHz)。這去除了中頻生成的環(huán)節(jié)（如本振和中頻），極大地簡(jiǎn)化了模擬信號(hào)路徑的設(shè)計(jì)（圖3）。
3 - 接收端2.5 GHz帶寬信號(hào)（載波頻率21.25GHz)的TH欠采樣（fs = 5 GHz)
這是實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制無(wú)線電設(shè)計(jì)的基本步驟，在先前的介紹6 Gsps ADC EV12AQ600的文章3里有詳細(xì)描述。這款A(yù)DC的寬帶TH支持K波段信號(hào)的欠采樣。
發(fā)射端多奈奎斯特域頻率合成
在發(fā)射端，傳統(tǒng)的外差式無(wú)線電的發(fā)射DAC通常在第一奈奎斯特域(NZ1)輸出信號(hào)功率，并通過(guò)低通濾波器濾除混疊信號(hào)功率。如果發(fā)射DAC(TxDAC)可提供足夠大的帶寬，能將信號(hào)功率延展到更高的奈奎斯特域呢？如圖4所示，這時(shí)，可使用帶通濾波器選擇目標(biāo)信號(hào)頻段。
圖 4 - 在NZ1產(chǎn)生的合成射頻信號(hào)，并混疊到更高的奈奎斯特域（fs = 6 GHz)
例如，EV12DS480 TxDAC可延展信號(hào)功率直到26.5GHz，并以8.5Gsps的采樣率采樣。
ADC欠采樣和DAC多奈奎斯特域頻率合成是射頻數(shù)字控制的兩個(gè)關(guān)鍵要素，也是Teledyne e2v進(jìn)一步增強(qiáng)下一代無(wú)線電設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
KA波段創(chuàng)新的動(dòng)力
歐盟地平線2020計(jì)劃推動(dòng)的星際元器件工程，其目標(biāo)是開(kāi)發(fā)新的寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以簡(jiǎn)化射頻信號(hào)鏈路并推進(jìn)Ka波段直接轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展。在這樣的愿景下，元器件需實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)集成度，即增加射頻通道密度、減少功耗、增加帶寬和提高動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)促進(jìn)歐洲宇航業(yè)務(wù)的發(fā)展。我們預(yù)計(jì)這個(gè)工程將影響深遠(yuǎn)，包括增強(qiáng)通訊基礎(chǔ)設(shè)施和地球觀測(cè)能力等。
星際工程也推動(dòng)Teledyne e2v研發(fā)新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。Teledyne e2v正與星際工程密切合作，計(jì)劃研發(fā)一款全新的模擬前端(AFE)樣片。這款A(yù)FE能大幅擴(kuò)展微波頻率采樣帶寬，實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)的微波直接數(shù)字下變頻和頻率合成。
樣片的目標(biāo)電性能
• 高性能模擬采樣器，輸入帶寬高達(dá)Ka波段
• Ka波段較高的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)
• 單端輸入的信號(hào)路徑（無(wú)需巴倫）
• 高編碼效率，ESIstream串行數(shù)字接口
• 強(qiáng)大的時(shí)鐘管理，包括同步鏈功能，可在波束成型應(yīng)用
中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的相位對(duì)齊多通道系統(tǒng)
圖 5 - 直接射頻轉(zhuǎn)換采樣器的樣片
Teledyne e2v計(jì)劃研發(fā)的直接射頻轉(zhuǎn)換采樣器（圖5）預(yù)計(jì)-3dB模擬輸入帶寬高達(dá)微波Ka波段（即在26.5到40GHz之間）。除了無(wú)與倫比的帶寬，這款樣片還將包括一些獨(dú)特的功能，便于簡(jiǎn)單地應(yīng)用于實(shí)際的系統(tǒng)中。
這些功能包括：
• 單端模擬輸入信號(hào)路徑，簡(jiǎn)化印制板電路設(shè)計(jì)和布線
• 無(wú)需使用昂貴的、大體積的HF巴倫，可幫助用戶(hù)：
o直接從微波數(shù)字采樣
o減少模擬信號(hào)采樣器的信號(hào)失真
•獨(dú)特的微波采樣器和低抖動(dòng)時(shí)鐘管理
• 在模擬前端(AFE)的輸出端，這款器件沒(méi)有使用LVDS，而是使用許可證免費(fèi)的ESIstream高速串行接口系統(tǒng)，與市場(chǎng)上大多數(shù)的FPGA兼容（包括Xilinx的KU60系列）。
星際工程也促進(jìn)了下一代TxDAC的發(fā)展。EV12DD700擁有超過(guò)K波段的多奈奎斯特域的射頻性能。這款器件有多種用戶(hù)定義的輸出數(shù)據(jù)模式，包括一種特殊的“雙射頻”模式，與現(xiàn)有的DAC產(chǎn)品EV12DS480相比，極大地提升了信號(hào)輸出的能力。這款最新的轉(zhuǎn)換器的采樣率超過(guò)8Gsps，可靈活應(yīng)用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)。
