2 周波数ホッピングとは

Wi-Fi® 6 と 7、または直交振幅変調 (QAM) エンコード信号などの最新の通信システムでは、スペクトルは本質的にマルチバンドです。つまり、無線周波数 (RF) ドメインは各周波数帯域内の複数のチャネルで構成されます。たとえば、Wi-Fi 6 と Wi-Fi 7 は同じ周波数帯域内の複数のチャネルで動作し、帯域幅とデータ スループットを動的に最大化します。一方、QAM では、データを 1 つのチャネル内の異なる位相オフセットと振幅レベルにエンコードする必要があります。図 1 に、7 つの QAM チャネルを含む周波数帯域の例を示します。

直接 RF サンプリング A/D コンバータ (ADC) と D/A コンバータ (DAC) には、多くのデジタル機能が組み込まれています。直接 RF サンプリングを可能にする最も重要な機能の 1 つは、ADC 内のデジタル ダウンコンバータ (DDC) と、DAC 内のデジタル アップコンバータ (DUC) です。

ADC 内の DDC は、NCO、デジタル ミキサ、デシメータ ブロックの 3 つの主なコンポーネントで構成されています。NCO は、従来型のレシーバ信号チェーンでは局部発振器のデジタル版として機能し、入力信号と混合することでベースバンド (ナイキスト ゾーン 1) 内の信号を供給しますが、これには望ましくない影像が含まれます。デシメータ ブロックは、有限インパルス応答 (FIR) デシメーション フィルタを介してこれらの影像をフィルタ処理してから、ダウンサンプリングすることにより信号帯域幅を低減します。デシメータ ブロックは、中間周波数 (IF) フィルタのデジタル等価です。

DAC 内の DUC は、補間器、NCO、およびデジタル ミキサで構成されます。補間器は、ADC とは異なり、低帯域幅の入力信号をアップサンプリングし、 FIR フィルタを介して影像を抑制します。補間段の後、出力信号はデジタル ミキサに送信されて NCO と混合されるため、DAC はより低い入力信号帯域幅で広いナイキスト ゾーンにわたって動作できます。

RF サンプリング コンバータの特定の入力でアクティブな DDC の数によって、コンバータがシングルバンド出力またはマルチバンド出力のどちらで動作するのかが決まります。この記事では、周波数ホッピングの ADC の側面に注目します。

図 2 に、3GSPS でデュアル チャネル、クワッド バンド動作可能な RF サンプリング ADC であるテキサス・インスツルメンツの ADC32RF55 からの DDC の例を示します。

多くの場合、対象となる周波数帯域が変更される可能性があります。帯域ごとに完全に独自のシグナル チェーンに切り替える代わりに、同じ RF サンプリング コンバータを使用して、新しい周波数帯域に合わせて NCO 周波数を調整できます。これは、最新の RF サンプリング コンバータの大きな利点です。NCO をある周波数から別の周波数に変更する操作を周波数ホッピングと呼びます。

NCO はアナログ周波数を直接生成するのではなく、目的の周波数の高分解能デジタル表現を生成します。各 NCO はデジタル ワード (通常は 48 ビット以上) を受信します。このワードを NCO 位相アキュムレータと組み合わせることで、デジタル ミキシング段に適した信号を表現できます。NCO をプログラムする際は、実際の周波数ではなく、目的の IF に対応するデジタル表現をプログラムします。最も一般的にサポートされる NCO 周波数範囲は、-Fs/2〜Fs/2 です (Fs はコンバータのサンプリング周波数)。負の周波数ワードが偶数ナイキスト ゾーンに使用され、正の周波数ワードが奇数ナイキスト ゾーンの信号に使用されます。

高次 NCO 周波数がベースバンドのどこに現れるかを判断するための最初のタスクは、目的の周波数とサンプル レートの間でモジュラス演算を実行し、 Fs の倍数を除去することです。これで、目的の NCO 周波数が 0Hz とコンバータのサンプル レート Fs の間になります。

NCO 周波数がナイキスト周波数 (Fs/2) より小さい場合、式 1 に示すように、目的の NCO 周波数は奇数ナイキスト ゾーンに変換されます。

計算された NCO 周波数がナイキスト周波数を上回っている場合、式 2 に示すように、周波数は偶数ナイキスト ゾーン内になります。

図 3 に、基本信号 (Fund.) とその 2 次、 3 次、 4 次の高調波 (HD2、HD3、HD4) が、実際には高次ナイキスト ゾーン内であるのにもかかわらず、最初のナイキスト ゾーンに折り返される様子を示します。

従来の ADC と比較した RF サンプリング ADC の利点の 1 つは、周波数帯域を切り替えるためにハードウェアを変更する必要がないことです。RF サンプリング ADC にはこの固有の柔軟性があるため、追加のハードウェア部品を必要とせずに新しい周波数帯域に迅速に適応でき、システム設計を簡素化してコストを削減できます。ただし、このプロセスは瞬間的なものではありません。RF サンプリング ADC の初期の設計では、各 NCO と後続の DDC で使用できる NCO ワード オプションは 1 つのみでした。そのため、別の周波数へのホッピングには複数のレジスタ書き込み操作が必要でした。

新しい NCO ワードは、シリアル ペリフェラル インターフェイス (SPI) を介して書き込まれた後、もう一度レジスタ書き込みを行って、新しい NCO ワードを DDC ブロックにプッシュして、実際に有効化する必要があります。周波数ホッピングに必要な時間には、NCO ワードの長さや SPI トランザクション速度など、いくつかの要因が影響します。多くの場合、ADC のレジスタ サイズは 8 ビットに制限されているため、48 ビット NCO を更新するには合計 7 つのレジスタ書き込み (NCO ワード自体に対する 6 つのレジスタ書き込みと、DDC を更新するための追加のレジスタ書き込み) が必要です。

各 SPI トランザクション (通常は各レジスタ書き込みに対して 16 ビットのアドレス) のオーバーヘッドを考慮すると、トランザクション時間は 3 倍になります。シリアル クロック信号 (SCLK) レートが 20MHz の場合、SPI データがノンストップ ストリームであれば、式 3 で周波数ホッピングの時間を計算できます。