本文深入討論了跳頻（FH）的高級概念、通過ADRV9002 SDR收發(fā)器的靈活鎖相環(huán)（PLL）架構(gòu)實現(xiàn)的跳頻設(shè)計原理及其四個主要跳頻特性。這些功能使用戶能夠使用跳頻功能來處理Link 16等應(yīng)用，并在單通道和雙通道操作模式下實現(xiàn)快速實時載波頻率加載。此外，跳頻與多芯片同步（MCS）和數(shù)字預(yù)失真（DPD）的結(jié)合使這款SDR收發(fā)器成為滿足當(dāng)今復(fù)雜通信系統(tǒng)高級要求的有吸引力的解決方案。

介紹

與傳統(tǒng)無線電通信相比，跳頻（FH）定義了通過快速改變其載波頻率來傳輸無線電信號的方法。1尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）在他1903年的美國專利“信號方法”中首次提到。后來，在1942年，女演員海蒂·拉瑪（Hedy Lamarr）和作曲家喬治·安泰爾（George Antheil）通過使用鋼琴卷在88個頻率之間切換以防止干擾魚雷的無線電控制，進(jìn)一步鞏固了這一概念。近百年來，從第一次世界大戰(zhàn)中固定指揮點之間的非實時、慢速通信，到飛機、輪船、陸基系統(tǒng)之間的實時、高速多媒體通信，F(xiàn)H在軍事應(yīng)用上已經(jīng)進(jìn)入了一個新的時代。除此之外，F(xiàn)H已廣泛應(yīng)用于許多無線個人通信網(wǎng)絡(luò)，如藍(lán)牙個人局域網(wǎng)（PAN），以及消費者和業(yè)余無線電領(lǐng)域，如對講機、模型車和無人機。?

什么是跳頻？

FH的高級概念如圖1所示。整個頻段和持續(xù)時間被劃分為二維網(wǎng)格。在任何給定的時隙，使用不同的頻率子帶進(jìn)行通信。這帶來了對窄帶干擾的高抵抗力和強大的抗惡意攔截和干擾能力的好處，因為跳頻模式的隨機性等效地增加了另一層安全性，該安全層只能在發(fā)射器和接收器之間解碼。此外，由于相互干擾最小，跳頻信號可以輕松地與其他傳統(tǒng)通信共享帶寬，從而實現(xiàn)高頻譜效率。隨著跳頻速率的提高和子頻段的增大，跳頻的優(yōu)勢變得更加突出，這使其成為許多不同應(yīng)用的有吸引力的解決方案。

圖1.跳頻的高級概念。

下一代 SDR 收發(fā)器

ADRV9002是一款雙通道窄帶和寬帶SDR收發(fā)器，提供先進(jìn)的RF性能以及DPD和FH等高級系統(tǒng)功能。ADRV9002的工作頻率范圍為30 MHz至6 GHz，涵蓋超高頻（UHF）頻段;甚高頻 （VHF） 頻段;工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 頻段;以及窄帶 （kHz） 和高達(dá) 40 MHz 的寬帶操作的蜂窩頻段。 圖2顯示了ADRV9002的高級框圖。它包括具有一組高級數(shù)字信號處理算法的雙發(fā)射和接收通道。以紅色突出顯示的PLL結(jié)構(gòu)是獨一無二的，因為器件中采用了兩個RF PLL，而不是像許多其他收發(fā)器那樣為接收數(shù)據(jù)路徑提供一個專用PLL，為發(fā)射數(shù)據(jù)路徑提供一個專用PLL，并且兩個PLL都可以選擇提供任何接收器或發(fā)射器，或兩者兼而有之，或者兩者都不提供。這種靈活性對于在各種TDD應(yīng)用中支持跳頻至關(guān)重要，例如單通道和雙通道操作，包括僅發(fā)送模式（1T/2T）、僅接收模式（1R/2R）以及發(fā)射和接收模式（1T1R/2T2R）。雙通道操作支持通道分集和通道多路復(fù)用。此外，兩個PLL可以在乒乓模式下運行，以滿足嚴(yán)格的跳頻定時要求。

