2 Was ist das Frequenzsprungverfahren?

In modernen Kommunikationssystemen wie Wi-Fi® 6 und 7 oder QAM-codierten (Quadraturamplitudenmodulation) Signalen ist das Spektrum von Natur aus Multiband, was bedeutet, dass die Hochfrequenzdomäne (HF) aus mehreren Kanälen innerhalb jedes Frequenzbandes besteht. Beispielsweise arbeiten Wi-Fi 6 und 7 über mehrere Kanäle innerhalb desselben Frequenzbandes, um die Bandbreite und den Datendurchsatz dynamisch zu maximieren, während QAM Daten in verschiedene Phasen-Offsets und Amplitudenebenen innerhalb eines einzelnen Kanals codie. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für ein Frequenzband mit 7 QAM-Kanälen.

Analog-Digital-Wandler (Analog-to-Digital Converters, ADCs) und Digital-Analog-Wandler (Digital-to-Analog Converters, DACs) mit direkter HF-Abtastung enthalten viele digitale Funktionen. Eine der wichtigsten Funktionen zur direkten HF-Abtastung ist der digitale Abwärtswandler (Digital Downconverter, DDC) in ADCs und der digitale Aufwärtswandler (Digital Upconverter, DUC) in DACs.

In einem ADC besteht der DDC aus drei Hauptkomponenten: einem NCO, einem digitalen Mischer und einem Dezimationsblock. Der NCO dient als digitales Gegenstück des lokalen Oszillators in herkömmlichen Empfängersignalketten und mischt sich mit dem Eingangssignal, um ein Signal im Basisband (Nyquist-Zone 1) zusammen mit unerwünschten Bildern bereitzustellen. Der Dezimatorblock filtert die Bilder durch einen Dezimationsfilter mit endlicher Impulsantwort (Finite Pulse Response, FIR) heraus und reduziert dann die Signalbandbreite durch Downsampling. Der Dezimatorblock ist das digitale Äquivalent eines Zwischenfrequenzfilters (Intermediate Frequency, IF).

In einem DAC besteht der DUC aus einem Interpolator, einem NCO und einem digitalen Mischer. Im Gegensatz zu einem ADC führt der Interpolator ein Upsampling des Eingangssignal mit geringerer Bandbreite durch und leitet es dann durch einen FIR-Filter, um Bilder zu unterdrücken. Nach der Interpolatorstufe wird das Ausgangssignal in einen digitalen Mischer eingespeist, der sich mit dem NCO mischen kann, sodass der DAC über einen großen Nyquist-Bereich mit einer niedrigeren Eingangssignalbandbreite arbeiten kann.

Die Anzahl der an einem bestimmten Eingang eines HF-Abtastwandlers aktiven DDCs bestimmt, ob ein Wandler mit einem Einzel- oder Multiband-Ausgang arbeitet. Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf dem ADC-Aspekt des Frequenzsprungverfahrens.

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für den DDC des ADC32RF55 von Texas Instruments (TI), einem ADC mit HF-Abtastung, der in der Lage ist, einen Zweikanal-Vierband-Betrieb bei 3 GSPS zu ermöglichen.

Das betroffene Frequenzband kann sich häufig ändern: Anstatt eine völlig einzigartige Signalkette für jedes Band zu schalten, kann derselbe HF-Abtastwandler einfach die NCO-Frequenz an das neue Frequenzband anpassen. Dies ist ein großer Vorteil moderner HF-Abtastwandler. Die Änderung des NCO von einer Frequenz in eine andere Frequenz ist das sogenannte Frequenzsprungverfahren.

