ソフトウェア定義無線による超広帯域周波数チューニングのマスタリング

ソフトウェア定義無線（SDR）は、従来専用アナログ回路で処理されていたデジタル信号処理を汎用CPUで実行します。その結果、全アナログ対応品よりもはるかに柔軟で、高いダイナミックレンジを提供し、多くの場合コストも低いデバイスが実現します。

SDRは多くのアナログブロックをソフトウェア相当物で置き換えますが、アンテナとインターフェースするアンプなどのキーとなるフロントエンドコンポーネントは依然として必要です。ミキサーも信号周波数をシフトするために不可欠です。SDRは信号を複素数として扱うデジタルミキサーを使用し、アナログミキサーでは不可能なDCまでの周波数シフトを可能にします。

SDRは通常、中心周波数周辺の広い瞬間帯域幅をサポートするため、頻繁なハードウェア調整なしで広大なスペクトラムを監視・再チューニングできます。この能力は、設計に依存してDCから18 GHz以上までの高い瞬間帯域幅に変換されます。

周波数チューニングは、信号チェーンのあらゆるポイント—アナログ、デジタル、またはハイブリッド—で発生し得ます。本記事では、主要なチューニングメカニズムである直接サンプリング、IQ（同相/直交）ミキシング、スーパーヘテロダインミキシングを探ります。

周波数メカニクスとは？

この文脈では、周波数メカニクスとは、高周波信号をADCによるサンプリングに適したレンジまでシフトダウンするプロセスと、信号がデジタル化された後の後続周波数変換を指します。特定の無線パスは信号の周波数に基づいて選択され、異なるパスが異なるレンジに最適化されます。各チェーン内で、周波数はアナログコンバータ（アップ/ダウンシフト）またはFPGA内のデジタル手段でミキシングできます。

直接サンプリング

直接サンプリングは、最小限または中間アナログコンポーネントなしで、アンテナからRF信号を直接取得します。RFバンド全体がデジタル化され、ソフトウェアで処理されます。シンプルですが、このアプローチには高速ADCとクロックが必要で、サンプリングレートによって制限されます。

市販のADCは最大3 GSPSまでサンプリング可能で、多くの商用セルラーバンドを含む複数の周波数バンドを1パスで取得できます。ワイドバンドSDRでは、動作周波数がアナログダウンコンバータでサポートされる範囲を下回ると、直接サンプリングチェーンが自動的に選択されます。

図1: 直接サンプリングは、最小限のアナログコンポーネントでアンテナから信号を直接伝送します。 出典: Per Vices

ベースバンド伝送メカニクス

送信モードでは、ユーザーアプリケーションが生成したサンプルをFPGAがqSFP+ポート経由で受信します。FPGAは数値制御発振器（NCO）を使用してリサンプリングとデジタルアップコンバージョンを実行。デジタルシフトされたサンプルはDACに送られ、アナログ信号に変換されます。アンチイメージフィルタがスプリアスイメージを抑制し、信号が増幅されアンテナから放射されます。

直接IQ

直接IQ（同相/直交）サンプリングは、着信RF信号を2つの位相シフトされた成分に分割し、2つのADCチャネルでサンプリングする直接サンプリングの変種です。アナログアンチエイリアシングフィルタが帯域幅をADCのナイキストゾーンに制限。デジタル化後、FPGAがNCOとのミキシングで信号をデジタルダウンコンバートし、ユーザー定義帯域幅までデシメーションします。

図2: 直接IQレシーバは2チャネルで位相シフトされた信号をサンプリングします。 出典: Per Vices

スーパーヘテロダイン

スーパーヘテロダインレシーバは、着信RF信号をローカルオシレータとミキシングし、アナログエレクトロニクスで処理しやすい中間周波数（IF）を生成します。通常、IFは可聴域以上に選ばれ、イメージ干渉を低減します。アナログミキサーに続き、LO生成ボードがIFを生成。IFはその後デジタル化され、さらにデジタル処理が可能です。

図3: スーパーヘテロダインレシーバのIFはアナログ処理を簡素化するために選択されます。 出典: Per Vices

トレードオフの理解

チューニング手法を選択する際は、動作周波数と必要な帯域幅を考慮してください。ベースバンドまたは直接サンプリングモードはアナログミキサーを回避しますが、ADCのクロック速度によって制限されます。より高い周波数では通常、信号をADCのレンジに引き込むために、スーパーヘテロダインフロントエンドなどの1つ以上のアナログミキシングステージが必要です。各アプローチにはトレードオフがあります：アナログミキサーはイメージアーチファクトを生成し得る；高速ADCはコストと消費電力を増大させます。

ワイドバンドSDR設計で実績のあるベンダーを選ぶことが不可欠です。製品仕様、サポートされるアプリケーション、プロジェクト固有の周波数と帯域幅ニーズへのハードウェアカスタマイズ能力を評価してください。

>> この記事は元々姉妹サイトのEDNで公開されました。

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Victor Wollesen氏はPer Vices CorporationのCEOです。 Eldrich Rebello氏はカナダ風力エネルギー研究所の電気エンジニアです。

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