圖2.采用靈活PLL設(shè)計的ADRV9002高級框圖

ADRV9002的四大跳頻特性

具有兩個 PLL 復(fù)用和快速 PLL 重整的超快速跳頻

跳頻是通過在切換到不同頻率之前重新調(diào)諧PLL來實現(xiàn)的。ADRV9002根據(jù)PLL使用情況提供不同的跳頻模式。2圖 1 中的每個時隙代表一個跳幀，該幀分為轉(zhuǎn)換時間段和停留時間段，如圖 3 所示。

圖3.跳幀結(jié)構(gòu)。

在頻率變化之間轉(zhuǎn)換時間足夠長（大于通道建立時間和所需的PLL調(diào)諧時間）較慢的跳頻模式下，TDD操作（PLL重調(diào)諧模式）中的一對發(fā)射和接收通道只需要一個PLL。為了以更短的轉(zhuǎn)換時間（比通道建立時間和所需的PLL調(diào)諧時間短）實現(xiàn)更快的跳頻，器件中采用了兩個PLL（PLL多路復(fù)用模式）。兩個PLL以乒乓方式相互協(xié)調(diào)：一個PLL用于當(dāng)前頻率，另一個PLL重新調(diào)諧到下一個頻率。這使得非常快速的跳頻成為可能，并且可以顯著減少不同頻率變化之間所需的轉(zhuǎn)換時間。表1總結(jié)了這兩種模式。

如表1所示，這兩種模式的選擇取決于用戶定義的轉(zhuǎn)換時間。

圖4進(jìn)一步描述了PLL多路復(fù)用模式的概念。如前所述，每個時隙代表一個由轉(zhuǎn)換時間段和停留時間段組成的跳幀。當(dāng)一個PLL在停留期間使用時，另一個PLL從同一跳幀的轉(zhuǎn)換時間開始調(diào)諧。它可以繼續(xù)調(diào)諧，直到下一跳幀的過渡期結(jié)束。因此，只要所需的PLL調(diào)諧時間小于一個停留時間加上兩個轉(zhuǎn)換時間的總和，PLL多路復(fù)用模式就是成功的。

圖4.用于快速跳頻的PLL多路復(fù)用模式。

帶PLL多路復(fù)用器模式的跳頻對于Link 16等軍事應(yīng)用至關(guān)重要。Link 16被認(rèn)為是北大西洋公約組織（NATO）使用的最重要的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)之一，是一種抗干擾的高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路，工作在960 MHz至1.215 GHz的無線電頻段3。 通過在初始化時正確校準(zhǔn)整個跳頻范圍，ADRV9002采用快速PLL重調(diào)模式來滿足嚴(yán)格的時序要求。PLL重整定時間取決于ADRV9002 PLL參考時鐘速率。表2顯示了基于不同PLL參考時鐘速率所需的快速PLL重整定時間。在300 MHz的PLL參考時鐘速率下，快速PLL重整定時間約為15 μs。當(dāng)鏈路16的跳幀長度為13 μs時，使用PLL多路復(fù)用模式時，如果轉(zhuǎn)換時間大于2 μs，則15 μs的PLL重整定時間可以滿足時序要求，如表1所示。

如論文“存在窄帶干擾的情況下通過慢速平坦的中上衰落信道傳輸?shù)腏TIDS / Link 16型波形的性能分析”中所述。3Link 16 消息數(shù)據(jù)可以作為單脈沖或雙脈沖發(fā)送，具體取決于包裝結(jié)構(gòu)。單脈沖結(jié)構(gòu)由6.4 μs導(dǎo)通時間和6.6 μs關(guān)斷時間組成，總持續(xù)時間為13 μs。雙脈沖結(jié)構(gòu)由兩個單脈沖組成，它們攜帶相同的數(shù)據(jù)，但使用不同的載波頻率，如圖5所示。因此，轉(zhuǎn)換時間可能長達(dá)6.6 μs（>2 μs），這使得ADRV9002的Link 16 FH可行。

