Gebruik van een flexibele RF-transceiver in een adaptief SDR-communicatiesysteem voor lucht- en ruimtevaart en defensie

Ontwerpers van lucht- en ruimtevaart- en defensiesystemen (Aerospace and Defense of ADEF) worden geconfronteerd met een niet aflatende vraag naar compactere communicatiesystemen die minder stroom verbruiken en flexibel kunnen reageren op dynamische signalen. Software-defined radio (SDR) gaat verder dan traditionele radioarchitecturen en kan helpen om aan de snel veranderende vereisten voor ADEF-radio's te voldoen. De implementatie van SDR brengt echter meerdere uitdagingen met zich mee wat betreft functionele vereisten én de behoefte aan een kleiner formaat, gewicht en vermogen (size, weight and power of SWaP).

In dit artikel beschrijven we een effectievere SDR-oplossing van Analog Devices die het ontwerp van energiezuinige, compacte en flexibele communicatiesystemen kan vereenvoudigen zonder afbreuk te doen aan de prestaties.

Nieuwe uitdagingen zorgen voor strengere eisen

Ontwerpers worden vaak geconfronteerd met de vraag naar effectievere communicatie in een groeiend aantal industriële en missiekritische toepassingen, waaronder beveiligde radiocommunicatie, adaptieve radar, elektronische oorlogsvoering en verbeterde GPS-navigatie. Deze nieuwe uitdagingen vragen om een verbeterde breedbandwerking, een groter dynamisch bereik, een grotere frequentiegevoeligheid en herconfigureerbaarheid. Zwaardere functionele vereisten kunnen echter in conflict komen met de behoefte aan een lagere SWaP naarmate communicatiesystemen verschuiven naar kleinere batterijgevoede platforms, waaronder onbemande luchtvaartuigen (en: Unmanned Aerial Vehicles of UAS) en draagbare eenheden.

Ontwerpoplossingen gebaseerd op traditionele discrete superheterodyne radio-architecturen bieden hoge prestaties, een groot dynamisch bereik en minimale ongewenste ruis. Voor ontwerpers leidt de uitdaging om het gewenste signaal te isoleren van de intermediaire frequentie (IF) in de kern van deze benadering meestal tot complexe ontwerpen met een hoge SWaP en weinig tot geen herconfigureerbaarheid (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Traditionele superheterodyne radio-architecturen kunnen voldoen aan de prestatiedoelstellingen, maar hun complexiteit verhindert dat ze voldoen aan de nieuwe doelstellingen voor minimale SWaP. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Daarentegen verlagen directe conversie-architecturen (zero-IF) zowel de filtervereisten als de noodzaak voor analoog-digitaalomzetters (ADC's) met zeer hoge bandbreedte, wat resulteert in een eenvoudiger ontwerp dat op een enkele chip kan worden geïmplementeerd (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Zero-IF radio-architecturen kunnen in de behoefte aan hogere prestaties en lagere SWaP voorzien, maar signaalisolatie blijft een uitdaging. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Ondanks de duidelijke voordelen heeft de directe conversie-architectuur zijn eigen uitdagingen wat betreft implementatie waardoor een wijdverspreide toepassing wordt beperkt. In deze architectuur wordt het signaal omgezet naar een radiofrequentiedrager op de frequentie van de lokale oscillator (LO), maar gelijkstroomoffsetfouten en LO-lekkage kunnen resulteren in fouten die door de signaalketen worden verspreid. Bovendien kunnen verschillen in signaalpaden, zelfs binnen dezelfde chip, een versterking of fasemismatch van het in-fasesignaal (I) en kwadratuursignaal (Q) introduceren, wat resulteert in een kwadratuurfout die de signaalisolatie in gevaar kan brengen.

SDR-technologie biedt de mogelijkheid om de beperkingen van traditionele radioarchitecturen te overwinnen, maar er zijn maar weinig oplossingen die aan de bredere eisen van ADEF-toepassingen kunnen voldoen. Met behulp van de RF-transceiver ADRV9002 van Analog Devices kunnen ontwikkelaars eenvoudig voldoen aan de behoefte aan hogere prestaties en functionaliteit met de lagere SWaP die voor deze toepassingen vereist is.

Geïntegreerde functionaliteit levert optimale prestaties met minder SWaP

Met ondersteuning voor een frequentiebereik van 30 tot 6000 megahertz (MHz) is de ADRV9002 een sterk geïntegreerde transceiver die alle functionaliteit voor RF, gemengd signaal en digitaal bevat die nodig is om een breed scala aan toepassingsvereisten te ondersteunen. Het component is geschikt voor zowel time division duplex (TDD) als frequency division duplex (FDD) en beschikt over aparte dual-channel directe conversie ontvanger- en zendersubsystemen die programmeerbare digitale filters, DC-offsetcorrectie en kwadratuurfoutcorrectie (QEC) bevatten.

In het on-chip synthesizersubsysteem heeft de ADRV9002 twee verschillende PLL-paden (phase-locked loop), namelijk een voor het hoogfrequente RF-pad en een andere voor de digitale klokken en converter sampling-klokken. Tot slot bevat het digitale signaalverwerkingsblok een M4 ingebedde processor van Arm® die zelfkalibratie en besturingsfuncties uitvoert (afbeelding 3).

