Ưu điểm của kiến trúc lấy mẫu RF trực tiếp

2023.06.29

NI-LabVIEW

Tổng quan

Công nghệ chuyển đổi tiếp tục phát triển hằng năm. Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) và bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) từ các công ty bán dẫn lớn hiện tại, được lấy mẫu với tốc độ lớn hơn các sản phẩm tiền nhiệm mười năm trước. Ví dụ, vào năm 2005, ADC nhanh nhất thế giới với độ phân giải 12 bit được lấy mẫu ở tốc độ 250 MS/s; vào năm 2018, ADC 12 bit có thể lấy mẫu 6,4 GS/s. Nhờ những tiến bộ về hiệu suất này, bạn có thể sử dụng bộ chuyển đổi để số hóa trực tiếp tín hiệu ở tần số RF và đạt được dải động đủ cho các hệ thống liên lạc và radar hiện đại.

Mặc dù bạn cần xem xét sự đánh đổi khi sử dụng các bộ chuyển đổi có tốc độ mẫu cao như vậy (chủ yếu là dải động), công nghệ này cho phép bạn thay đổi cấu trúc RF Heterodyne được sử dụng rộng rãi để lấy kiến trúc RF trực tiếp cho một số ứng dụng nhất định. Ví dụ: trong các ứng dụng RF băng thông rộng yêu cầu các hình dạng thiết bị nhỏ hơn hoặc giảm chi phí, front-end được đơn giản hóa của các thiết bị RF trực tiếp có thể là một lựa chọn tốt. Đặc biệt, công nghệ này đã đạt được động lực trong một số ứng dụng hàng không vũ trụ và quốc phòng như radar và tác chiến điện tử.

Nội dung chính

Lấy mẫu RF trực tiếp là gì?

Để hiểu kiến trúc RF trực tiếp, bạn cần biết nó khác với các kiến trúc RF khác như thế nào.

Trong kiến trúc heterodyne, sau khi máy thu nhận được tín hiệu ở tần số RF, nó sẽ chuyển đổi tín hiệu xuống tần số trung gian thấp hơn (IF), nơi tín hiệu được số hóa, lọc và sau đó được giải điều chế. Hình 1 cho thấy một sơ đồ khối máy thu heterodyne. Như bạn có thể thấy, thiết bị này có RF front-end bao gồm bộ lọc thông dải, bộ khuếch đại nhiễu thấp, bộ trộn và bộ tạo dao động cục bộ (LO).

Hình 1. Sơ đồ khối máy thu heterodyne này cho thấy một thiết bị có RF front-end bao gồm bộ lọc thông dải, bộ khuếch đại tạp âm thấp, bộ trộn và bộ tạo dao động cục bộ

Tuy nhiên, kiến trúc máy thu lấy mẫu RF trực tiếp chỉ bao gồm một bộ khuếch đại tạp âm thấp, các bộ lọc thích hợp và ADC. Máy thu trong Hình 2 không sử dụng bộ trộn và LO; ADC trực tiếp số hóa tín hiệu RF và gửi nó đến bộ xử lý. Trong kiến trúc này, bạn có thể triển khai nhiều thành phần tương tự của máy thu trong xử lý tín hiệu số (DSP). Ví dụ: thay vì sử dụng bộ trộn, bạn có thể sử dụng bộ chuyển đổi kỹ thuật số trực tiếp (DDC) để tách tín hiệu mục tiêu của mình. Ngoài ra, trong hầu hết các trường hợp, bạn có thể thay thế phần lớn bộ lọc tương tự bằng bộ lọc kỹ thuật số ngoại trừ bộ lọc khử răng cưa hoặc tái tạo.

Do không cần chuyển đổi tần số tương tự nên thiết kế phần cứng tổng thể của máy thu lấy mẫu RF trực tiếp đơn giản hơn nhiều, do đó cho phép các hình dạng của thiết bị nhỏ hơn và chi phí thiết kế thấp hơn.