模塊化全敏捷度微波SDR簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
輸入信號(hào)路徑簡(jiǎn)化
減少?gòu)?fù)雜微波射頻系統(tǒng)的串?dāng)_并降低EMI敏感度無(wú)疑是一個(gè)巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。因此，大多數(shù)的高端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)和時(shí)鐘輸入使用差分平衡信號(hào)。這一方案非常有效，幾乎成了今天的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。但是，差分電路設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)有以下兩個(gè)方面：
• ADC的輸入通常都是單端源，比如通過(guò)同軸電纜傳遞到接收端的射頻天線信號(hào)。為了處理這種單端信號(hào)，需在每個(gè)輸入端（微波采樣器和ADC）增加一個(gè)巴倫并平衡系統(tǒng)阻抗。這些巴倫需占用PCB面積，并相當(dāng)昂貴，特別是應(yīng)用于Ka波段的設(shè)計(jì)時(shí)。
•處理差分設(shè)計(jì)中的高速時(shí)鐘邊沿需精確匹配PCB走線的長(zhǎng)度，這極大地增加了設(shè)計(jì)的難度。而使用單端輸入可減少或消除接收機(jī)中這些環(huán)節(jié)累積的信號(hào)相位誤差。
增強(qiáng)的緊湊數(shù)據(jù)互聯(lián)
過(guò)去十年，數(shù)據(jù)互聯(lián)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器得到了快速的發(fā)展。越來(lái)越多的器件放棄了多路差分串行LVDS數(shù)據(jù)線配合獨(dú)立的數(shù)據(jù)時(shí)鐘的方案，轉(zhuǎn)向使用集成了時(shí)鐘的超高速接收機(jī)的串行鏈路。典型的接口包括JESD204的多代協(xié)議和許可證免費(fèi)的ESIstream，這兩種接口都支持超過(guò)12Gbps的數(shù)據(jù)率。
使用串行協(xié)議，可以更方便地使用光纖物理層替代銅線，并進(jìn)一步提高通道密度。在這些應(yīng)用中，抽值和插值技術(shù)可幫助減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€纜數(shù)量。
通過(guò)采樣時(shí)鐘精度保持信號(hào)相位信息
隨著采樣時(shí)鐘頻率的提高，必須保證整個(gè)系統(tǒng)中采樣邊沿的確定性，特別是對(duì)于波束成型微波無(wú)線電系統(tǒng)。信號(hào)采樣相位精度非常重要，因?yàn)樗鼪Q定了整個(gè)系統(tǒng)（例如高精度合成孔徑EO雷達(dá)）的空間測(cè)量精確度。
Teledyne e2v的獨(dú)特的同步鏈技術(shù)4,5通過(guò)使用相對(duì)低速的脈沖沿將任意數(shù)量的轉(zhuǎn)換器鎖定到相同的高精度采樣時(shí)鐘，成功解決了這一由同步信號(hào)的亞穩(wěn)態(tài)引起的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，用戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道的并聯(lián)，無(wú)需煩惱如何保證多個(gè)分布式射頻系統(tǒng)（用于相控陣和MIMO應(yīng)用等）的相位對(duì)齊。
總結(jié)——高密度模塊和天線更接近
這個(gè)項(xiàng)目的目的是顯著擴(kuò)展采樣帶寬，提高寬帶產(chǎn)品系列的性能，以滿(mǎn)足星際項(xiàng)目和市場(chǎng)的需要。 將直接轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用于微波Ka波段確實(shí)非常重要并且極具挑戰(zhàn)。
之前的研究工作已經(jīng)成功證明K波段直接轉(zhuǎn)換的可行性。需要指出，這一技術(shù)同樣可用于高可靠性的宇航應(yīng)用，這些應(yīng)用通常需較高的總劑量防輻射性能。
Teledyne e2v正著手解決所有的技術(shù)問(wèn)題，預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)推出高靈活性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器片上系統(tǒng)(SiP)模塊。這些模塊包含多輸入/多輸出的ADC/DAC、微波采樣器和相關(guān)的時(shí)鐘管理電路，集成度很高，可放在離天線更近的地方。這樣，超寬帶CR將成為現(xiàn)實(shí)，高敏捷度無(wú)線電基礎(chǔ)設(shè)施（至少其物理層）的挑戰(zhàn)將得到解決。SDR將變成靈活SDN系統(tǒng)中的一個(gè)至關(guān)重要的部分。
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