HF-Sampling-Transceiver Schnelle Frequenzsprünge sowie Multiband- und Multimode-Betrieb

Damit Antennenarrays flexibel betrieben werden können, brauchen sie Transceiver, die schnell auf Einstellungsänderungen reagieren.
Damit Antennenarrays flexibel betrieben werden können, brauchen sie Transceiver, die schnell auf Einstellungsänderungen reagieren.

HF-Sampling-Transceiver-ICs, bieten Entwicklern dank ihrer hohen Integration eine bisher nicht erreichbare Flexibilität. Mit ihnen lassen sich anspruchsvolle und komplexe Anwendungen realisieren - wie zum Beispiel Multifunktions-Antennenarrays.

Die neuesten HF-Sampling-Transceiver wie etwa die Bausteine AFE7444 [1] und AFE7422 [2] von Texas Instruments arbeiten mit vier bzw. zwei Antennen. Sie ermöglichen den Multiband- oder Multimode-Betrieb, eine Frequenzumsetzung und schnelle Frequenzsprünge. Mit diesen Fähigkeiten lassen sich große Multifunktions-Antennenarrays realisieren, bei denen verschiedene Teil-Arrays unterschiedlich konfiguriert werden können, um abhängig von der Situation oder der Aufgabenstellung verschiedene Funktionen zu übernehmen. Hierzu gehören, wie in Bild 1 dargestellt, Radar oder die Nachrichtenübertragung.

Solche Mltifunktions-Antennenarrays müssen häufig schnelle Frequenzsprünge durchführen, um mit ihrer Betriebsfrequenz eine Sequenz zyklisch zu wiederholen oder wechselnde Sequenzen zyklisch zu durchlaufen (Bild 2).

Dies geschieht, um eine Beeinträchtigung durch Störsender (Jamming) zu unterbinden, die Signaldetektion zu verhindern oder Manipulationstechniken (Spoofing) zu implementieren, bei denen die Signatur eines reflektierten Radarsignals verändert wird.

Um diese Fähigkeiten genauer kennen zu lernen, empfiehlt sich zunächst ein Blick auf die Funktionsblöcke eines HF-Sampling-Transceiver-ICs (Bild 3).

Multiband- oder Multimode-Signalverarbeitung

Um die Verarbeitung eines Multiband- oder Multimode-Signals zu betrachten, dient die Schaltung in Bild 4 als Beispiel, bei dem neben der breitbandigen Abtastung und Synthese auch digitale Signalverarbeitung genutzt werden.

Diese Schaltung erzeugt ein Multiband-Signal mit drei getrennten Teilbändern über eine Gesamtbandbreite von 2,75 GHz. Der Empfänger tastet das gesamte Band über mehrere Nyquist-Zonen hinweg ab und führt die erfassten Daten einem digitalen Abwärtsmischer mit mehreren parallelen Stufen zu. Dabei werden die einzelnen Teilbänder ausgewählt und mithilfe einzelner digital gesteuerter Oszillatoren (NCO – Numerically Controlled Oscillator) und digitaler Mischer in Basisband-Signale umgesetzt. Durch Dezimation wird daraufhin die Ausgangs-Datenrate entsprechend der Bandbreite der einzelnen Signale reduziert. Außerhalb des Bandes liegende Beeinträchtigungen werden außerdem unterdrückt.

Im Gegenzug können auf der Senderseite einzelne digitale Eingangssignale an mehrere parallele Aufwärtsmischerstufen geleitet werden, um die Basisbandsignale auf ihre jeweilige Zielfrequenz umzusetzen. Anschließend erfolgt eine Abtastratenerhöhung (Upsampling) der Daten auf die Abtastrate des HF-DAUs, bevor in der letzten Stufe vom HF-DAU ein kombiniertes Breitbandsignal von 700 MHz bis 3,45 GHz synthetisiert wird.

Frequenzwumsetzung und Frequenzsprünge

Der gerade beschriebene Anwendungsfall (Bild 4) lässt sich weiter ausbauen, indem mit einer internen digitalen Schleifenschaltung (Loopback) nur ein einzelnes Band herausgegriffen und anschließend die Frequenz des gewählten Teilbands verschoben wird, bevor das Signal erneut gesendet wird (Bild 5).

