Verwendung eines HF-Transceivers in einem adaptiven SDR-Kommunikationssystem für Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

Die Systementwicklung in der Luft- und Raumfahrt und in der Verteidigung (ADEF) sieht sich mit einer unablässigen Nachfrage nach kompakteren Kommunikationssystemen mit niedrigerer Leistungsaufnahme konfrontiert, die tauglich sind, auf eine dynamische Signalumgebung zu reagieren. Die softwaredefinierte Funktechnologie (SDR) geht über herkömmliche Funkarchitekturen hinaus und kann dazu beitragen, die sich schnell ändernden Anforderungen an ADEF-Funkgeräte zu erfüllen. Die SDR-Implementierung war jedoch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden, um sowohl die funktionalen Anforderungen als auch die Notwendigkeit einer geringeren Größe, eines geringeren Gewichts und einer geringeren Leistung (SWaP) zu erfüllen.

Dieser Artikel beschreibt eine effektivere SDR-Lösung von Analog Devices, die das Design von stromsparenden, kompakten und flexiblen Kommunikationssystemen ohne Leistungseinbußen vereinfachen kann.

Neue Herausforderungen führen zu höheren Anforderungen

Die Entwicklungsteams sehen sich mit der Forderung nach einer effektiveren Kommunikation in einer wachsenden Zahl von industriellen und unternehmenskritischen Anwendungen konfrontiert, darunter sichere Funkkommunikation, adaptives Radar, elektronische Kriegsführung und verbesserte GPS-Navigation. Diese neuen Herausforderungen machen einen verbesserten Breitbandbetrieb, einen höheren Dynamikbereich, eine größere Frequenzflexibilität und Rekonfigurierbarkeit erforderlich. Diese anspruchsvolleren funktionalen Anforderungen können jedoch mit der Notwendigkeit Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme (SWaP) zu reduzieren kollidieren, da Kommunikationssysteme auf kleinere batteriebetriebene Plattformen, einschließlich unbemannter Luftfahrzeuge (UAS) und tragbarer Einheiten, umgestellt werden.

Designlösungen, die auf traditionellen diskreten Superheterodyn-Funkarchitekturen basieren, bieten hohe Leistung, einen großen Dynamikbereich und minimales Störrauschen. Die Herausforderung, das gewünschte Signal von der Zwischenfrequenz (IF) zu isolieren, die das Herzstück dieses Ansatzes bildet, führt in der Regel zu komplexen größeren Designs mit hohem Gewicht und hoher Leistungsaufnahme sowie geringer bis keiner Rekonfigurierbarkeit (Abbildung 1).

Abbildung 1: Herkömmliche Superheterodyn-Funkarchitekturen können zwar die Performanceziele erfüllen, sind aber aufgrund ihrer Komplexität nicht in der Lage, die sich abzeichnenden Ziele für die Reduzierung von Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme zu erreichen. (Bildquelle: Analog Devices)

Im Gegensatz dazu reduzieren direkte Konvertierungsarchitekturen (Zero-IF) sowohl die Anforderungen an die Filterung als auch den Bedarf an Analog/Digital-Wandlern (ADCs) mit sehr hoher Bandbreite, was zu einem einfacheren Design führt, das auf einem einzigen Chip implementiert werden kann (Abbildung 2).

Abbildung 2: Zero-IF-Funkarchitekturen können den Bedarf an höherer Performance und geringeren Werten für Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme erfüllen, aber die Signalisolierung ist eine Herausforderung. (Bildquelle: Analog Devices)

Trotz ihrer offensichtlichen Vorteile hat die direkte Konvertierungsarchitektur ihre eigenen Implementierungsprobleme, die ihre weitverbreitete Annahme eingeschränkt haben. Bei dieser Architektur wird das Signal in einen Hochfrequenzträger mit der Frequenz des Lokaloszillators (LO) umgewandelt, aber Gleichstrom-Offsetfehler und LO-Leckagen können zu Fehlern führen, die sich in der Signalkette ausbreiten. Darüber hinaus können Unterschiede in den Signalpfaden, selbst innerhalb desselben Chips, zu einer Verstärkungs- oder Phasenfehlanpassung des In-Phase- (I) und Quadratursignals (Q) führen, was einen Quadraturfehler zur Folge hat, der die Signalisolierung beeinträchtigen kann.

Die SDR-Technologie bietet das Potenzial, die Beschränkungen herkömmlicher Funkarchitekturen zu überwinden, aber nur wenige Lösungen können die umfassenderen Anforderungen im Zusammenhang mit ADEF-Anwendungen erfüllen. Mit dem HF-Transceiver ADRV9002 von Analog Devices kann der Bedarf an höherer Performance und Funktionalität bei geringeren Werten für Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme, die in diesen Anwendungen gefordert werden, leicht erfüllt werden.

Integrierte Funktionalität liefert optimierte Performance bei geringeren Werten für Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme

Der ADRV9002 unterstützt einen Frequenzbereich von 30 Megahertz (MHz) bis 6000 MHz und ist ein hochintegrierter Transceiver, der alle HF-, Mischsignal- und Digitalfunktionen enthält, die für eine breite Palette von Anwendungsanforderungen erforderlich sind. Der Baustein kann sowohl im Zeitduplex- (TDD) als auch im Frequenzduplexbetrieb (FDD) eingesetzt werden und verfügt über getrennte Zweikanal-Direktumsetzungs-Empfänger- und -Sender-Subsysteme mit programmierbaren Digitalfiltern, DC-Offset-Korrektur und Quadraturfehlerkorrektur (QEC).

