Brug en agil RF-transceiver i et adaptivt SDR-kommunikationssystem til luft- og rumfart og forsvar

Systemdesignere inden for luft- og rumfart og forsvar (Aerospace and defense/ADEF) står over for et konstant krav om lavere effekt og mere kompakte kommunikationssystemer, der er i stand til at reagere smidigt på et dynamisk signalmiljø. Når man bevæger sig ud over traditionelle radioarkitekturer, kan softwaredefineret radioteknologi (SDR) hjælpe med at opfylde de hurtigt skiftende krav til ADEF-radioer, men SDR-implementering har givet flere udfordringer for at opfylde både de funktionelle krav og behovet for reduceret størrelse, vægt og strøm (size, weight, and power/SWaP).

Denne artikel beskriver en mere effektiv SDR-løsning fra Analog Devices, som kan forenkle designet af strømbesparende, kompakte og fleksible kommunikationssystemer uden at gå på kompromis med ydeevnen.

Nye udfordringer skaber mere krævende krav

Designere står over for et krav om mere effektiv kommunikation i et stigende antal industrielle og missionskritiske applikationer, herunder sikker radiokommunikation, adaptiv radar, elektronisk krigsførelse og forbedret GPS-navigation. Disse nye udfordringer skaber et behov for forbedret bredbåndsdrift, højere dynamikområde, større frekvensfleksibilitet og rekonfigurerbarhed. Disse mere krævende funktionelle krav kan dog komme i konflikt med behovet for lavere SWaP, efterhånden som kommunikationssystemerne flyttes til mindre batteridrevne platforme, herunder ubemandede luftfartøjer (unmanned aerial vehicles/UAS) og bærbare enheder.

Designløsninger baseret på traditionelle, diskrete superheterodyn-radioarkitekturer giver høj ydeevne, bredt dynamisk område og minimalt, uønsket (spurious) støj. For designere resulterer udfordringen med at isolere det ønskede signal fra mellemfrekvensen (intermediate frequency/IF) i hjertet af denne tilgang typisk i komplekse designs med høj SWaP og ringe eller ingen rekonfigurerbarhed (figur 1).

Figur 1: Traditionelle superheterodyn-radioarkitekturer kan opfylde præstationsmålene, men deres kompleksitet forhindrer dem i at opfylde de nye mål for minimal SWaP. (Billedkilde: Analog Devices)

I modsætning hertil reducerer direkte konvertering (nul-IF)-arkitekturer både filtreringskravene og behovet for analog-til-digital-konvertere (ADC'er) med meget høj båndbredde, hvilket resulterer i et enklere design, der kan implementeres på en enkelt chip (figur 2).

Figur 2: Nul-IF-radioarkitekturer kan opfylde behovet for højere ydeevne og lavere SWaP, men signalisolering er en udfordring. (Billedkilde: Analog Devices)

På trods af de åbenlyse fordele har den direkte konverteringsarkitektur sine egne implementeringsudfordringer, som har begrænset dens udbredelse. I denne arkitektur konverteres signalet til en radiofrekvens- (RF) bærebølge ved den lokale oscillatorfrekvens (LO), men jævnstrømsforskydningsfejl (direct current (DC) offset error) og LO-lækage kan resultere i, at fejl forplanter sig gennem signalkæden. Desuden kan forskelle i signalveje, selv inden for den samme chip, introducere en forstærkning eller faseforskydning af in-fase (I) og kvadratur- (quadrature/Q) signalet, hvilket resulterer i en kvadratur-fejl, der kan kompromittere signalisolationen.

SDR-teknologi giver mulighed for at overvinde begrænsningerne ved traditionelle radioarkitekturer, men kun få løsninger kan opfylde de bredere krav, der er forbundet med ADEF-applikationer. Ved hjælp af Analog Devices' ADRV9002 RF-transceiver kan udviklere nemt opfylde behovet for større ydeevne og funktionalitet med den lavere SWaP, der kræves i disse applikationer.

Integreret funktionalitet giver optimeret ydelse med reduceret SWaP

ADRV9002 understøtter et frekvensområde fra 30 megahertz (MHz) til 6.000 MHz og er en højt integreret transceiver, der indeholder alle de RF-, blandede signaler- og digitale funktioner, der kræves for at understøtte en bred vifte af anvendelseskrav. Enheden er forberedt for både tidsdelt dupleks- (TDD) og frekvensdelt dupleks- (FDD) driftstilstand og har separate tokanals, direkte, konverteringsmodtager- og sendersubsystemer, der inkluderer programmerbare digitale filtre, DC forskydningskorrektion og kvadraturfejlkorrektion (QEC).

