Använd en snabb och flexibel RF-transceiver i ett adaptivt mjukvarudefinierat radiokommunikationssystem inom flyg-, rymd- och försvarsindustrin

Systemkonstruktörer inom flyg-, rymd- och försvarsindustrin (ADEF) ställs ständigt inför krav på mer energisnåla och kompakta kommunikationssystem som är flexibla och kan svara snabbt i en dynamisk signalmiljö. Mjukvarudefinierad radio (SDR) når längre än traditionella radioarkitekturer och kan medverka till att uppfylla de snabbt föränderliga kraven för radiokommunikation inom flyg-, rymd- och försvarsindustrin. Implementeringen av mjukvarudefinierad radio har dock medfört fler utmaningar för att uppfylla både funktionella krav och behovet av minskad storlek, vikt och strömförbrukning.

Den här artikeln beskriver en mer effektiv lösning för mjukvarudefinierad radio från Analog Devices som kan förenkla konstruktionen av kompakta, snabba och smidiga kommunikationssystem med låg strömförbrukning utan att kompromissa med prestandan.

Nya utmaningar leder till hårdare krav

Konstruktörer ställs inför krav på effektivare kommunikation i ett växande antal industriella och verksamhetskritiska tillämpningar som t.ex. säker radiokommunikation, adaptiv radar, elektronisk krigföring och förbättrad GPS-navigering. De nya utmaningarna skapar ett behov av förbättrad bredbandsdrift, högre dynamiskt omfång, mer flexibilitet för frekvenser och möjlighet till omkonfigurering. De hårdare funktionskraven kan dock stå i konflikt med behovet av minskad storlek, vikt och strömförbrukning när kommunikationssystem flyttas till mindre batteridrivna plattformar, inklusive obemannade luftfarkoster och bärbara enheter.

Konstruktioner baserade på traditionella diskreta superheterodyna radioarkitekturer har hög prestanda, brett dynamiskt omfång och minimalt med störande brus. Utmaningen för konstruktörer är att isoleringen av den önskade signalen för mellanfrekvensen (IF), som är kärnan i detta tillvägagångssätt, vanligtvis medför komplicerade konstruktioner som är större, tyngre och förbrukar mer ström, samt har liten eller ingen möjlighet till omkonfigurering (figur 1).

Figur 1: Traditionella superheterodyna arkitekturer kan uppfylla prestandamålen, men deras komplexitet hindrar dem från att uppfylla nya mål som minskad storlek, vikt och strömförbrukning. (Bildkälla: Analog Devices)

Arkitekturer med direkt omvandling (noll IF) minskar däremot både kraven på filtrering och behovet av analog-till-digitalomvandlare (ADC) med mycket hög bandbredd, vilket skapar en enklare konstruktion som kan implementeras i en enda krets (figur 2).

Figur 2: Radioarkitekturer med noll IF kan tillgodose behovet av högre prestanda och minskad storlek, vikt och strömförbrukning, men isolering av signalen är en utmaning. (Bildkälla: Analog Devices)

Trots de uppenbara fördelarna har arkitekturen för direktomvandling sina egna utmaningar vid implementering, vilka har begränsat storskalig användning. I denna arkitektur omvandlas signalen till en bärvåg för radiofrekvensen (RF) vid den lokala oscillatorns (LO) frekvens, men fel i DC-offset och läckage i den lokala oscillatorn kan leda till att fel sprids genom signalkedjan. Dessutom kan skillnader i signalvägarna, även inom samma krets, medföra ett förstärknings- eller fasfel för signalen i fas (I) och kvadratursignalen (Q), vilket medför ett kvadraturfel som kan äventyra signalens isolering.

Teknologin för mjukvarudefinierad radio har potential att övervinna begränsningarna i traditionella radioarkitekturer, men få lösningar kan hantera de hårda krav som är förknippade med tillämpningar inom flyg-, rymd- och försvarsindustrin. Med RF-transceivern ADRV9002 från Analog Devices kan utvecklare enkelt tillgodose behovet av högre prestanda och funktionalitet med den mindre storlek, lägre vikt och strömförbrukning som krävs i dessa tillämpningar.

Integrerad funktionalitet ger optimerad prestanda och minskad storlek, vikt och strömförbrukning

ADRV9002 har stöd för ett frekvensområde mellan 30 och 6 000 MHz och är en högintegrerad transceiver som innehåller all funktionalitet för RF, blandad signal och digital funktion som krävs för att uppfylla en mängd olika tillämpningskrav. Enheten klarar TDD (time division duplex) och FDD (frequency division duplex) och har separata delsystem med två direktomvandlande kanaler för mottagning och sändning med programmerbara digitala filter, DC offset-korrigering och korrigering för kvadraturfel (QEC).

