Bruk en smidig RF-transceiver i et adaptivt SDR-kommunikasjonssystem for luftfart og forsvar

ADEF-systemkonstruktører (ADEF – aerospace and defense – luftfart og forsvar) står overfor en nådeløs etterspørsel etter mindre strømforbruk og mer kompakte kommunikasjonssystemer som er i stand til å reagere smidig på dynamiske signalmiljøer. Ved å bevege seg utover tradisjonelle radioarkitekturer, kan SDR-teknologi (SDR – software-defined radio – programvaredefinert radio) bidra til å møte de raskt skiftende kravene til ADEF-radioer. SDR-implementeringen har imidlertid presentert flere utfordringer for å møte både de funksjonelle kravene og behovet for redusert størrelse, vekt og effekt (SWaP – size, weight and power).

Denne artikkelen beskriver en mer effektiv SDR-løsning fra Analog Devices som kan forenkle konstruksjonen av kompakte og smidige kommunikasjonssystemer med lavt strømforbruk, uten at det går på bekostning av ytelsen.

Nye utfordringer driver frem mer krevende krav

Konstruktører møter et behov for mer effektiv kommunikasjon i et økende antall industrielle og driftskritiske konstruksjoner, deriblant sikker radiokommunikasjon, adaptiv radar, elektronisk krigføring og forbedret GPS-navigasjon. Disse nye utfordringene skaper et behov for forbedret bredbåndsdrift, høyere dynamisk område, større frekvenssprang (frequency agility) og rekonfigurerbarhet. Disse mer krevende funksjonskravene kan imidlertid komme i konflikt med behovet for lavere SWaP når kommunikasjonssystemene flyttes til mindre batteridrevne plattformer, for eksempel ubemannede luftfartøyer (UAS – unmanned aerial vehicle) og bærbare enheter.

Konstruksjonsløsninger basert på tradisjonelle frittstående superheterodyn-radioarkitekturer tilbyr høy ytelse, bredt dynamisk område og minimal kunstig (spurious) støy. For konstruktører resulterer utfordringen med å isolere det ønskede signalet fra mellomfrekvensen (IF – intermediate frequency), som er en av de viktigste faktorene i denne tilnærmingen, vanligvis i komplekse konstruksjoner med høy SWaP og liten eller ingen rekonfigurerbarhet (figur 1).

Figur 1: Tradisjonelle superheterodyn-radioarkitekturer kan oppfylle ytelsesmål, men kompleksiteten til disse hindrer dem i å oppfylle nye mål for minimal SWaP. (Bildekilde: Analog Devices)

Arkitekturer med direkte omforming (null-IF) reduserer imidlertid både filtreringskravene og behovet for analog-til-digital-omformere (ADC – analog-to-digital converter) med svært høy båndbredde, noe som resulterer i en enklere konstruksjon som kan implementeres på én enkel brikke (figur 2).

Figur 2: Null-IF-radioarkitekturer kan møte behovet for høyere ytelse og lavere SWaP, men signalisolering er utfordrende. (Bildekilde: Analog Devices)

Til tross for de åpenbare fordelene, presenterer arkitekturen med direkte omforming sine egne implementeringsutfordringer, noe som har begrenset utbredt bruk. I denne arkitekturen omformes signalet til en radiofrekvens-bærebølge (RF – radio frequency) ved frekvensen til den lokale oscillatoren (LO – local oscillator), men DC-forskyvningsfeil og LO-lekkasje kan føre til at feil forplanter seg gjennom signalkjeden. Videre kan forskjeller i signalbanene, selv innenfor samme brikke, introdusere en forsterkning eller faseuoverensstemmelse av i-fase (I)- og kvadratur (Q)-signalet, noe som resulterer i en kvadraturfeil som kan kompromittere signalisolering.

SDR-teknologien tilbyr muligheten til å få bukt med begrensningene forbundet med tradisjonelle radioarkitekturer, men få løsninger kan møte de bredere kravene knyttet til ADEF-konstruksjoner. Ved å bruke Analog Devices sin ADRV9002 RF-transceiver, kan utviklere enkelt møte behovet for økt ytelse og funksjonalitet med den lavere SWaP-en som kreves i disse konstruksjonene.

Integrert funksjonalitet gir optimalisert ytelse med redusert SWaP

ADRV9002 støtter et frekvensområde fra 30 megahertz (MHz) til 6000 MHz, og er en svært integrert transceiver som inneholder all funksjonalitet for RF, blandede signaler og digitale signaler som kreves for å støtte et bredt utvalg av konstruksjonskrav. Enheten håndterer drift med både tidsdelt dupleks (TDD – time division duplex) og frekvensdelt dupleks (FDD – frequency division duplex), og den har separate tokanals-mottakere med direkte omforming og senderundersystemer som inkluderer programmerbare digitale filtre, DC-forskyvningskorrigering og kvadraturfeilkorrigering (QEC – quadrature error correction).

