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

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。

導(dǎo)言：

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10⁶ TB)，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)?，F(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)。

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。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)。

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。

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。

a)

a）

a) 傳統(tǒng)的單級(jí)外差式無(wú)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(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)。