圖5.標(biāo)準(zhǔn)鏈路16雙脈沖結(jié)構(gòu)。

圖6顯示了ADRV9002的發(fā)射輸出（功率與時間和頻率與時間的關(guān)系），采用Link 16型跳幀（為簡單起見，使用僅發(fā)送跳頻）。請注意，為了顯示ADRV9002可實現(xiàn)的最小轉(zhuǎn)換時間，本實驗不遵循圖5中的標(biāo)準(zhǔn)Link 16脈沖結(jié)構(gòu)。導(dǎo)通時間從6.4 μs增加到11 μs，關(guān)斷時間從6.6 μs減少到2 μs。泰克RSA306B頻譜分析儀連接到ADRV9002評估板上的發(fā)射輸出端口進(jìn)行觀察。上圖顯示了功率與時間的關(guān)系。可以看出，發(fā)射跳頻每13 μs發(fā)生一次，連續(xù)發(fā)射跳幀之間的轉(zhuǎn)換時間約為3 μs。下圖顯示了頻率與時間的關(guān)系。在本實驗中，發(fā)射載波頻率以1 MHz的步長循環(huán)通過四個不同的頻率。正如預(yù)期的那樣，下圖證明發(fā)射輸出也以1 MHz的步長循環(huán)通過四個不同的頻率，在整個駐留時間內(nèi)具有良好的頻率精度。

圖6.鏈路 16 Tx 跳頻的傳輸輸出。

使用是德科技 E5052B 和 R&S FSWP 等更先進(jìn)的測試設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的測量，以研究 Link 16 FH 的頻率精度。在表3所示的示例測量中，發(fā)射載波頻率在400 MHz、400.1 MHz、400.2 MHz和400.3 MHz處跳頻。發(fā)射輸入旨在為所有跳幀產(chǎn)生 400 MHz 輸出。測量持續(xù)時間設(shè)置為 100 μs，其中包括七個完整的跳幀。頻率每128 ns時間間隔測量一次。可以觀察到，PLL在停留時間開始時完全鎖定。駐留期間的頻率誤差取決于相位噪聲性能。表 3 顯示了這連續(xù) 7 個跳幀的平均、最大和最小頻率偏移（輸出頻率與 400 MHz 之間的絕對差值）性能。在大多數(shù)幀中，平均頻率誤差小于1 ppm。結(jié)果也可用于數(shù)十次測量。請注意，測量值可能因設(shè)備和測試配置而異。

ADRV9002為用戶提供微調(diào)PLL環(huán)路濾波器帶寬的功能。表3所示的性能是在PLL環(huán)路濾波器帶寬配置為1200 kHz時實現(xiàn)的。更大的PLL濾波器帶寬改善了PLL重整定時間，從而保證了PLL在駐留時間開始之前完全鎖定。選擇環(huán)路濾波器帶寬時，用戶還應(yīng)評估其應(yīng)用所需的相位噪聲性能。

靜態(tài)和動態(tài)工作臺加載多達(dá) 128 個不同頻率的條目

ADRV9002采用跳頻表概念適用于所有跳頻模式。2 跳頻表包含每個跳幀的頻率和其他操作參數(shù)列表。躍點表可以是靜態(tài)的，這意味著它在初始化期間加載，不允許即時更改。它也可以是動態(tài)的，這意味著它在執(zhí)行跳躍時加載;在這種情況下，用戶可以即時更改表內(nèi)容。采用了類似的乒乓球概念，以便用戶可以選擇加載兩個不同的表，每個表最少 1 個到最多 64 個條目。當(dāng)一個表用于當(dāng)前躍點幀時，正在加載另一個表以準(zhǔn)備下一個躍點幀。每個條目都會通知ADRV9002特定跳幀的配置。可以通過自動遞增索引（從第一個表的第一個條目開始到第二個表的最后一個條目，然后使用兩個跳表再次返回到第一個表的第一個條目或使用一個躍點表連續(xù)循環(huán)）或通過數(shù)字 GPIO 指示的任何時間訪問特定條目來索引躍點表。

圖 7 顯示了躍點表 A 和 B，每個都有 N 個條目（1 ≤ N ≤ 64）。表中的每個條目都包含四個關(guān)鍵參數(shù)：跳頻、中頻（僅適用于接收IF模式）、接收增益指數(shù)和發(fā)射衰減。在TDD操作中，用戶必須使用專用通道設(shè)置信號（每個發(fā)射通道一個，每個接收通道一個）通知ADRV9002每個跳幀啟用哪個通道（發(fā)送或接收）。因此，盡管跳表中的每個條目都包含用于接收和發(fā)送的參數(shù)，但僅使用相關(guān)參數(shù)。