Inde i sit on-chip-synthesizer-subsystem har ADRV9002’en to forskellige faselåste-sløjfe- (phase-locked loop/PLL) stier: en til den højfrekvente RF-sti og en anden til de digitale ure (clocks) og konverterens samplingsure (sampling clocks). Endelig omfatter enhedens digitale signalbehandlingsblok en indlejret Arm® M4-indlejret processor, der håndterer selvkalibrering og styrefunktioner (figur 3).

Figur 3: ADRV9002-RF-transceiveren integrerer dobbelte modtager- (RX) og sender- (TX) subsystemer. (Billedkilde: Analog Devices)

ADRV9002’en kan fungere i enten nul-IF-tilstand eller lav-IF-tilstand til applikationer, der er følsomme over for fasestøj, og har sender- og modtagerundersystemer, der tilbyder komplette signalkæder. Hvert sendersubsystem har et par digital-til-analog-konvertere (DAC), filtre og mixere, der rekombinerer I- og Q-signaler og modulerer dem på bærefrekvensen til transmission.

Hvert modtagesubsystem integrerer et resistivt inputnetværk til forstærkningsregulering, der føder en passiv mikser i strømtilstand. Til gengæld konverterer en transimpedansforstærker mikserens strømudgang til et spændingsniveau, der digitaliseres af en ADC med et højt dynamisk område. Når der er ledige senderslots i TDD-drift eller i FDD-applikationer, hvor der kun bruges ét modtagersystem, kan ubrugte modtagerindgange bruges til at overvåge senderkanaler for LO-lækage og QEC, eller ubrugte modtagerindgange kan bruges til at overvåge effektforstærkerens (power amplifier/PA) udgangssignalniveauer.

Sidstnævnte evne kommer i spil i ADRV9002's integrerede digitale ”præ-forvrængningsfunktion” (digital pre-distortion/DPD), som bruger de overvågede PA-signalniveauer til at anvende den passende forvrængning, der kræves for at lineærisere udgangen. Denne funktion gør det muligt for ADRV9002 at drive PA'en tættere på mætning, hvilket optimerer dens effektivitet.

Afstemning af kraft og ydeevne

ADRV9002-enheden giver en fuldt integreret løsning i en 196-kuglers chip-skala-pakke (CSP) kuglegitter-array (ball grid array/BGA), samt minimerer størrelse og vægt for SDR ADEF-kommunikationssystemer. For at hjælpe udviklere med at optimere strømforbruget yderligere, integrerer ADRV9002’en flere funktioner, der er designet specifikt til at hjælpe udviklere med at finde en passende balance mellem ydelse og strømforbrug.

På blokniveauet kan udviklere implementere effektskalering på individuelle signalvejsblokke for at bytte reduceret ydelse for lavere strømforbrug. Derudover kan blokkene i TDD-modtage- (RX) og sende- (TX) rammer deaktiveres for at ofre RX/TX- eller TX/RX-omdrejningstider for lavere strømforbrug. For yderligere at hjælpe udviklerne med at optimere strømforbruget i forhold til ydelsen, indeholder hvert ADRV9002-modtagerundersystem to par ADC'er. Det ene par består af højtydende sigma-delta-ADC'er, mens det andet par kan erstatte dem, når strømforbruget er kritisk.

Til applikationer, der er karakteriseret ved periodiske perioder med inaktivitet, kan ADRV9002's RX-monitortilstand anvendes. I denne tilstand skifter ADRV9002 mellem en dvaletilstand med minimal effekt og en detekteringstilstand med en programmeret arbejdscyklus. I detekteringstilstanden aktiverer enheden en modtager og forsøger at opfange et signal over en båndbredde og RX LO-frekvens, der er programmeret af udvikleren. Hvis enheden måler signaleffektniveauet over den programmerede tærskel, forlader enheden monitortilstand, og ADRV9002's blokke tændes for at håndtere det ønskede signal.

Hurtig prototyping og udvikling

For at hjælpe ingeniører med hurtigt at komme i gang med evaluering, prototyping og udvikling tilbyder Analog Devices omfattende hardware- og softwaresupport af ADRV9002-baserede systemer.

Til hardwareunderstøttelse tilbyder Analog Devices et par ADRV9002-baserede kort:

• ADRV9002NP/W1/PCBZ til lavbåndsapplikationer, der opererer i frekvensområdet 30 MHz til 3 gigahertz (GHz)
• ADRV9002NP/W2/PCBZ til højbåndsanvendelser i frekvensområdet 3 til 6 GHz

Disse kort er udstyret med FMC-stik og understøtter den indbyggede ADRV9002 med strømregulering og hardware-grænseflader samt distribution af clock- og multichip-synkronisering (MCS). Kortene forbindes via deres FMC-stik til et FPGA-bundkort, såsom AMD's ZCU102-evalueringskort til strøm- og anvendelsesstyring.