I det inbyggda delsystemet med synthesizern har ADRV9002 två distinkta vägar med faslåst slinga (PLL), en för den högfrekventa RF-signalvägen och en för de digitala klockorna och omvandlarens samplingsklockor. Slutligen innehåller enhetens digitala signalbehandlingsblock en inbyggd M4-processor från Arm® som hanterar självkalibrering och styrfunktioner (figur 3).

Figur 3: RF-tranceivern ADRV9002 har dubbla delsystem för mottagning (RX) och sändning (TX). (Bildkälla: Analog Devices)

ADRV9002 kan arbeta i läget för noll IF eller låg IF för tillämpningar som är känsliga för fasbrus, och har delsystem för sändning och mottagning som erbjuder kompletta signalkedjor. Respektive delsystem för sändning har ett par digital-till-analogomvandlare (DAC), filter och mixers som kombinerar signalerna för fas och kvadratur och modulerar dessa till sändningens bärvågsfrekvens.

Respektive delsystem för mottagning innehåller ett resistivt ingångsnätverk för förstärkningsstyrning som matar en passiv mixer med strömläge. En transimpedansförstärkare omvandlar i sin tur mixerns strömutgång till en spänningsnivå som digitaliseras av en analog-till-digitalomvandlare med högt dynamiskt omfång. Under tillgängliga sändningsluckor i TDD-drift eller i tillämpningar med FDD, där endast ett mottagarsystem används, kan oanvända mottagaringångar användas för att övervaka om sändningskanaler har något lokalt oscillatorläckage eller någon kvadraturfelskorrigering. Oanvända mottagaringångar kan även användas för att övervaka effektförstärkarens (PA) nivåer för utgångssignalen.

Den senare förmågan kommer till sin rätt i den integrerade funktionen för digital predistortion (DPD) hos ADRV9002, som använder effektförstärkarens övervakade signalnivåer för att tillämpa den predistortion som krävs för att linjärisera utgången. Detta medför att ADRV9002 kan driva effektförstärkaren närmare mättnad, vilket optimerar dess effektivitet.

Justering av effekt och verkningsgrad

ADRV9002 skapar en helt integrerad lösning i en CSP-kapsling med 196 kulor i en BGA-matris, som minimerar storlek och vikt för mjukvarudefinierade radiokommunikationssystem för flyg-, rymd- och försvarsindustrin. För att underlätta för utvecklare att optimera strömförbrukningen ytterligare har ADRV9002 flera funktioner som är särskilt utformade för att hitta en lämplig balans mellan prestanda och strömförbrukning.

På blocknivå kan utvecklare använda effektskalning för enskilda signalvägsblock till förmån för minskad effektivitet och lägre effektförbrukning. TDD-blocken i mottagnings- och sändningsramarna kan dessutom inaktiveras för att offra svarstider för RX/TX och TX/RX till förmån för lägre strömförbrukning. För att ytterligare underlätta utvecklarnas möjligheter att optimera effekt kontra prestanda, innehåller varje delsystem för mottagaren ADRV9002 två par analog-till-digitalomvandlare. Det ena paret består av högeffektiva analog-till-digitalomvandlare med sigma-delta, medan det andra paret kan ersätta dessa när strömförbrukning är viktigt.

För tillämpningar som kännetecknas av perioder av inaktivitet kan övervakningsläget för mottagning användas i ADRV9002. I detta läge växlar ADRV9002 mellan ett energisnålt viloläge och ett detekteringsläge med en programmerad arbetscykel. I detekteringsläget aktiverar enheten en mottagare och försöker ta emot en signal över den bandbredd och den lokala oscillatorns mottagningsfrekvens som programmerats av utvecklaren. Om signalens effektnivå är över det programmerade gränsvärdet, lämnar enheten övervakningsläget och blocken i ADRV9002 aktiveras för att hantera den önskade signalen.

Snabb prototyptillverkning och utveckling

För att hjälpa ingenjörer att snabbt komma igång med utvärdering, prototyper och utveckling har Analog Devices omfattande stöd för hårdvara och programvara för system baserade på ADRV9002.

Som hårdvarustöd har Analog Devices ett par kort baserade på ADRV9002:

• ADRV9002NP/W1/PCBZ för lågbandstillämpningar med driftområde mellan 30 MHZ och 3 GHz
• ADRV9002NP/W2/PCBZ för högbandstillämpningar inom driftområdet 3 till 6 GHz

De är utrustade med FMC-kontaktdon och stödjer den inbyggda ADRV9002 med effektreglering och hårdvarugränssnitt samt fördelning av klocka och MCS (multichip synchronization). Korten ansluts via en FMC-kontakt till ett FPGA-moderkort, till exempel utvärderingskortet ZCU102 från AMD, för strömförsörjning och styrning av tillämpning.