Afbeelding 3: De ADRV9002 RF-transceiver integreert dual subsystemen voor ontvanger (RX) en zender (TX). (Bron afbeelding: Analog Devices)

De ADRV9002 kan in de zero-IF-modus of low-IF-modus werken voor fase-ruisgevoelige toepassingen en beschikt over zender- en ontvangersubsystemen die complete signaalketens bieden. Elk zendersubsysteem levert een paar digitaal-analoogomzetters (DAC), filters en mixers die I- en Q-signalen hercombineren en ze op de draaggolffrequentie moduleren voor verzending.

Elk ontvangersubsysteem bevat een resistief ingangsnetwerk voor versterkingsregeling dat een passieve mixer met huidige modus voedt. Daarnaast zet een transimpedantieversterker de stroomuitgang van de mixer om in een spanningsniveau dat wordt gedigitaliseerd door een ADC met een hoog dynamisch bereik. Tijdens beschikbare zendslots in TDD-bedrijf of in FDD-toepassingen waar slechts één ontvangersysteem wordt gebruikt, kunnen ongebruikte ontvangeringangen worden ingezet om zenderkanalen te monitoren op LO-lekkage en QEC. Ongebruikte ontvangeringangen kunnen worden gebruikt om uitgangssignaalniveaus van eindversterkers (power amplifiers of PA's) te controleren.

Deze laatste mogelijkheid komt tot uiting in de geïntegreerde DPD-functie (digitale pre-distortion) van de ADRV9002, die de bewaakte PA-signaalniveaus gebruikt om de juiste pre-distortion toe te passen die nodig is om de uitgang te lineariseren. Dankzij deze mogelijkheid kan de ADRV9002 de PA dichter bij verzadiging brengen voor een optimale efficiëntie.

Het afstemmen van stroomgebruik en prestaties

De ADRV9002 biedt een volledig geïntegreerde oplossing in een 196-ball chip scale package (CSP) ball grid array (BGA) en minimaliseert tevens de grootte en het gewicht voor SDR ADEF-communicatiesystemen. Om ontwikkelaars te helpen het stroomverbruik verder te optimaliseren, integreert de ADRV9002 meerdere functies die speciaal zijn ontworpen om ontwikkelaars te helpen een geschikte balans te vinden tussen prestaties en stroomverbruik.

Op blokniveau kunnen ontwikkelaars vermogensschaling toepassen op individuele signaalpadblokken om verminderde prestaties in te ruilen voor een lager energieverbruik. Bovendien kunnen de blokken in TDD ontvangst-frame (RX) en zend-frame (TX) worden uitgeschakeld om RX/TX- of TX/RX-omlooptijden op te offeren voor een lager stroomverbruik. Om de ontwikkelaars verder te helpen bij het optimaliseren van stroom t.o.v. prestaties bevat elk ADRV9002-ontvangersubsysteem twee paar ADC's. Eén paar bestaat uit hoogwaardige sigma-delta ADC's, terwijl het tweede paar kan invallen wanneer het stroomverbruik kritisch is.

Voor toepassingen die gekenmerkt worden door periodieke perioden van inactiviteit kan de RX-monitormodus van de ADRV9002 gebruikt worden. In deze modus wisselt de ADRV9002 tussen een laagvermogen-slaapstand en een detectiestatus met een geprogrammeerde duty cycle. In de detectiestatus wordt een ontvanger geactiveerd en probeert de ADRV9002 een signaal op te vangen over een bandbreedte en RX LO-frequentie die door de ontwikkelaar zijn geprogrammeerd. Als een signaalsterkteniveau boven de geprogrammeerde drempelwaarde wordt gemeten, wordt de monitormodus uitgeschakeld en worden de blokken van de ADRV9002 ingeschakeld om het gewenste signaal te verwerken.

Rapid prototyping en ontwikkeling

Om ontwikkelaars te helpen snel te beginnen met evaluatie, prototyping en ontwikkeling, biedt Analog Devices uitgebreide hardware- en softwareondersteuning voor op ADRV9002 gebaseerde systemen.

Voor hardwareondersteuning biedt Analog Devices een set op ADRV9002 gebaseerde kaarten:

• ADRV9002NP/W1/PCBZ voor laagbandtoepassingen binnen een bereik van 30 MHz tot 3 gigahertz (GHz)
• ADRV9002NP/W2/PCBZ voor hoogbandtoepassingen binnen een bereik van 3 tot 6 GHz

Deze kaarten zijn uitgerust met FMC-connectors en ondersteunen de on-board ADRV9002 met stroomregeling en hardware-interfaces, evenals distributie van klok- en multichipsynchronisatie (MCS). De kaarten worden via hun FMC-connector aangesloten op een FPGA-moederbord, zoals het ZCU102-evaluatiebord van AMD voor voeding en applicatieregeling.

Analog Devices biedt een compleet schema en een stuklijst (BOM) voor de ADRV9002NP-radiokaarten in het ondersteuningspakket. Het schema en de BOM bieden een effectief startpunt voor aangepaste hardwareontwikkeling voor de meeste toepassingen. Sommige toepassingen vereisen een extra RF front-end om te voldoen aan specifieke eisen voor signaalconditionering. Voor deze toepassingen hebben ontwikkelaars slechts een paar extra componenten nodig om hun ontwerp te voltooien (afbeelding 4).

Afbeelding 4: De sterk geïntegreerde ADRV9002-transceiver stelt ontwikkelaars in staat om snel gespecialiseerde ontwerpen te implementeren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In dit voorbeeld kunnen ontwikkelaars snel een geschikte RF-front-end implementeren met behulp van de volgende vermogensbeheercomponenten van Analog Devices:

• ADRF5160 RF-schakelaar
• HMC8411 lageruisversterker (LNA)
• ADMV8526 digitaal afstembaar banddoorlaatfilter
• HMC1119 RF digitale stappenverzwakker (DSA)
• HMC8413 stuurversterker
• HMC8205B PA

Analog Devices biedt uitgebreide ondersteuning voor softwareontwikkeling door middel van documentatie en downloadbare softwarepakketten. Ontwikkelaars die de bovengenoemde ontwikkelhardware gebruiken, kunnen doorgaan met prototyping en ontwikkeling op basis van software uit de productlijn van Analog Devices of open-source softwarepakketten.

In dit artikel beperken we ons tot een discussie van productlijnsoftware. Ga voor meer informatie over de open source ontwikkelmethodologie de gebruikershandleiding voor het ADRV9001/2 prototyping-platform van Analog Devices.Analog Devices geeft aan dat de term 'ADRV9001' in de ondersteunende bedrijfsdocumentatie bedoeld is als een serie-aanduiding die de ADRV9002 en andere leden van de ADRV9001-serie omvat. Als gevolg hiervan zijn verwijzingen naar ADRV9001 in de tekst of onderstaande figuren van toepassing op de ADRV9002 waarop dit artikel betrekking heeft.

De op Windows gebaseerde Transceiver Evaluation Software (TES) van Analog Devices, die beschikbaar is via de distributie van de software development kit (SDK) van de productlijn, biedt een toegankelijk startpunt voor het snel configureren en evalueren van de prestaties van de transceiver.

Tijdens evaluatie en prototyping met op ADRV9002 gebaseerde kaarten van Analog Devices en de ZCU102-evaluatiekaart van AMD, biedt de TES-tool een grafische gebruikersinterface (GUI) voor het configureren van de hardware en het observeren van vastgelegde gegevens (afbeelding 5).

Afbeelding 5: Met de TES-tool in het SDK-pakket kunnen ontwikkelaars snel beginnen met het evalueren van de ADRV9002-transceiver op het ondersteunde evaluatieplatform. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De TES-tool genereert zelf een C#-programma dat naar de Linux-omgeving, MATLAB-omgeving of Python gecompileerd kan worden. De SDK biedt een complete set softwarebibliotheken en API's (Application Programming Interfaces), waaronder het ADRV9001 API-pakket dat is ontwikkeld voor het AMD ZCU102-platform.

De SDK-flow ondersteunt ook direct de migratie van evaluatie en prototyping met het evaluatiebord naar de aangepaste doelomgeving van de ontwikkelaar (afbeelding 6).

Afbeelding 6: Met de SDK-architectuur kunnen ontwikkelaars de resultaten van hun evaluatie eenvoudig uitbreiden naar hun eigen doelplatform. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In deze migratiestroom laat de ontwikkelaar de TES automatisch software genereren net zoals voorheen. Maar in plaats van het direct te gebruiken, gebruikt de ontwikkelaar een bewerkte versie van de gegenereerde software op het doelplatform. In de praktijk beperken de vereiste bewerkingen zich voornamelijk tot het verwijderen van functieaanroepen die verwijzen naar hardwarecomponenten die door de TES-tool worden herkend, maar die niet nodig zijn in het doelsysteem. De SDK-architectuur bevat een HAL-interface (hardware abstraction layer) tussen de ADRV9001-bibliotheek en de hardware van de ontwikkelaar, zodat ontwikkelaars alleen aangepaste software hoeven te leveren die de HAL-interfacesoftware voor hun specifieke hardware implementeert. Hierdoor kunnen ontwikkelaars snel overschakelen van evaluatie met de Analog Devices-kaarten en het AMD-bord naar ontwikkeling voor hun aangepaste doelomgeving.

Conclusie

ADEF-toepassingen worden geconfronteerd met steeds grotere uitdagingen in een steeds complexere signaalomgeving. Naast de vraag naar hogere prestaties over een breder frequentiebereik, moeten ontwikkelaars ook de SWaP verlagen om de migratie van deze toepassingen naar batterijgevoede systemen te ondersteunen. Met behulp van een sterk geïntegreerde transceiver van Analog Devices kunnen ontwikkelaars SDR-oplossingen implementeren om effectiever aan deze vereisten te voldoen.