ADRV9002 har to forskjellige faselåste sløyfebaner (PLL – phase-locked loop) i undersystemet på frekvensgeneratoren på brikken: Én for den høyfrekvente RF-banen og én for de digitale klokkene og omformerens samplingsklokker. Til slutt omfatter enhetens digitale signalbehandlingsblokk en integrert Arm® M4-prosessor som håndterer selvkalibrerings- og styringsfunksjoner (figur 3).

Figur 3: ADRV9002 RF-transceiveren integrerer to undersystemer for mottak (RX) og sending (TX). (Bildekilde: Analog Devices)

ADRV9002 er i stand til å fungere i enten null-IF-modus eller lav-IF-modus for fasestøyfølsomme konstruksjoner, og har transceiverundersystemer som tilbyr komplette signalkjeder. Hvert senderundersystem gir et par D-A-omformere (DAC), filtre og miksere som gjenforener I- og Q-signaler og modulerer dem på bærefrekvensen for overføring.

Hvert mottakerundersystem integrerer et resistivt inngangsnettverk for forsterkningsstyring som mater en passiv mikser i strømmodus. En transimpedansforsterker omformer deretter mikserens strømutgang til et spenningsnivå som digitaliseres av en A-D-omformer med et høyt dynamisk område. Under tilgjengelige senderspor i TDD-drift eller i FDD-konstruksjoner der bare ett mottakersystem brukes, kan ubrukte mottakerinnganger brukes til å overvåke senderkanaler for LO-lekkasje og QEC, eller ubrukte mottakerinnganger kan brukes til å overvåke effektforsterkerens (PA – power amplifier) utgangssignalnivåer.

Sistnevnte funksjon spiller inn i ADRV9002-ens integrerte funksjon for digital for-forvrengning (DPD – digital pre-distortion), som bruker de overvåkede PA-signalnivåene til å påføre riktig for-forvrengning som kreves for å linearisere utgangen. Denne evnen gjør det mulig for ADRV9002 å drive effektforsterkeren (PA) nærmere metning, noe som optimaliserer virkningsgraden.

Bærbar effekt og ytelse

ADRV9002-enheten gir en fullstendig integrert løsning i en CSP-kapsling (CSP – chip scale package) med 196 kontaktpunkter (196-ball) i kulegitteroppstilling (BGA – ball grid array), og den minimerer størrelse og vekt for SDR ADEF-kommunikasjonssystemer. For å hjelpe utviklere med å optimalisere strømforbruket ytterligere, integrerer ADRV9002 flere funksjoner som er utviklet spesielt for å hjelpe utviklere med å finne en passende balanse mellom ytelse og effekt.

På blokknivå kan utviklere distribuere effektskalering på individuelle signalbaneblokker for å bytte redusert ytelse mot lavere strømforbruk. I tillegg kan blokkene i TDD-mottak (RX) og -sending (TX) deaktiveres for å ofre RX/TX- eller TX/RX-behandlingstider for lavere strømforbruk. For å ytterligere hjelpe utviklernes evne til å optimalisere effekt mot ytelse, inkluderer hvert ADRV9002-mottakerundersystem to par med A-D-omformere. Ett par består av sigma-delta-A-D-omformere med høy ytelse, mens det andre paret kan fylle inn når strømforbruket er kritisk.

For konstruksjoner som kjennetegnes av periodiske inaktivitetsperioder, kan RX-overvåkingsmodusen til ADRV9002 brukes. I denne modusen veksler ADRV9002-en mellom en minimal strømdvaletilstand og en deteksjonstilstand ved en programmert driftssyklus. I deteksjonstilstanden aktiverer enheten en mottaker og forsøker å innhente et signal over en båndbredde og en RX LO-frekvens som er programmert av utvikleren. Hvis enheten måler signaleffektnivået over den programmerte terskelen, går enheten ut av overvåkingsmodus og ADRV9002-ens blokkeringer slås på for å håndtere det ønskede signal.

Rask prototyping og utvikling

For å hjelpe teknikere med å bevege seg raskt inn i evaluering, prototyping og utvikling, tilbyr Analog Devices omfattende maskinvare- og programvarestøtte for ADRV9002-baserte systemer.

For maskinvarestøtte, tilbyr Analog Devices et par ADRV9002-baserte kort:

• ADRV9002NP/W1/PCBZ for lavbåndskonstruksjoner som er virksomme i området fra 30 MHz til 3 gigahertz (GHz)
• ADRV9002NP/W2/PCBZ for høybåndskonstruksjoner som er virksomme i området fra 3 til 6 GHz

Disse kortene er utstyrt med FMC-kontakter, og de støtter den integrerte ADRV9002-enheten med strømregulering og maskinvaregrensesnitt, samt distribusjon av klokke og multichip-synkronisering (MCS – multichip synchronization). Kortene kobles til via FMC-kontakten på et FPGA-hovedkort, for eksempel AMD sitt ZCU102-evalueringskort for strøm- og utstyrsstyring.

