Vorteile von Architekturen mit RF-Direktabtastung

Überblick

Wandlertechnologien entwickeln sich Jahr für Jahr weiter. Die Analog-Digital-Wandler (A/D) und Digital-Analog-Wandler (D/A) der großen Halbleiterunternehmen bieten heute Sample-Raten in Größenordnungen, die vor zehn Jahren noch als undenkbar galten. Im Jahr 2005 beispielweise lieferten die schnellsten A/D-Wandler mit 12 bit Auflösung eine Sample-Rate von 250 MS/s, während im Jahr 2018 Wandler mit gleicher Auflösung Sample-Raten von 6,4 GS/s erreichen. Durch diesen Leistungssprung können Wandler hochfrequente Signale nun direkt digitalisieren und einen hinreichenden Dynamikbereich für moderne Kommunikations- und Radarsysteme bereitstellen.

Wenn auch der Einsatz von Wandlern mit so hoher Sample-Rate Nachteile vor allem für den Dynamikbereich mit sich bringt, ermöglicht doch diese Technologie, dass für bestimmte Anwendungen eine RF-Architektur mit Direktabtastung an die Stelle der nach wie vor gängigen RF-Überlagerungsarchitekturen treten kann. Beispielsweise kann für Breitband-RF-Anwendungen, die kompaktere Formfaktoren oder geringere Kosten erfordern, das vereinfachte Front-End von RF-Messgeräten mit Direktabtastung eine leistungsfähige Lösung sein. Die Technologie hat besonders für Radaranwendungen in Luft- und Raumfahrt oder im Verteidigungswesen an Bedeutung gewonnen.

Inhalt

Was bedeutet RF-Direktabtastung?

Am einfachsten lässt sich die Architektur mit RF-Direktabtastung begreifen, wenn man die Unterschiede zu anderen RF-Architekturen betrachtet.

In einer herkömmlichen Überlagerungsarchitektur erfolgt am Empfänger eine Abwärtswandlung des empfangenen Hochfrequenzsignals auf eine niedrigere Zwischenfrequenz, bei der das Signal digitalisiert, gefiltert und dann demoduliert wird. Abbildung 1 zeigt das Blockdiagramm für einen Überlagerungsempfänger. Darin ist zu erkennen, dass das Messgerät über ein RF-Front-End verfügt, das aus einem Bandpassfilter, rauscharmen Verstärker, Mischer und Lokaloszillator (LO) besteht.

Abb. 1: Dieses Blockdiagramm eines Überlagerungsempfängers zeigt ein Messgerät mit einem RF-Front-End, das ein Bandpassfilter, einen rauscharmen Verstärker, Mischer und Lokaloszillator umfasst.

Die Architektur eines Empfängers mit RF-Direktabtastung umfasst jedoch nur einen rauscharmen Verstärker, passende Filter und einen A/D-Wandler. Der Empfänger in Abbildung 2 verwendet keine Mischer und LOs; stattdessen wird das hochfrequente Signal vom A/D-Wandler direkt digitalisiert und an einen Prozessor übertragen. Bei dieser Architektur können zahlreiche analoge Komponenten des Empfängers in digitale Verarbeitungsschritte implementiert werden. Beispielsweise kann zur Isolierung der Zielsignale anstelle eines Mischers die direkte digitale Wandlung zum Einsatz kommen. In vielen Fällen kann zudem ein Großteil der Analogfilter durch Digitalfilter ersetzt werden, mit Ausnahme der Antialiasing- und Rekonstruktionsfilter.

Da eine analoge Frequenzumsetzung nicht benötigt wird, ist der Gesamtaufbau eines Empfängers mit RF-Direktabtastung viel einfacher, wodurch Formfaktoren verkleinert und Entwurfskosten verringert werden können.

Abb. 2: Die Architektur eines Empfängers mit RF-Direktabtastung erfordert grundsätzlich nur einen rauscharmen Verstärker, geeignete Filter und einen A/D-Wandler.

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Wie funktioniert die RF-Direktabtastung?

Bis vor ein paar Jahren waren Architekturen mit Direktabtastung wegen der beschränkten Sample-Raten und Auflösung der verfügbaren Wandler wenig praktikabel. Dank neuer Technologien zur Reduzierung von Rauschen ist es Halbleiterherstellern inzwischen gelungen, die Auflösung bei höheren Abtastfrequenzen zu verbessern. Aktuelle Wandler ermöglichen daher die direkte Umwandlung von hochfrequenten Eingangssignalen in der Größenordnung von mehreren Gigahertz.

Diese Umwandlungsrate ermöglicht die Digitalisierung mit sehr großen Echtzeitbandbreiten im L- und S-Band. Da Wandler stetig weiterentwickelt werden, dürfte die RF-Direktabtastung auch bald in anderen Bändern (wie dem C- oder X-Band) möglich sein.

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In welchen Fällen ist eine Architektur mit RF-Direktabtastung sinnvoll?

Die Hauptvorteile einer RF-Direktabtastung liegen in einer einfacheren Signalkette, niedrigeren Kosten pro Kanal und einer geringeren Kanaldichte. Messgeräte mit einer Architektur zur RF-Direktabtastung sind in der Regel kompakter und energieeffizienter, da sie eine geringere Zahl analoger Komponenten aufweisen. Bei der Erstellung von Systemen mit großer Kanalanzahl kann eine direkte Abtastung von Hochfrequenzsignalen den Platzbedarf und die Systemkosten reduzieren. Dies kommt besonders dann zum Tragen, wenn Systeme mit aktivem Phased-Array-Radar erstellt werden, bei denen Strahlen durch die Phasenverschiebung der Signale von hunderten oder gar tausenden Antennenelementen gebündelt werden. Bei so vielen RF-Signalgeneratoren und - analysatoren in einem System sind Systemgröße und Kosten pro Kanal ein bedeutender Faktor.

Neben der Verringerung von Größe, Gewicht und Energiebedarf beseitigt die vereinfachte Architektur innerhalb des RF-Messgeräts potenzielle Störquellen, Spiegelfrequenzen und andere Fehler wie z. B. Ableitung vom LO und Quadraturstörungen.

Schließlich können die Architekturen mit RF-Direktabtastung auch die Synchronisierung vereinfachen. Beispielsweise müssen zur Erzielung der Phasenkohärenz von RF-Systemen die interne Taktfrequenz der RF-Messgeräte und LOs synchronisiert werden. Bei der Direktabtastung, die keine LOs erfordert, müssen lediglich die verschiedenen Messgeräte synchronisiert werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei Phased-Array-Radaranwendungen mit mehreren RF-Empfängern, die phasenkohärent sein müssen.

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Welche Produkte liefert NI?

NI bietet mehrere RF-Messgeräte mit verschiedenen Architekturen. Dabei ist der FlexRIO-ZF-Transceiver das erste NI-Messgerät, das eine RF-Direktabtastung ermöglicht. Da die Funktionalität von Hochgeschwindigkeitswandlern ständig wächst, arbeiten wir bei NI eng mit den entsprechenden Anbietern zusammen, um unseren Kunden die neuartigen Technologien schnellstmöglich zur Verfügung zu stellen. Weitere Informationen zum NI-Portfolio an RF-Messgeräten, darunter Transceiver, Sende- und Empfangsgeräte, erhalten Sie unter ni.com/flexrio.

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