導讀:在信號傳輸過程中,有很多地方都會發(fā)生延遲,從入射無線信號與天線交互,直到信號所包含的信息可以被使用或到達接收器等。
無線通信網(wǎng)絡的設計通常側重考慮帶寬、工作頻率和時延等因素。本文將著重介紹實現(xiàn)低時延性能的設計考慮因素,特別是從設備首次接收到信號,到信號到達其最終目的地之間的時間如何實現(xiàn)最小化。通常,這種功能性時延對許多應用系統(tǒng)和用戶都非常關鍵,如電信運營商采用的低時延通信系統(tǒng)和應用,以及高頻交易無線網(wǎng)絡的用戶。
在信號傳輸過程中,有很多地方都會發(fā)生延遲,從入射無線信號與天線交互,直到信號所包含的信息可以被使用或到達接收器等。要計算時延,有許多因素需要考慮。本文研究與軟件定義的無線電(SDR)設置相關聯(lián)的時延,該設置連接外部主機系統(tǒng)以運行額外的應用邏輯。因此,整個系統(tǒng)的總時延可以是以下時延之和;
˙無線鏈群時延
˙轉換器
˙傳輸層(位于轉換器和處理器之間)
˙DSP/處理
˙板外網(wǎng)絡層
˙應用層
無線電鏈
無線電鏈群時延是信號從RF輸入傳播到轉換器所花費的時間。造成時延的因素有很多,包括天線與轉換器之間的布線,以及PCB本身的走線時延。時延的大小取決于所用的電介質和導體的幾何形狀,并且與頻率有關,通常測得的時延約為5-10ps/mm。一般來說,介電常數(shù)越高,傳播距離越長,群時延就越大。在大型無線電鏈路上,甚至會表現(xiàn)為納秒級的累積時延。
除了傳播時延,設計中的物理組件也影響群時延。特別是濾波器、放大器和比較器,通常都會對設備造成額外的群時延。一些要求苛刻的應用通常都要求測量或模擬整個無線電鏈的群時延,從而更好地了解時延的來源。
整個無線電鏈的時延通常為數(shù)百皮秒到數(shù)十納秒不等,具體取決于設計和應用。
轉換器
信號經(jīng)過無線電鏈之后,下一步就到達轉換器。在這一步需要考慮模擬采樣和數(shù)字轉換之間的時間。其中,在接收路徑上與模數(shù)轉換器(ADC)有關,在發(fā)送路徑與數(shù)模轉換器(DAC)有關。在這兩種情況下,模擬采樣與其數(shù)字表達之間的時延與許多因素相關,包括板載DSP(插值、通道化、濾波、上轉換或下轉換)以及數(shù)字傳輸機制(并行LVDS或串行JESD204鏈路)。變換器的復雜性增加,與之相關的時延也會增加。選擇具有低時延無線電的變換器,其關鍵是盡最大程度地減少DSP的使用,并通常著眼于高采樣率和盡可能小的數(shù)字緩沖器。
傳輸層和DSP
在轉換器和主機應用之間,通常會用到FPGA或專用ASIC,以支持各種DSP和調制/解調。這些器件通常包括影響時延的多個過程,比如傳輸層緩沖、收發(fā)器/ SERDES時延、DSP、緩沖,以及組幀/解幀。盡管這些過程對功能而言是必要的,但根據(jù)執(zhí)行的DSP數(shù)量和額外的應用處理,時延對整個系統(tǒng)的影響可能相當大。因此,需要將傳輸層視為不同的傳輸層部分(以太網(wǎng)、InfiniBand、PCIe、JESD204)進行檢查,并在器件和主機端采取不同的時延與性能平衡方案。
傳輸層的選擇會影響應用側的時延,因為易于在邏輯或硬件中實現(xiàn)的設計,可能會帶來軟件、可維護性或成本方面的復雜性,或者性能方面的折衷。因此,我們必須仔細審查不同標準的影響,才能最好地確定最佳的傳輸層實現(xiàn)。
有些應用對時延非常敏感,這類應用的無線設計是一個挑戰(zhàn),可能需要做很多折衷考慮。從PCB裸板所用的材料,到FPGA上實現(xiàn)DSP的復雜性,以及所用的網(wǎng)絡層,所有這些都是設計要考慮的重要因素。幸運的是,這些折衷都可以量化,可以幫助確保在不犧牲其它性能要求的情況下,滿足系統(tǒng)的時延要求。在嘗試設計新系統(tǒng)之前,先搜索已商用的軟件定義無線電(SDR)解決方案會非常有用。因為這些方案都經(jīng)過精心設計,可以滿足各種應用的極低時延要求。