Analog Devices leverer en komplett grafisk fremstilling og materialliste (BOM – bill of materials) for ADRV9002NP-radiokortene i støttepakken. Den grafiske fremstillingen og materiallisten er et effektivt utgangspunkt for tilpasset maskinvareutvikling for de fleste konstruksjoner. Noen konstruksjoner krever en ekstra RF-inngang for å oppfylle spesifikke krav til signalbehandling. For disse utrustningene trenger utviklere bare noen få tilleggskomponenter for å fullføre konstruksjonen (figur 4).

Figur 4: Den svært integrerte ADRV9002-transceiveren gjør det mulig for utviklere å raskt implementere spesialiserte konstruksjoner. (Bildekilde: Analog Devices)

I dette eksempelet kan utviklere raskt implementere en egnet RF-inngang ved å bruke følgende strømstyringskomponenter fra Analog Devices:

• ADRF5160 RF-bryter
• HMC8411 lavstøyforsterker (LNA – low noise amplifier)
• ADMV8526 digitalt justerbart båndpassfilter
• HMC1119 RF digital trinnattenuator (DSA – digital step attenuator)
• HMC8413 driverforsterker
• HMC8205B effektforsterker (PA – power amplifier)

Analog Devices gir omfattende utviklingsstøtte for programvare gjennom dokumentasjon og nedlastbare programvarepakker. Utviklere som bruker utviklingsmaskinvaren som er nevnt ovenfor, kan fortsette med prototyping og utvikling basert på produktlinjeprogramvare eller programvarepakker med åpen kildekode fra Analog Devices.

Denne artikkelen begrenser den følgende diskusjonen til produktlinjeprogramvare. For å få mer informasjon om utviklingsmetodikken for åpen kildekode, se Analog Devices sin brukerveiledning for ADRV9001/2-prototypeplattformen.Analog Devices fastsetter at begrepet «ADRV9001» i bedriftens støttedokumentasjon er ment som en familiebetegnelse, som omfatter ADRV9002 og andre medlemmer av ADRV9001-familien. Derfor gjelder referanser til ADRV9001 i teksten eller bildene nedenfor for ADRV9002-enheten, som er hovedfokuset i denne artikkelen.

Bedriftens Windows-baserte TES-verktøy (TES – Transceiver Evaluation Software) er tilgjengelig via Analog Devices sin SDK-distribusjon (SDK – Software Development Kit) og gir et praktisk utgangspunkt for rask konfigurering og evaluering av transceiverytelsen.

Under evaluering og prototyping med Analog Devices sine ADRV9002-baserte kort og AMD sitt ZCU102-evalueringskort, tilbyr TES-verktøyet et grafisk brukergrensesnitt (GUI – graphical user interface) for å konfigurere maskinvaren og observere innhentet data (figur 5).

Figur 5: TES-verktøyet i SDK-pakken gjør det mulig for utviklere å raskt begynne å evaluere ADRV9002-transceiveren på den støttede evalueringsplattformen. (Bildekilde: Analog Devices)

TES-verktøyet genererer deretter automatisk C#-kode som kan kompileres til Linux-miljøet, MATLAB-miljøet eller Python. SDK-en gir et komplett sett med programvarebiblioteker og programmeringsgrensesnitt (API-er), deriblant ADRV9001 API-pakken som er utviklet for AMD ZCU102-plattformen.

SDK-flyten støtter også direkte migrering fra evaluering og prototyping med evalueringskortet til utviklerens egendefinerte målmiljø (figur 6).

Figur 6: SDK-arkitekturen gjør det enkelt for utviklere å utvide resultatene av evalueringen til sin egen målplattform. (Bildekilde: Analog Devices)

I denne overføringsflyten kan utvikleren la TES-en automatisk generere kode på samme måte som før. Men i stedet for å bruke denne direkte, distribuerer utvikleren en redigert versjon av den genererte koden til målplattformen. I praksis er de nødvendige endringene hovedsakelig begrenset til å fjerne funksjonskall som refererer til maskinvarekomponenter som gjenkjennes av TES-verktøyet, men som ikke trengs i målsystemet. SDK-arkitekturen inkluderer et HAL-grensesnitt (HAL – Hardware Abstraction Layer) mellom ADRV9001-biblioteket og utviklernes maskinvare, slik at utviklere bare trenger å levere egendefinert kode som implementerer HAL-grensesnittkoden for deres spesifikke maskinvare. Som et resultat kan utviklere raskt gå fra evaluering ved hjelp av Analog Devices-kort og AMD-kort til utvikling for deres egendefinerte målmiljø.

Konklusjon

ADEF-konstruksjoner står overfor økende utfordringer i et stadig mer komplekst signalmiljø. I tillegg til å dekke behovet for høyere ytelse på tvers av et bredere spekter av frekvenser, må utviklere redusere SWaP for å støtte migrering av disse konstruksjonene til batteridrevne systemer. Ved å bruke en svært integrert transceiver fra Analog Devices, kan utviklere implementere SDR-løsninger for å mer effektivt imøtekomme disse kravene.