Analog Devices tillhandahåller en komplett schematisk bild och artikellista (BOM) för radiokorten ADRV9002NP i sitt stödpaket. Schemat och artikellistan skapar en funktionell utgångspunkt för utveckling av anpassad hårdvara för de flesta tillämpningar. Somliga tillämpningar kräver ytterligare en RF-frontend för att uppfylla särskilda krav på signalbehandling. För dessa tillämpningar behöver utvecklarna endast ett fåtal fler komponenter för att slutföra sin konstruktion (figur 4).

Figur 4: Den helintegrerade tranceivern ADRV9002 gör det möjligt för utvecklare att snabbt implementera specialkonstruktioner (Bildkälla: Analog Devices)

I det här exemplet kan utvecklare snabbt implementera en lämplig RF-frontend med hjälp av följande komponenter för strömhantering från Analog Devices:

• ADRF5160 RF-omkopplare
• HMC8411 lågbrusförstärkare (LNA)
• ADMV8526 digitalt justerbart bandpassfilter
• HMC1119 digital stegdämpare (DSA) för RF
• HMC8413 drivförstärkare
• HMC8205B effektförstärkare

Analog Devices har ett omfattande mjukvaruutvecklingsstöd genom dokumentation och programvarupaket som finns tillgängliga för nedladdning. Utvecklare som använder den utvecklingshårdvara som nämns ovan kan fortsätta med prototyptillverkning och -utveckling baserad på programvara för produktsortiment eller programvarupaket med öppen källkod från Analog Devices.

I artikeln begränsas följande diskussion till programvara för produktsortiment. Mer information om utvecklingsmetodiken med öppen källkod finns i användarhandboken för prototypplattformen ADRV9001/2 från Analog Devices .Analog Devices anger att termen "ADRV9001" i företagets stöddokumentation är avsedd som en seriebeteckning som omfattar ADRV9002 och andra enheter i serien ADRV9001. Följaktligen gäller hänvisningar till ADRV9001 i texten eller figurerna nedan även för ADRV9002 som artikeln fokuserar på.

Windows-baserade TES-verktyg (Transceiver Evaluation Software) från Analog Devices är tillgängliga via företagets SDK-distribution (Software Development Kit) för produktsortimentet, och erbjuder en enkel utgångspunkt för snabb konfigurering och utvärdering av transceiverns verkningsgrad.

Vid utvärdering och prototypframtagning med kort baserade på ADRV9002 från Analog Devices tillsammans med utvärderingskortet ZCU102 från AMD, har TES-verktyget ett grafiskt användargränssnitt (GUI) för konfigurering av hårdvara och avläsning av insamlad data (figur 5).

Figur 5: Med TES-verktyget i SDK-paketet kan utvecklare snabbt börja utvärdera transceivern ADRV9002 på den utvärderingsplattform som stöds. (Bildkälla: Analog Devices)

TES-verktyget autogenererar i sin tur kod för C# som kan kompileras till Linux-miljöer, MATLAB-miljöer eller Python. SDK innehåller en komplett uppsättning programvarubibliotek och programmeringsgränssnitt (API), inklusive API-paketet för ADRV9001 som utvecklats för plattformen ZCU102 från AMD.

SDK-flödet stödjer även direkt migrering från utvärdering och prototypframtagning med utvärderingskortet till utvecklarens anpassade målmiljö (figur 6).

Figur 6: SDK-arkitekturen gör det möjligt för utvecklare att enkelt utöka resultaten av sin utvärdering till sin egen målplattform. (Bildkälla: Analog Devices)

I detta migreringsflöde låter utvecklaren TES-verktyget autogenerera kod som tidigare. Men istället för att använda den direkt distribuerar utvecklaren en redigerad version av den genererade koden till målplattformen. I praktiken begränsas de nödvändiga ändringarna huvudsakligen till att ta bort funktionsanrop som refererar till hårdvarukomponenter som känns igen av TES-verktyget men som inte behövs i målsystemet. SDK-arkitekturen innehåller ett gränssnitt för HAL (Hardware Abstraction Layer) mellan biblioteket för ADRV9001 och utvecklarens hårdvara, så utvecklaren behöver endast tillhandahålla anpassad kod som implementerar koden för HAL-gränssnittet för deras specifika hårdvara. Detta medför att utvecklare snabbt kan gå från utvärdering med kort från Analog Devices och AMD till utveckling i sin anpassade målmiljö.

Sammanfattning

Tillämpningar för flyg-, rymd- och försvarsindustrin står inför växande utmaningar i en alltmer avancerad signalmiljö. Förutom att tillgodose efterfrågan på högre prestanda över ett bredare frekvensområde måste utvecklarna minska storleken, vikten och strömförbrukningen för att stödja migreringen av dessa tillämpningar för batteridrivna system. Med hjälp av en högintegrerad transceiver från Analog Devices kan utvecklare implementera lösningar för mjukvarudefinierad radio för att på ett mer effektivt sätt uppfylla dessa krav.