Teledyne e2v通過最新的微波數(shù)字轉(zhuǎn)換器推動(dòng)無線電軟件化

過去的幾十年里，無線電技術(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越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，45億因特網(wǎng)用戶和迅速發(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。

導(dǎo)言：

目前，關(guān)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(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。在過去的幾年里，新建的基礎(chǔ)設(shè)置已開始考慮到未來的需要。

目前因特網(wǎng)流量的增長(zhǎng)量超過25%(CAGR)，2020年每月超過200EB(EB=10¹⁸ 字節(jié)或10⁶ TB)，2022年預(yù)計(jì)達(dá)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(shù)。在軟件定義無線電/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。聽起來像是科幻小說？事實(shí)上，這種技術(shù)即將到來。

如今，無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常復(fù)雜，無法通過使用諸如設(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)知無線電(CR) — 這種無線電能監(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)用共享相同的無線通道和頻段，難以同時(shí)滿足不同的QoS標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在使用的基本控制架構(gòu)無法同時(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，是指利用算法解決之前由硬件解決的通信問題。為了實(shí)現(xiàn)軟件化，未來的系統(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：通過認(rèn)知無線電技術(shù)，越來越多的應(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)。

¹ 參考Cisco系統(tǒng)數(shù)據(jù)

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?？紤]到物理網(wǎng)(IoT)對(duì)今天的工業(yè)4.0革命的影響，越來越多的設(shè)備通過網(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)越來越復(fù)雜，需支持?jǐn)?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(shù)（無線標(biāo)準(zhǔn)、光學(xué)互連、衛(wèi)星通訊）以及眾多的用戶和服務(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已開始設(shè)計(jì)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(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。

無線電軟件化是什么？

無線電軟件化是通過應(yīng)用算法實(shí)現(xiàn)可編程、可重復(fù)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(rèn)知無線電(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線電。

隨著過去10年數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的復(fù)雜敏捷無線電系統(tǒng)和相關(guān)的應(yīng)用，如即將到來的5G移動(dòng)無線終端。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越大。

a)

a）

a) 傳統(tǒng)的單級(jí)外差式無線電，需下混頻器

b)

b)

b) 利用ADC內(nèi)部采樣信號(hào)混疊的直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

圖為簡(jiǎn)化的接收端信號(hào)鏈路

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，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)在無線電系統(tǒng)中應(yīng)用

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，用戶將得到更多的便利。

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(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)。