Der NCO erzeugt die analoge Frequenz nicht direkt, sondern eine digitale Darstellung der gewünschten Frequenz mit hoher Auflösung. Jeder NCO empfängt ein digitales Wort – in der Regel 48 Bit oder höher –, das in Kombination mit einem NCO-Phasenakkumulator ein für die Stufe der digitalen Mischung geeignetes Signal darstellen kann. Bei der Programmierung eines NCO entspricht die digitale Darstellung der gewünschten IF der programmierten und nicht der tatsächlichen Frequenz. Der NCO-Frequenzbereich zwischen –Fs/2 und Fs/2 wird am häufigsten unterstützt, wobei Fs die Abtastfrequenz des Wandlers darstellt. Negative Frequenzwörter werden für gerade Nyquist-Zonen verwendet, während positive Frequenzwörter für Signale in ungeraden Nyquist-Zonen verwendet werden.

Um festzustellen, wo eine NCO-Frequenz höherer Ordnung in das Basisband fällt, besteht Ihre erste Aufgabe darin, einen Moduloperation zwischen der beabsichtigten Frequenz und der Abtastrate durchzuführen, um ein Vielfaches von Fs zu entfernen. Die beabsichtigte NCO-Frequenz liegt jetzt zwischen 0 Hz und der Wandlerabtastrate Fs.

Wenn die NCO-Frequenz kleiner als die Nyquist-Frequenz (Fs/2) ist, entspricht die beabsichtigte NCO-Frequenz einer ungeraden Nyquist-Zone, wie in Gleichung 1 dargestellt:

Wenn die berechnete NCO-Frequenz über der Nyquist-Frequenz liegt, liegt die Frequenz in einer geraden Nyquist-Zone, wie in Gleichung 2 dargestellt:

Abbildung 3 zeigt, wie ein Grundsignal (Fundamental Signal, Fund.) und seine Oberschwingungen zweiter, dritter und vierter Ordnung (HD2, HD3 und HD4) in die erste Nyquist-Zone zurückfallen, obwohl die tatsächliche Frequenzkomponente in Nyquist-Zonen höherer Ordnung landet.

Ein Vorteil von ADCs mit HF-Abtastung gegenüber herkömmlichen ADCs besteht darin, dass sich die Hardware nicht ändern muss, um die Frequenzbänder zu schalten. Diese inhärente Flexibilität ermöglicht es ADCs mit HF-Abtastung, sich schnell an neue Frequenzbänder anzupassen, ohne zusätzliche Hardwarekomponenten zu benötigen, was das Systemdesign vereinfacht und die Kosten senkt. Dieser Prozess wird jedoch nicht sofort ausgeführt. In frühen Designs von ADCs mit HF-Abtastung war für jeden NCO und jeden nachfolgenden DDC nur eine einzige NCO-Wortoption verfügbar. Daher erforderte der Sprung auf eine andere Frequenz mehrere Register-Schreibvorgänge.

Das neue NCO-Wort muss über die serielle Peripherieschnittstelle (Serial Peripheral Interface, SPI) geschrieben werden, gefolgt von einem anderen Registerschreibvorgang, um das neue NCO-Wort in den DDC-Block zu schieben, wo es tatsächlich wirksam wird. Mehrere Faktoren beeinflussen die Zeit, die zum Sprung zwischen Frequenzen benötigt wird, einschließlich die Länge des NCO-Wortes und SPI-Transaktionsgeschwindigkeit. Häufig ist die Registergröße von ADCs auf 8 Bit begrenzt, sodass Sie insgesamt sieben Registerschreibvorgänge benötigen, um ein 48-Bit-NCO zu aktualisieren: sechs Registerschreibvorgänge für das NCO-Wort selbst und ein zusätzlicher Registerschreibvorgang zum Aktualisieren des DDC.

Nach Berücksichtigung des Aufwands für jede SPI-Transaktion (in der Regel eine 16-Bit-Adresse für jeden Registerschreibvorgang) verdreifacht sich die Transaktionszeit. Unter Annahme einer Signalrate des seriellen Taktgebers (Serial Clock Signal, SCLK) von 20 MHz berechnet Gleichung 3 die Zeit bis zum Frequenzsprung unter Annahme eines ununterbrochenen Stroms von SPI-Daten: