Monipuolisen RF-lähetin-vastaanottimen käyttö ilmailun ja maanpuolustuksen adaptiivisissa SDR-viestintäjärjestelmissä

Ilmailun ja maanpuolustuksen (Aerospace and Defense, ADEF) järjestelmiin kohdistuu tiukkoja vaatimuksia kompaktimpien viestintäjärjestelmien suunnittelemisesta niin, että ne voivat vastata ketterästi dynaamisen signaaliympäristön olosuhteisiin. Perinteisiin radioarkkitehtuureihin nähden edistyneempi ohjelmistoradioteknologia (Software-Defined Radio, SDR) mahdollistaa ADEF-radioiden nopeasti muuttuviin vaatimuksiin vastaamisen, mutta SDR:n toteutuksessa on useita haasteita, jotka liittyvät koon, painon ja tehonkäytön (Size, Weight and Power, SWaP) vähentämiseen.

Tässä artikkelissa tutustutaan Analog Devices -yrityksen tehokkaampaan SDR-ratkaisuun, joka yksinkertaistaa kompaktien, vähävirtaisten ja monipuolisten viestintäjärjestelmien suunnittelua suorituskykyä vaarantamatta.

Kehittyvät haasteet kasvattavat vaatimuksia

Suunnittelijoilta vaaditaan tehokkaampia viestintäjärjestelmiä yhä useammissa teollisissa ja tehtäväkriittisissä sovelluksissa, kuten suojattu radioviestintä, adaptiivinen tutka, sähköinen sodankäynti ja tehostettu GPS-navigointi. Näiden uusien haasteiden myötä tarvitaan parempaa laajakaistatoimintaa, korkeampaa dynaamista aluetta, enemmän joustavuutta taajuuksissa ja mahdollisuutta muuttaa määritystä. Nämä kasvavat vaatimukset voivat kuitenkin olla ristiriidassa SWaP-arvojen pienentämisen kanssa. Näitä tarvitaan kun viestintäjärjestelmät siirtyvät pienempiin akkutoimisiin alustoihin, mukaan lukien miehittämättömät ilma-alukset (Unmanned Aerial Vehicle, UAS) ja kannettavat laitteet.

Perinteisiin diskreetteihin supervastaanotinarkkitehtuureihin pohjautuvat suunnitteluratkaisut tarjoavat korkean suorituskyvyn, laajan dynaamisen alueen ja minimaalisen häiriökohinan. Suunnittelijoiden pääasiallisena haasteena on eristää haluttu signaali välitaajuudesta (Intermediate Frequency, IF), mikä johtaa tyypillisesti monimutkaisiin rakenteisiin korkeilla SWaP-arvoilla sekä lähes olemattomaan uudelleenmääritettävyyteen (kuva 1).

Kuva 1: Perinteisillä supervastaanotinpohjaisilla arkkitehtuureilla voidaan vastata suorituskykyvaatimuksiin, mutta niiden monimutkaisuus estää niitä täyttämästä kehittyviä minimaalisten SWaP-arvojen tavoitteita. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Sen sijaan suoramuunnosarkkitehtuurit (nolla-IF) vähentävät suodatusvaatimuksia ja tarvetta erittäin suuren kaistanleveyden analogi-digitaalimuuntimille (Analog-to-Digital Converter, ADC), mikä mahdollistaa yksinkertaisemman rakenteen toteutuksen yhdellä piirillä (kuva 2).

Kuva 2: Nolla-IF-radioarkkitehtuureilla voidaan täyttää korkeamman suorituskyvyn ja matalampien SWaP-arvojen vaatimukset, mutta signaalin eristys on haastavaa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Vaikka suoramuunnosarkkitehtuurilla on selkeitä hyötyjä, sillä on omat toteutushaasteensa, jotka ovat rajoittaneet sen laajempaa käyttöönottoa. Tässä arkkitehtuurissa signaali muunnetaan radiotaajuiseksi (Radio Frequency, RF) kantoaalloksi paikallisoskillaattorin (Local Oscillator, LO) taajuudella, mutta tasavirran (Direct Current, DC) siirtymävirheet ja LO-vuoto voivat aiheuttaa virheiden siirtymisen signaaliketjua pitkin. Lisäksi signaalipolkujen erot samankin piirin sisällä voivat aiheuttaa vaiheensisäisen signaalin (I) ja kvadratuurisignaalin (Q) vahvistuksen ja vaiheen ristiriitoja, jolloin voi syntyä signaalin eristyksen vaarantava kvadratuurivirhe.

SDR-teknologia tarjoaa mahdollisuuden päihittää nämä perinteisiin radioarkkitehtuureihin liittyvät rajoitteet, mutta vain harvoilla ratkaisuilla voidaan täyttää ADEF-sovelluksiin liittyvät laajemmat vaatimukset. Analog Devices ADRV9002-RF-lähetin-vastaanottimen avulla kehittäjät voivat täyttää suorituskyky- ja toiminnallisuusvaatimukset helposti näiden sovellusten edellyttämillä alhaisemmilla SWaP-arvoilla.

Integroidut toiminnot mahdollistavat optimoidun suorituskyvyn ja alhaisemmat SWaP-arvot

Taajuusaluetta 30 MHz – 6000 MHz tukeva ADRV9002 on korkeasti integroitu lähetin-vastaanotin, joka sisältää kaikki RF-toiminnot, sekasignaalitoiminnot ja digitaaliset ominaisuudet erilaisten sovellusvaatimusten täyttämiseksi. Laite tukee dupleksitoimintaa sekä aikajakoisessa (Time Division Duplex, TDD) että taajuusjakoisessa (Frequency Division Duplex, FDD) tilassa, ja sen erilliset kaksikanavaiset suoramuunnosta käyttävät vastaanotin- ja lähetinalijärjestelmät sisältävät digitaaliset suodattimet, DC-siirtymän korjauksen sekä kvadratuurivirheen korjauksen (Quadrature Error Correction, QEC).

ADRV9002-piirin sisäinen syntetisoija-alijärjestelmä tarjoaa kaksi erillistä vaihelukittua silmukkapolkua (Phase-Locked Loop, PLL): yhden korkean taajuuden RF-polulle sekä toisen digitaalisille kelloille ja muuntimen näytteenottokelloille. Lopuksi laitteen digitaalinen signaalinkäsittelylohko sisältää upotetun Arm® M4 -prosessorin, joka suorittaa itsekalibrointi- ja ohjaustoiminnot (kuva 3).

Kuva 3: ADRV9002-RF-lähetin-vastaanotin sisältää kaksi vastaanotin- (RX) ja lähetinalijärjestelmää (TX). (Kuvan lähde: Analog Devices)

ADRV9002 tarjoaa lähetin- ja vastaanotinalijärjestelmillään kokonaiset signaaliketjut ja sitä voidaan käyttää vaihekohinalle herkissä sovelluksissa nolla-IF-tilassa tai matalan IF:n tilassa. Kussakin lähetinalijärjestelmässä on kaksi digitaali-analogimuunninta (Digital-to-Analog Converter, DAC), suodattimet ja mikserit, jotka yhdistävät I- ja Q-signaalit uudelleen ja moduloivat ne kantoaallon taajuudelle lähetystä varten.

Kussakin vastaanotinalijärjestelmässä on resistiivinen tuloverkko vahvistuksen säätämiseksi, ennen kuin se syötetään virtatilan passiivimikseriin. Transimpedanssivahvistin vuorostaan muuntaa mikserin virtalähdön jännitetasoksi, joka digitoidaan laajan dynaamisen alueen AD-muuntimessa. Jos TDD-toiminnan aikana on vapaita lähetysjaksoja tai jos FDD-sovelluksessa on vain yksi lähetin, käyttämättömiä vastaanottimen tuloja voidaan hyödyntää lähetinkanavien LO-vuotojen ja QEC:n valvontaan tai tehovahvistimen (Power Amplifier, PA) lähtösignaalitasojen valvontaan.

Jälkimmäistä vaihtoehtoa käytetään ADRV9002-piirin integroidun digitaalisen esivääristymän (Digital Pre-Distortion, DPD) toteutukseen, jolloin seurattavia PA-signaalitasoja hyödynnetään lähdön linearisoinnissa tarvittavan esivääristymän muodostamiseen. Tämän ominaisuuden ansiosta ADRV9002 voi ohjata PA-vahvistinta lähempänä saturaatiotasoa hyötysuhteen optimoimiseksi.

Tehon ja suorituskyvyn säätö

ADRV9002 tarjoaa täysin integroidun ratkaisun 196 juotospisteen Chip Scale Package (CSP) Ball Grid Array (BGA) ‑kotelossa ja auttaa minimoimaan SDR-ADEF-järjestelmien kokoa ja painoa. Jotta kehittäjät voisivat optimoida virrankulutusta vieläkin paremmin, ADRV9002 sisältää useita ominaisuuksia, jotka auttavat kehittäjiä suorituskyvyn ja tehon tasapainottamisessa.

Kehittäjät voivat käyttää lohkotason tehoskaalausta yksittäisissä signaalipolkulohkoissa, mikä laskee virrankulutusta mutta myös suorituskykyä. Lisäksi TDD:n vastaanotto- (RX) ja lähetyskehysten (TX) lohkot voidaan deaktivoida, mikä pidentää RX/TX- ja TX/RX-läpimenoaikoja ja laskee virrankulutusta. Jotta kehittäjät voisivat optimoida virrankulutuksen ja suorituskyvyn tasapainoa vieläkin enemmän, ADRV9002-piirin vastaanotinalijärjestelmissä on kaksi AD-muunninparia. Toisessa parissa on huipputehokkaat sigma-delta-AD-muuntimet, kun taas toista voidaan käyttää virrankulutuksen ollessa kriittisellä tasolla.

Jos sovellukselle on tyypillistä olla säännöllisesti käyttämättömänä pitkiä aikoja, siinä voidaan käyttää ADRV9002-piirin RX-valvontatilaa. Tässä tilassa ADRV9002 vaihtelee minimaalisen virrankulutuksen lepotilan ja havaitsemistilan välillä asetetun käyttöjakson mukaisesti. Havaitsemistilassa laite aktivoi vastaanottimen ja yrittää ottaa vastaan signaalin kehittäjän ohjelmoimalla kaistanleveydellä ja RX LO ‑taajuudella. Jos laite mittaa ohjelmoitua kynnysarvoa korkeamman signaalitehon, se poistuu valvontatilasta ja ADRV9002-piirin lohkot käynnistetään halutun signaalin käsittelyä varten.

Nopea prototyyppien kehitys ja tuotekehitys

Jotta suunnittelijat voivat siirtyä nopeasti arviointiin, prototyyppikehitykseen ja tuotekehitykseen, Analog Devices tarjoaa ADRV9002-pohjaisille järjestelmille laajan laitteisto- ja ohjelmistotuen.

Analog Devices tarjoaa laitteistotukea kahden ADRV9002-pohjaisen kortin muodossa:

• ADRV9002NP/W1/PCBZ sopii matalan kaistanleveyden sovelluksiin välillä 30 MHz – 3 GHz
• ADRV9002NP/W2/PCBZ sopii korkean kaistanleveyden sovelluksiin välillä 3–6 GHz.

Nämä FMC-liittimillä varustetut kortit tarjoavat kortilla olevalle ADRV9002-piirille tehonsäädön, laitteistorajapinnat sekä kellon ja monipiirisynkronoinnin (Multichip Synchronization, MCS). Kortit liitetään FMC-liittimellä virransyöttöä ja sovellusohjausta varten FPGA-emolevyyn, kuten AMD ZCU102 -evaluointikorttiin.

Analog Devices tarjoaa ADRV9002NP-radiokorttien tukipaketeissa kattavat kaaviot ja osaluettelot (Bill of Materials, BOM). Kaavio ja BOM muodostavat hyvän aloituspisteen mukautetun laitteiston kehitykseen useimpia sovelluksia varten. Joissain sovelluksissa tarvitaan ylimääräinen RF-esiaste signaalinparannusvaatimusten täyttämiseksi. Kehittäjät tarvitsevat näihin sovelluksiin vain muutamia lisäkomponentteja (kuva 4).

Kuva 4: Korkeasti integroidun ADRV9002-lähetin-vastaanottimen avulla kehittäjät voivat toteuttaa räätälöityjä sovelluksia nopeasti. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Tässä esimerkissä kehittäjät voivat toteuttaa sopivan RF-esiasteen nopeasti seuraavilla Analog Devices -yrityksen virranhallintakomponenteilla:

• RF-kytkin ADRF5160
• Pienikohinainen vahvistin (LNA) HMC8411
• Digitaalisesti säädettävä kaistanpäästösuodatin ADMV8526
• Digitaalinen RF-porrasvaimennin (DSA) HMC1119
• Ohjausvahvistin HMC8413
• Tehovahvistin HMC8205B.

Analog Devices tarjoaa kattavan ohjelmistokehitystuen dokumentaation ja ladattavien ohjelmistopakettien muodossa. Edellä mainittuja kehityslaitteistoja käyttävät kehittäjät voivat jatkaa prototyyppien luontia ja kehitystä Analog Devices -tuoteperheeseen sopivilla ohjelmistoilla ja avoimen lähdekoodin ohjelmistopaketeilla.

Tässä artikkelissa keskitytään tuoteperheiden ohjelmistoihin. Katso lisätietoja avoimeen lähdekoodiin perustuvasta kehityksestä Analog Devices ADRV9001/2 Prototyping Platform User Guide -käyttöoppaasta.Analog Devices toteaa, että yrityksen tukidokumenteissa ”ADRV9001” merkitsee tuoteperhettä, joka kattaa ADRV9002-piirin sekä muut ADRV9001-tuoteperheen jäsenet. Näin ollen alla olevissa teksteissä ja kuvissa viittaukset piiriin ADRV9001 kattavat myös tässä artikkelissa käsitellyn piirin ADRV9002.

Analog Devices -tuoteperheelle tarkoitetun ohjelmankehityspaketin (Software Development Kit, SDK) mukana toimitettava Windows-pohjainen Transceiver Evaluation Software (TES) ‑työkalu tarjoaa helppokäyttöisen ja nopean tavan aloittaa lähetin-vastaanottimen suorituskyvyn konfigurointi ja evaluointi.

TES-työkalu tarjoaa Analog Devices ADRV9002 -pohjaisilla korteilla ja AMD:n ZCU102-arviointikortilla tehtävää evaluointia ja prototyyppikehitystä varten graafisen käyttöliittymän (GUI), jolla voidaan konfiguroida käytettävä laitteisto ja tutkia vastaanotettuja tietoja (kuva 5).

Kuva 5: SDK-paketin TES-työkalun avulla kehittäjät voivat aloittaa nopeasti ADRV9002-lähetin-vastaanottimen evaluoinnin tuetulla arviointialustalla. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Lisäksi TES-työkalu generoi automaattisesti C#-koodin, jonka voi kääntää Linux-, MATLAB- tai Python-ympäristöä varten. SDK tarjoaa kattavat ohjelmistokirjastot ja ohjelmointirajapinnat (Application Programming Interface, API), mukaan lukien AMD ZCU102 ‑alustalle kehitetyn ADRV9001 API -paketin.

SDK tukee myös suoraan siirtymistä evaluointikortilla tehtävästä evaluoinnista ja prototyyppikehityksestä kehittäjän räätälöityyn kohdeympäristöön (kuva 6).

Kuva 6: SDK-arkkitehtuurin avulla kehittäjät voivat helposti hyödyntää evaluoinnin tuloksia omalla kohdealustallaan. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Tässä siirtoprosessissa kehittäjä antaa TES-työkalun generoida koodin automaattisesti, kuten aiemmassakin esimerkissä. Koodin suoran käytön sijaan kehittäjä kuitenkin kirjoittaa kohdealustalle muokatun version generoidusta koodista. Käytännössä vaaditut muokkaukset ovat lähinnä sellaisten funktiokutsujen poistamista, jotka viittaavat TES-työkalun tunnistamiin kohdejärjestelmässä tarpeettomiin laitteistokomponentteihin. SDK-arkkitehtuuriin kuuluu ADRV9001-kirjaston ja kehittäjän laitteiston välinen HAL-kerros (Hardware Abstraction Layer), joten kehittäjien tarvitsee vain toteuttaa räätälöity koodi, joka toteuttaa HAL-rajapintakoodin kohdelaitteistoa varten. Näin ollen kehittäjät voivat siirtyä nopeasti Analog Devices- ja AMD-korteilla suoritettavasta evaluoinnista kehitykseen omalla räätälöidyllä kohdealustallaan.

Yhteenveto

ADEF-sovellukset kohtaavat jatkuvasti yhä haasteellisempia ja monimutkaisempia signaaliympäristöjä. Kehittäjien täytyy täyttää kasvaneet suorituskykyvaatimukset laajoilla taajuusalueilla sekä laskea SWaP-arvoja, jotta näitä sovelluksia voidaan muuttaa akkukäyttöisiksi. Analog Devices -yrityksen korkeasti integroidulla lähetin-vastaanottimella voidaan toteuttaa SDR-ratkaisuja, jotka täyttävät nämä vaatimukset tehokkaammin.