Diese Konfiguration erfasst das Multiband-Signal in der zuvor beschriebenen Weise. Der digitale Abwärtsmischerblock wählt ein Teilband aus, setzt es in ein Basisbandsignal um und lässt es einen digitalen Filter durchlaufen, der außerhalb des Bandes liegende Beeinträchtigungen wie etwa Oberwellen oder Mischprodukte entfernt. Ein Pfad für eine digitale Schleifenschaltung innerhalb des ICs macht es möglich, die Daten vom Ausgang des digitalen Empfängers direkt und ohne Verlassen des ICs an den Sendepfad weiterzuleiten, ohne dass zusätzliche externe Bauteile angeschlossen werden müssen.

Kommt nun noch eine einfache Aufwärtsmischung des gefilterten Signals zurück auf die ursprünglich empfangene Frequenz hinzu, so entsteht ein im IC integrierter digitaler Signalregenerator (Repeater). Zur Implementierung eines Frequenzsprung-Senders wird der NCO des Sendeteils auf die gewünschte neue Frequenz programmiert, um das frequenzverschobene Signal anschließend erneut zu senden – zu sehen an der gelben Kurve der Spektrumanalysator-Darstellung in Bild 5 im Vergleich zum ursprünglich empfangenen Multiband-Spektrum (grün).

Mit dem gerade erläuterten grundsätzlichen Konzept lassen sich auch andere Anwendungsfälle realisieren, wie zum Beispiel:

  • Multiband-Frequenzumsetzung: Da mehrere parallele digitale Auf- und Abwärtsmischer-Blöcke vorhanden sind, lässt sich ein Multiband-Signal in einzelne Teilbänder zerlegen, um jedes Teilband anschließend um einen bestimmten Betrag in der Frequenz zu verschieben. Es folgt eine interne Schleifenschaltung innerhalb des ICs und die erneute Sendung der einzelnen Teilbänder auf ihrer neuen Frequenz.
  • Schnelle Frequenzsprünge: Da sich die Frequenz eines NCO in wenigen Mikrosekunden umprogrammieren lässt oder im Ping-Pong-Verfahren zwischen den mehreren NCOs in einem Signalpfad umgeschaltet werden kann, lassen sich frequenzagile Signale empfangen und senden, deren Frequenz entweder zyklisch oder in beliebiger Folge wechselt. In Bild 6 ist der Übergang zwischen zwei Frequenzen zu sehen.
  • Rampenerzeugung/Digital-Synthesis-Modus: Ein eingebauter Sinusgenerator für jeden Sender ermöglicht es Frequenzrampen und frequenzmodulierte Dauerstrichsignale (Frequency-Modulated Continuous Waveforms, FMCW) zu erzeugen, wie sie häufig in Radarsystemen verwendet werden.
  • Gleichzeitiges Breitband-Scannen und Schmalband-Beobachten: Da jede Empfänger-Eingangsabtaststufe mit mehreren digitalen Signalverarbeitungsstufen verbunden werden kann, besteht die Möglichkeit zum Konfigurieren eines Empfangspfads für den Breitband-Modus mit der Ausgabe von Abtastdaten über das volle Nyquist-Band sowie zur Beobachtung einer Momentanbandbreite von bis zu 1,5 GHz. So lässt sich das Vorhandensein irgendwelcher Signale überprüfen. Parallel dazu lässt sich ein zweiter Pfad für einen Schmalband-Dezimationsmodus einrichten, um zu zoomen und etwaige im Breitband-Modus gefundene Signale genauer zu analysieren.

 

Nach Unterlagen von Texas Instruments.

 

Literatur
[1] AFE7444 Quad-channel, RF-sampling AFE with 14-bit, 9-GSPS DACs and 14-bit, 3-GSPS ADC. Texas Instruments, Datenblatt, Januar 2019,  www.ti.com/lit/ds/symlink/afe7444.pdf.

[2] AFE7422 Dual-channel, RF-sampling AFE with 14-bit, 9-GSPS DACs and 14-bit, 3-GSPS ADC. Texas Instruments, Datenblatt, Januar 2019, www.ti.com/lit/ds/symlink/afe7422.pdf.