Analog Devices leverer et komplet skema og en stykliste til sine ADRV9002NP-radiokort i dennes støttepakke. Skemaet og styklisten giver et effektivt udgangspunkt for brugerdefineret hardwareudvikling til de fleste anvendelser. Nogle anvendelser kræver en ekstra RF-frontend for at opfylde specifikke krav til signalbehandling. Til disse anvendelser behøver udviklerne kun nogle få ekstra komponenter for at færdiggøre deres design (figur 4).

Figur 4: Den højt integrerede ADRV9002-transceiver gør det muligt for udviklere hurtigt at implementere specialdesign. (Billedkilde: Analog Devices)

I dette eksempel kan udviklere hurtigt implementere en passende RF-frontend ved hjælp af følgende strømstyringskomponenter fra Analog Devices:

• ADRF5160-RF-omskifter
• HMC8411-forstærker med lavt støjniveau (low noise amplifier/LNA)
• ADMV8526-båndpasfilter, der er digitalt indstillelige
• HMC1119-RF-digitalt-trin-attenuator (digital step attenuator/DSA)
• HMC8413-driverforstærker
• HMC8205B-PA

Analog Devices leverer omfattende softwareudviklingssupport gennem dokumentation og softwarepakker, der kan downloades. Udviklere, der bruger ovennævnte udviklingshardware, kan fortsætte med prototyping og udvikling baseret på Analog Devices' produktlinjesoftware eller åben-kilde-softwarepakker.

Denne artikel begrænser den følgende diskussion til produktlinje-software. For mere information om åben-kilde-udviklingsmetoden, se Analog Devices' ADRV9001/2 Prototyping Platform User Guide.Analog Devices understreger, at betegnelsen "ADRV9001" i virksomhedens supportdokumentation er ment som en familiebetegnelse, der omfatter ADRV9002 og andre medlemmer af ADRV9001-familien. Derfor gælder henvisninger til ADRV9001 i teksten eller figurerne nedenfor for ADRV9002-enheden, som er i fokus i denne artikel.

Virksomhedens Windows-baseret værktøj Transceiver Evalueringssoftware (Transceiver Evaluation Software/TES) er tilgængelig via Analog Devices' distribution af softwareudviklingssæt (software development kit/SDK) til produktlinjen og giver et tilgængeligt udgangspunkt for hurtigt at konfigurere og evaluere transceiverens ydeevne.

Under evaluering og prototyping med Analog Devices' ADRV9002-baserede kort og AMD's ZCU102-evalueringskort giver TES-værktøjet en grafisk brugergrænseflade (GUI) til konfigurering af hardwaren og observation af optagne data (figur 5).

Figur 5: Med TES-værktøjet i SDK-pakken kan udviklere hurtigt komme i gang med at evaluere ADRV9002-transceiveren på den understøttede evalueringsplatform. (Billedkilde: Analog Devices)

Til gengæld autogenererer TES-værktøjet C#-kode, der kan kompileres til Linux-miljøet, MATLAB-miljøet eller Python. SDK'en indeholder et komplet sæt softwarebiblioteker og programmeringsgrænseflader (application programming interface/API), herunder ADRV9001 API-pakken, der er udviklet til AMD ZCU102-platformen.

SDK-flowet understøtter også direkte migrering fra evaluering og prototyping med evalueringskortet til udviklerens brugerdefineret målmiljø (figur 6).

Figur 6: SDK-arkitekturen giver udviklere mulighed for nemt at udvide resultaterne af deres evaluering til deres egen målplatform. (Billedkilde: Analog Devices)

I denne migrationsstrøm lader TES autogenerere kode som tidligere. Men i stedet for at bruge den direkte, implementerer udvikleren en redigeret version af den genererede kode på målplatformen. I praksis begrænser de nødvendige redigeringer sig hovedsageligt til at fjerne funktionskald, der refererer til hardwarekomponenter, som genkendes af TES-værktøjet, men som ikke er nødvendige i målsystemet. SDK-arkitekturen inkluderer et hardware-abstraktionslag- (hardware abstraction layer/HAL) grænseflade mellem ADRV9001-biblioteket og udviklernes hardware, så udviklerne kun behøver at levere brugerdefineret kode, der implementerer HAL-grænsefladekoden for deres specifikke hardware. Som et resultat kan udviklere hurtigt gå fra evaluering ved hjælp af Analog Devices-kortene og AMD-kortet til udvikling til deres brugerdefineret målmiljø.

Konklusion

ADEF-anvendelser står over for voksende udfordringer i et stadig mere komplekst signalmiljø. Ud over at imødekomme efterspørgslen efter højere ydeevne på tværs af en bredere vifte af frekvenser er udviklerne nødt til at sænke SWaP for at understøtte migreringen af disse anvendelser til batteridrevne systemer. Ved hjælp af en højt integreret transceiver fra Analog Devices kan udviklere implementere SDR-løsninger for mere effektivt at imødekomme disse krav.