圖7.ADRV9002跳表內(nèi)容和索引方法。

在進(jìn)一步討論跳頻中的跳頻工作之前，有必要了解ADRV9002與基帶集成電路（BBIC）之間的高級通信。

如圖8所示，BBIC充當(dāng)跳頻操作的主要器件，用于設(shè)置跳頻模式、通道設(shè)置信號（Rx1_ENBALE、Rx2_ENABLE、Tx1_ENABLE和Tx2_ENABLE）、跳頻信號（HOP1和HOP2）以及靜態(tài)或動態(tài)跳頻表（跳頻、接收IF頻率、接收增益和發(fā)射衰減）。BBIC通過SPI接口或DGPIO與ADRV9002通信。ADRV9002通過接受來自BBIC的信號來充當(dāng)跳頻的節(jié)點，然后相應(yīng)地配置數(shù)據(jù)路徑和LO。

圖8.ADRV9002和BBIC在跳頻期間通信的高級框圖。

圖 9 描述了一個動態(tài)表加載示例，每個跳表 A 和 B 只有一個頻率。這是一種極端情況，允許用戶在每一幀中即時更改跳頻。本例使用PLL多路復(fù)用模式。如圖8所示，跳頻信號的上升沿和下降沿都定義了跳幀的時序邊界，每個時序邊界由轉(zhuǎn)換時間和停留時間組成，如前所述。通道設(shè)置信號上升沿定義了遵循一幀延遲的跳幀類型（此延遲對于PLL多路復(fù)用模式是必需的）。

圖9.使用PLL多路復(fù)用模式對每個表一個頻率進(jìn)行動態(tài)表加載的示例。

請注意，通道設(shè)置信號可以代表發(fā)射設(shè)置信號或接收設(shè)置信號。圖9顯示了該信號的簡化版本。由于TDD操作涉及發(fā)送和接收，因此用戶需要分別配置發(fā)送設(shè)置信號和接收設(shè)置信號。除了指示跳幀類型外，通道設(shè)置信號還可用于觸發(fā)由BBIC啟動的跳表加載。跳頻表加載應(yīng)在通道設(shè)置信號下降沿之后的跳頻信號邊沿之前完成，然后PLL在同一跳邊沿開始調(diào)諧到此頻率，并為下一個跳頻邊沿發(fā)出的下一個跳幀做好準(zhǔn)備。表 A 和表 B 以乒乓模式運行，因此，在加載完成后，F(xiàn)H 在一個表的頻率上工作，同時調(diào)諧另一個表的頻率。

圖10顯示了每個負(fù)載4個條目和每個負(fù)載8個條目的動態(tài)表加載的發(fā)射頻率與時間輸出的關(guān)系。發(fā)射輸入具有0 kHz、–100 kHz、–200 kHz和–300 kHz頻率的四個幀，通過連續(xù)循環(huán)幀饋送到ADRV9002。它還與跳幀完全對齊和同步，因此 0 kHz 輸入幀與 3.1 GHz LO 對齊。在跳頻期間，當(dāng)LO變?yōu)橄乱粋€頻率時，發(fā)射輸入頻率也會變?yōu)橄乱粋€頻率。

圖 10.動態(tài)表加載的比較，每次加載四個條目和每次加載八個條目。

表 A 和表 B 在執(zhí)行 FH 時動態(tài)加載（為簡單和易于觀察，表內(nèi)容不會隨加載而變化）。對于每個負(fù)載的四個條目，我們期望在 3.1 GHz 時看到四個連續(xù)的發(fā)射輸出幀，然后在 3.1004 GHz 處看到四個連續(xù)的幀，并且相同的模式會一次又一次地重復(fù)。對于每個負(fù)載的八個條目，我們期望在 3.1 GHz 時看到四個連續(xù)的發(fā)射輸出幀，在 3.1004 GHz 下看到四個連續(xù)幀，在 3.1008 Hz 下看到四個連續(xù)幀，在 3.1012 GHz 下看到四個連續(xù)幀，并且相同的模式一次又一次地重復(fù)。圖8所示的傳輸輸出證明動態(tài)表加載按預(yù)期工作。