Hình 2. Kiến trúc máy thu lấy mẫu RF trực tiếp có thể chỉ bao gồm một bộ khuếch đại tạp âm thấp, các bộ lọc thích hợp và ADC

Lấy mẫu trực tiếp đạt được như thế nào?

Trước sự phát triển của công nghệ bộ chuyển đổi trong những năm gần đây, kiến trúc lấy mẫu trực tiếp không thiết thực do những hạn chế về tốc độ lấy mẫu và độ phân giải của bộ chuyển đổi. Các công ty bán dẫn đã có thể mở rộng độ phân giải ở tần số lấy mẫu cao hơn bằng cách sử dụng các kỹ thuật mới để giảmnhiễu trong bộ chuyển đổi. Với sự sẵn có của nhiều bộ chuyển đổi tốc độ cao hơn có độ phân giải cao hơn, bạn có thể chuyển đổi trực tiếp tín hiệu đầu vào RF lên đến vài gigahertz.

Tỷ lệ chuyển đổi này cho phép số hóa với băng thông tức thời rất rộng ở băng tần L và S. Khi các bộ chuyển đổi tiếp tục phát triển, việc lấy mẫu RF trực tiếp ở các băng tần khác (chẳng hạn như băng tần C và X) cũng có thể sẽ trở nên khả thi.

Khi nào bạn nên xem xét sử dụng kiến trúc lấy mẫu RF trực tiếp?

Lợi ích chính của việc lấy mẫu RF trực tiếp là chuỗi tín hiệu RF đơn giản hơn, giảm chi phí trên mỗi kênh và mật độ kênh ít hơn. Với ít thành phần tương tự hơn, các thiết bị có cấu trúc RF trực tiếp thường nhỏ hơn và tiết kiệm điện hơn. Nếu bạn đang xây dựng các hệ thống có số lượng kênh cao, việc lấy mẫu RF trực tiếp có thể giảm footprint và chi phí cho hệ thống của bạn. Điều này có thể đặc biệt quan trọng khi xây dựng các hệ thống chẳng hạn như radar mảng pha, tạo thành các chùm tia bằng cách dịch pha các tín hiệu phát ra từ tối đa hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn anten. Với nhiều bộ tạo và bộ phân tích tín hiệu RF này trong cùng một hệ thống, kích thước và chi phí cho mỗi kênh trở thành một yếu tố quan trọng.

Ngoài việc giảm kích thước, trọng lượng và công suất (SWaP), kiến trúc được đơn giản hóa sẽ loại bỏ các nguồn nhiễu, hình ảnh và các lỗi tiềm ẩn khác, chẳng hạn như rò rỉ LO và suy giảm cầu phương, trong chính thiết bị RF.

Cuối cùng, kiến trúc lấy mẫu RF trực tiếp cũng có thể đơn giản hóa việc đồng bộ hóa. Ví dụ: để đạt được sự nhất quán pha cho các hệ thống RF, bạn phải đồng bộ hóa xung nhịp bên trong của các thiết bị RF cũng như các LO. Trong lấy mẫu trực tiếp, không yêu cầu LO, bạn chỉ có thể tập trung vào đồng bộ hóa xung clock của thiết bị. Một lần nữa, đối với các ứng dụng radar mảng pha có một số máy thu RF phải kết hợp pha, đây có thể là một tùy chọn hấp dẫn để đơn giản hóa thiết kế của bạn.

Vai trò của NI là gì?

NI cung cấp một số công cụ RF với nhiều kiểu kiến trúc RF; tuy nhiên, bộ thu phát FlexRIO IF là thiết bị NI đầu tiên tận dụng lợi thế của lấy mẫu RF trực tiếp. Khi khả năng của các bộ chuyển đổi tốc độ cao được mở rộng, NI sẽ tiếp tục hợp tác chặt chẽ với các nhà cung cấp để nhanh chóng cung cấp các công nghệ mới nổi này cho khách hàng của mình.