ソフトウェア無線が超広帯域周波数チューニングを処理する方法
ソフトウェア無線（SDR）は、汎用コンピュータプロセッサを使用して、アナログ回路ハードウェアの代わりにデジタル信号処理の側面を実行します。これにより、専用回路に比べて低コストで、アプリケーション、処理能力、ダイナミックレンジの柔軟性が向上します。完全アナログ無線と比較すると、SDRは一部のアナログ回路を同等のソフトウェア実装に置き換えますが、一部のアナログコンポーネントが必要になります。
SDRに必要なアナログコンポーネントの主な例は、無線周波数アンテナとインターフェイスする送信または受信増幅器回路です。無線システムの重要な部分は、信号の周波数を周波数の上下にシフトすることを目的としたミキサーです。これは、ヘテロダインと呼ばれるプロセスです。 SDRは、複素数を使用して信号を表すデジタルミキサーを使用するため、同等のアナログよりも大きな利点があります。アナログミキサーは信号をより低い周波数にしかシフトできないのに対し、SDRは信号をDCまで周波数シフトすることができます。
通常、SDRは中心周波数付近の帯域幅が広いため、無線スペクトルのより大きなスライスを監視し、再調整することなく、より広い範囲で調整することができます。言い換えると、これは、SDRがDCから18GHzを超える広いチューニング範囲にわたって高い瞬時帯域幅を提供できることが多いことを意味します。これら2つの高性能無線属性の組み合わせにより、周波数調整をサポートするために必要な無線および信号処理ハードウェアは異なる場合があります。
設計と周波数範囲に応じて、周波数のミキシングとチューニングは、デジタルまたはアナログを含め、信号チェーンの任意のポイントで実装できることに注意することが重要です。この記事では、直接サンプリング、位相直交（IQ）ミキシング、スーパーヘテロダインミキシングなど、さまざまな周波数の調整に使用できる特定のメカニズムについて説明します。
周波数力学とは何ですか？
このドキュメントでは、周波数力学という用語を使用して、高周波信号の周波数をアナログ-デジタルコンバータ（ADC）によるサンプリングに適した範囲にシフトダウンするプロセスと、それに続く周波数変換を指します。信号がデジタル化されると発生します。信号の周波数に基づいて特定の無線パスを選択する必要があります。さまざまな無線パスがさまざまな周波数範囲に最適化されています。各無線チェーン内で、周波数はアナログコンバーターによって混合され、周波数を効果的に上下にシフトします。
同様に、デジタル信号もコンバータ内またはFPGA内でシフトできます。選択した周波数範囲に応じて、サンプリングと変換のさまざまな方法が使用されます。簡単に説明すると、この記事では、特定のチューニングメカニズムと、各動作モードに関連する周波数メカニズムについて説明します。
メソッドアナログチューニングコンポーネント周波数チューニングの場所直接サンプリングなしソフトウェアIQミキサーハードウェアとそれに続くソフトウェアスーパーヘテロダインIFダウンコンバーター、場合によっては2番目のミキサーハードウェア直接サンプリング
直接サンプリングとは、アンテナから直接信号をサンプリング（または送信）し、その間にアナログコンポーネントを最小限に抑えるか、まったく含まないことを指します。言い換えると、無線周波数（RF）信号のチャンクがサンプリングされ、デジタル化されて、処理のためにソフトウェアに渡されます。この方法の制約は単純ですが、ノイズと高速サンプリングハードウェアおよびクロックの可用性が含まれます。 RFスペクトルの大きな広がりがサンプリングされるため、再調整することなくマルチバンドアプリケーションが可能です。
さまざまな周波数にチューニングできるかどうかは、送信時のADCまたはデジタル-アナログコンバーター（DAC）のサンプリングレートによって異なります。市販のコンバーターデバイスは、最大3GSPS（ギガサンプル/秒）をサンプリングできるため、大量のデータを短時間でデジタル化できます。これらのサンプルレートにより、多くの商用セルラー周波数帯域を含む複数の周波数帯域にわたるデータのサンプリングが可能になります。
SDRは、多くの場合、トランシーバー（送信と受信の両方が可能なデバイス）として動作します。直接サンプリングチェーンは、広帯域SDRで可能ないくつかのチェーンの1つです。アナログダウンコンバーターでサポートされている周波数よりも低い周波数を使用すると、直接サンプリングチェーンが自動的に選択されます。
ベースバンド送信
外部アンテナはスイッチと増幅器を介してSDRに接続されていますが、周波数変換用のアナログコンポーネントは使用されていないことに注意してください。すべてのリサンプリングと周波数変換はソフトウェアで実装され、アナログ回路は信号調整（フィルタリング）と増幅にのみ使用されます。
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図1：直接サンプリングとは、アンテナから直接信号を送信することを指し、その間にアナログコンポーネントは最小限またはまったくありません。出典：Per Vices
SDRがトランスミッタとして動作する場合、データはユーザーアプリケーションによって生成され、FPGAによってサンプルとして受信されます。 qSFP +ポートは、デジタル化されたデータをシリアルリンクを介してFPGAに送信します。FPGAでは、デジタルドメインでリサンプリングと周波数ミキシングが行われます。次に、FPGAベースの補間ルーチンを通過し、続いて数値制御発振器（NCO）を使用してFPGAベースのデジタルアップコンバージョンを実行します。図1に示すように、ユーザーが適用した周波数シフトは、補間後、データをDACに送信する前に発生します。周波数シフトされたデジタルデータは、DACによってアナログ信号に変換され、変換プロセスの一部として画像周波数が生成されます。 。現在のアナログ信号は、アンチイメージングフィルタを通過し、無線フロントエンドアンプを通過してから、無線アンテナに出力されます。
ベースバンド伝送の仕組み
サンプルがSDRのさまざまなコンポーネントを移動すると、周波数と帯域幅が変化します。回路について十分に理解できたので、これらの各ステップで信号がどうなるかを見てみましょう。
サンプルの生成
図1の下半分は、送信しようとしている可能性のある3つの波形を示しています。サンプルが生成される前に、ユーザーはサンプルレートを定義します（ラベルA）。サンプルレートは、ユーザー帯域幅を指定するのに役立ちます。 0Hzを中心とする間隔[-A / 2、A / 2]。これらの波形は後の段階でNCO周波数によってオフセットされるため、図の黒い信号のように、最初の正弦波の周波数が負になる場合があります。生成されると、サンプルはシリアルリンクを介してSDRに送信され、さらに処理されます。ユーザー帯域幅のすべてのサンプルが送信されるわけではないことに注意することが重要です。後で明らかになります（上の図の黄色の信号を参照）。
補間
ユーザーサンプルを生成した後、次のステップは、より広い帯域幅を取得するために補間を実行することです。この新しい帯域幅は、デバイスのサンプルレート（CrimsonTNGの場合は325MSPS、Cyanの場合は1 GSPS）によって定義される、より大きな間隔（0 Hzを中心とする）を指定します。ユーザー帯域幅は常に変換帯域幅よりも小さくなります。デジタルアップコンバージョンが行われる次の段階では、サンプルをより広い帯域幅に補間することが重要です。
アップコンバージョン
信号をデバイスの変換帯域幅に補間した後、FPGAはサンプルのアップコンバートに進むことができます。アップコンバージョンは、すべての周波数を一定量、つまりNCOの周波数だけ上にシフトすることを思い出してください。 Crimson TNGとCyanの両方に、アップコンバージョンとダウンコンバージョン（DUC、DDC）の両方が可能なCORDICデジタルミキサーがあります。アップコンバージョンは、ユーザーサンプルをFPGAにある局部発振器（NCO周波数に設定）と混合することによって実現されます。これにより、すべての信号の周波数が上昇します。補間から得られたより広い変換帯域幅を使用することで、より多くのミキシング製品をキャプチャできるようになります。
場合によっては（黄色の信号を参照）、生成された信号をNCO周波数と混合すると、ユーザーの帯域幅内にない周波数になります。ここでも、ミキシング製品には、キャプチャ帯域幅内に収まるように回転された画像が含まれています（黄色の点線を参照）。ベースバンド信号の場合、負の周波数成分は破棄されるため、この画像は関連性がなく無視されます。
次に、DACは信号をアナログ形式に変換します。現代のDACのパフォーマンスは優れていますが、元の信号のナイキスト画像は存在します。変換帯域幅の倍数ごとに、対応するオフセットで信号の画像が表示される可能性があります。アンチイメージングフィルターは、変換帯域幅の倍数である、より高いナイキストゾーンで通常表示される画像を抑制するために使用されます。これで、最終的なアナログ信号をアンテナ経由で送信できます。
ダイレクトIQ
直接IQまたは同相直交サンプリングは、受信したRF信号が90度の位相で分離された2つのコンポーネントに分割される直接サンプリングの変形です。これらの位相シフト信号をサンプリングするために、2つのADCチャネル（または伝送用のDACチャネル）が使用されます。直接IQ受信のプロセスを以下に説明します。
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図2：ダイレクトサンプリングの変形であるダイレクトIQレシーバーは、2つのチャネルを使用して位相シフト信号をサンプリングします。出典：Per Vices
図2の左側の最初のセクションは、3つの純粋な正弦波と、アンテナによってピックアップされたときのそれらの画像を示しています。可変減衰器は、対象の帯域外の周波数を減衰させます。次のステージであるIQ変調器は、IコンポーネントとQコンポーネントを組み合わせてRF信号を形成します。このプロセスは、局部発振器（LO）によって決定された量だけすべての周波数をシフトダウンします。これはアナログプロセスであることに注意してください。
アナログアンチエイリアシングフィルターは、入力信号をコンバーターのドメインに含まれる信号のみに制限することを目的としています。 ADCの周波数の動作範囲は有限であり、サンプリングレートによって制限されるため、これは重要です。コンバータの帯域幅は、デバイスのサンプルレートによって定義される0 Hzを中心とする大きな間隔を指定します（CrimsonTNGの場合は325MSPS、Cyanの場合は1 GSPS）。 ADCは入力信号をデジタル形式に変換します。
この時点で、変換された帯域幅はデジタル処理のために大きくなっています。デシメーションの準備として、サンプルはデジタル的にダウンコンバートされます。これにより、FPGAに設定されたNCO周波数によってすべての信号の周波数が低下します。 Crimson TNGとCyanには、DUCとDDCの両方に対応したCORDICデジタルミキサーがあります。ダウンコンバージョンは、受信したサンプルをFPGAにある局部発振器（NCO周波数と呼ばれるものに設定）と混合することによって実現されます。これが行われた後、赤で示されているようないくつかの周波数が負になる可能性があることに注意してください。
サンプルを受信する前に、ユーザーはサンプルレートを定義します（ラベルB）。次に、サンプルレートは、ユーザー帯域幅、つまり0Hzを中心とする間隔[-B / 2、B / 2]を指定します。デシメーションにより、すべての着信信号がユーザー帯域幅内に収まるようになります。
スーパーヘテロダイン
ヘテロダイン受信機は、受信したRF信号（f1）を局部発振器（f2）からの基準信号と混合して、中間周波数（f1±f2）で2つの信号を生成します。スーパーヘテロダイン（super-hetに短縮）の受信機の中間周波数（IF）は、アナログ電子機器での処理が容易であり、その結果、通常の人間の可聴周波数よりも高くなるように選択されます（したがって「スーパー」の接頭辞）。
スーパーヘテロダイン受信機
スーパーヘテロダイン受信機を図3に示します。簡単にするために受信機のみを示していることに注意してください。同等の伝送回路では、信号の流れを逆にして同様のコンポーネントを使用します。ユーザーがスーパーヘテロダイン範囲の動作周波数を選択すると、関連するアナログステージが自動的に選択されます。スーパーヘテロダイン受信機は、最初にアナログミキサーを使用して受信したRFをダウンコンバートします。これは、図3で「LOgenボード」とラベル付けされた適切な別個の回路によって実現されます。この方法で高周波アナログミキシングを使用すると、ビート周波数またはIFの倍数と呼ばれるものが生成されます。デジタル化する前にアナログフィルターが必要です。
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図3：スーパーヘテロダイン受信機のIFは、アナログ電子機器での処理が容易になるように選択されています。出典：Per Vices
ダウンコンバージョンの第2段階は、IQ変調器とそれに続くアンチイメージングフィルターを使用して実装され、高周波混合プロセスによって生成された変換生成物を除去します。 IFは現在デジタル化されており、デシメーションやソフトウェアでの最終的な使用の前に、デジタルミキサーを使用してさらに混合することができます。
トレードオフを理解する
動作周波数に応じて、広帯域SDRは利用可能なアナログ回路の中から選択します。ベースバンド周波数または直接サンプリングを使用する場合、アナログミキシングは不可能であり、周波数は回路クロック速度によって制限されます。より高い周波数で作業する場合、アナログミキサー回路が必要であり、アナログミキシングステージの数も周波数に依存します。 GHz範囲で動作するには、通常、ADCやDACなどのデジタルコンポーネントの動作範囲まで信号周波数を下げるために、スーパーヘットアナログ回路と2つのアナログミキシング回路が必要です。
広帯域チューニングに単一のデバイスを使用するには、さまざまな方法のトレードオフを理解する必要があります。例としては、アナログミキシングによって引き起こされる信号アーチファクトや、アナログミキシングが望ましくない場合の高速変換デバイスのコストなどがあります。広帯域運用の開発経験があり、特定のプロジェクトに関連する特定の要件を満たすように製品を変更する機能を備えたベンダーと協力することが重要です。利用可能な製品、仕様、サポートされているアプリケーション、およびその機能に関する議論に基づいてベンダーを選択するのが最善です。
>>この記事は、もともと姉妹サイトであるEDNで公開されました。 。
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ビクターウォレセン Per VicesCorporationのCEOです。 
Eldrich Rebello カナダの風力エネルギー研究所の電気技師です。 >
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