通道分集與使用雙通道的通道多路復(fù)用

如圖2所示，ADRV9002支持雙發(fā)送和接收通道。跳頻可以應(yīng)用于兩個通道，以實現(xiàn)通道分集或通道多路復(fù)用。

為了實現(xiàn)分集，兩個通道使用相同的PLL（一個或兩個）以及相同的跳頻表和TDD定時配置同時跳頻。ADRV9002提供的MCS功能可以啟用，以確保相同或不同ADRV9002器件上的多個通道彼此完全同步，并具有確定性的延遲。相位同步也可以通過MCS實現(xiàn)，每次PLL重新調(diào)諧頻率時都會執(zhí)行MCS。借助MCS，即使在跳頻期間，多個通道也可以實現(xiàn)同步，這使得ADRV9002成為涉及跳頻的MIMO分集應(yīng)用的極具吸引力的解決方案。有關(guān)在跳頻期間使用MCS的要求和限制的更詳細(xì)說明，請參閱ADRV9001系統(tǒng)開發(fā)用戶指南。2

對于通道多路復(fù)用，每對通道使用一個PLL，并彼此獨立地執(zhí)行跳頻。一個限制是，一對發(fā)射和接收通道需要兩個PLL的超快速跳頻無法應(yīng)用于一個ADRV9002器件的通道多路復(fù)用。

除了2T2R模式外，值得一提的是，ADRV9002還支持跳頻的1T2R和2T1R操作，這為滿足用戶的特定要求提供了更大的靈活性。

支持跳頻設(shè)備操作

ADRV9002還支持窄帶和寬帶應(yīng)用的DPD操作。它校正功率放大器（PA）的非線性，以顯著提高PA效率，同時實現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)的相鄰?fù)ǖ拦β市孤┍龋?a target="_blank">ACPR）性能。

ADRV9002的一個高級特性是DPD可以與跳頻一起執(zhí)行。在這種情況下，ADRV9002允許用戶配置多達(dá)8個頻率區(qū)域，DPD算法為每個頻率區(qū)域創(chuàng)建最佳解決方案。DPD解決方案作為一組系數(shù)也可以分別在每個區(qū)域的傳輸結(jié)束和開始時存儲和加載。這確保了整個跳頻范圍內(nèi)的PA線性度。

由于DPD是一種自適應(yīng)濾波過程，必須定期捕獲一組樣本以進(jìn)行系數(shù)計算，因此跳幀長度需要足夠長以滿足DPD捕獲長度要求。但是，如果用戶僅使用初始加載的DPD系數(shù)而不需要DPD更新，則可以刪除此限制。

ADRV9002跟蹤校準(zhǔn)通常在快速跳頻期間不執(zhí)行。但是，初始校準(zhǔn)是根據(jù)用戶的跳頻配置基于多個頻率區(qū)域執(zhí)行的，以實現(xiàn)最佳性能。

使用ADRV9002收發(fā)器評估軟件（TES）進(jìn)行跳頻性能評估

跳頻性能可通過ADRV9002 TES和評估板進(jìn)行全面評估。賽靈思 ZC706 和 ZCU102 FPGA 板均受 TES 支持。?2如圖 11 所示，跳頻配置頁易于用于配置 FH 參數(shù)，包括跳頻操作模式、跳頻表、GPIO 設(shè)置、TDD 時序等。TES內(nèi)置FPGA同步功能，允許用戶精確控制TDD時序，以便發(fā)送或接收幀可以與跳幀完全同步。TES中還提供了許多跳頻示例，供用戶進(jìn)一步探索。

圖 11.通過 TES 配置 FH。

結(jié)論

跳頻是下一代SDR收發(fā)器ADRV9002提供的高級系統(tǒng)功能之一。ADRV9002具有兩個PLL、多種跳頻模式以及加載和索引跳頻表的靈活性，使用戶能夠處理各種應(yīng)用并滿足高級系統(tǒng)要求。所有特性均可通過ADRV9002 TES和軟件開發(fā)套件（SDK）進(jìn)行全面評估。