Innerhalb seines On-Chip-Synthesizer-Subsystems verfügt der ADRV9002 über zwei verschiedene PLL-Pfade (Phasenregelkreise): einen für den Hochfrequenz-HF-Pfad und einen weiteren für die digitalen Taktgeber und die Abtasttakte des Wandlers. Schließlich enthält der digitale Signalverarbeitungsblock des Bauteils einen eingebetteten Arm®-M4-Prozessor, der die Selbstkalibrierung und die Steuerfunktionen übernimmt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der HF-Transceiver ADRV9002 verfügt über ein duales Empfangs- (RX) und Sende(TX)-Subsystem. (Bildquelle: Analog Devices)

Der ADRV9002 kann entweder im Zero-IF-Modus oder im Low-IF-Modus für phasenrauschempfindliche Anwendungen betrieben werden und verfügt über Sender- und Empfänger-Subsysteme, die vollständige Signalketten bieten. Jedes Teilsystem des Senders verfügt über ein Paar von Digital/Analog-Wandlern (DAC), Filtern und Mischern, die I- und Q-Signale rekombinieren und auf die Trägerfrequenz für die Übertragung modulieren.

Jedes Teilsystem des Empfängers enthält ein ohmsches Eingangsnetzwerk zur Verstärkungsregelung, das einen passiven Mischer im Strommodus speist. Ein Transimpedanzverstärker wiederum wandelt den Stromausgang des Mischers in einen Spannungspegel um, der von einem ADC mit hohem Dynamikbereich digitalisiert wird. Während verfügbarer Sendungszeiten im TDD-Betrieb oder in FDD-Anwendungen, in denen nur ein Empfängersystem verwendet wird, können ungenutzte Empfängereingänge zur Überwachung von Senderkanälen auf LO-Leckagen und QEC oder ungenutzte Empfängereingänge zur Überwachung der Ausgangssignalpegel von Leistungsverstärkern (PA) verwendet werden.

Die letztgenannte Fähigkeit kommt in der integrierten digitalen Vorverzerrungsfunktion (DPD) des ADRV9002 zum Tragen, die die überwachten PA-Signalpegel nutzt, um die geeignete Vorverzerrung anzuwenden, die zur Linearisierung des Ausgangs erforderlich ist. Dank dieser Fähigkeit kann der ADRV9002 den PA näher an die Sättigung treiben und so seine Effizienz optimieren.

Abstimmung von Stromverbrauch und Performance

Der Baustein ADRV9002 bietet eine vollständig integrierte Lösung in einem Kugelrasterarray (BGA) mit 196 Kontakten in einem Chip-Scale-Gehäuse (CSP) und minimiert Größe und Gewicht für SDR-ADEF-Kommunikationssysteme. Um bei der weiteren Optimierung des Stromverbrauchs zu helfen, verfügt der ADRV9002 über mehrere Funktionen, die speziell entwickelt wurden, um dabei zu helfen, ein angemessenes Gleichgewicht zwischen Performance und Stromverbrauch zu finden.

Auf Blockebene können Entwicklungsteams die Leistungsskalierung auf einzelne Signalpfadblöcke anwenden, um eine geringere Performance gegen einen niedrigeren Stromverbrauch einzutauschen. Darüber hinaus können die Blöcke in TDD-Empfangs- (RX) und Sende(TX)-Rahmen deaktiviert werden, um die RX/TX- oder TX/RX-Umlaufzeiten für einen geringeren Stromverbrauch zu opfern. Um den Entwicklungsteams die Möglichkeit zu geben, den Stromverbrauch gegenüber der Performance zu optimieren, enthält jedes ADRV9002-Empfänger-Subsystem zwei ADC-Paare. Ein Paar umfasst hochleistungsfähige Sigma-Delta-ADCs, während das zweite Paar als Ersatz dienen kann, wenn der Stromverbrauch kritisch ist.

Für Anwendungen, die durch periodische Inaktivitätsphasen gekennzeichnet sind, kann der RX-Monitormodus des ADRV9002 verwendet werden. In diesem Modus wechselt der ADRV9002 zwischen einem Ruhezustand mit minimalem Stromverbrauch und einem Erkennungszustand mit einem programmierten Tastverhältnis. Im Erkennungszustand aktiviert das Gerät einen Empfänger und versucht, ein Signal über eine vom Entwicklungsteam programmierte Bandbreite und RX-LO-Frequenz zu erfassen. Wenn das Gerät einen Signalpegel misst, der über dem programmierten Schwellenwert liegt, verlässt das Gerät den Überwachungsmodus, und die Blöcke des ADRV9002 werden für die Verarbeitung des gewünschten Signals aktiviert.

Schnelles Prototyping und Entwicklung

Um schnell mit der Evaluierung, dem Prototyping und der Entwicklung zu beginnen, bietet Analog Devices umfassenden Hardware- und Software-Support für ADRV9002-basierte Systeme.

Für die Hardwareunterstützung bietet Analog Devices zwei ADRV9002-basierte Karten an:

• Die ADRV9002NP/W1/PCBZ für Niederbandanwendungen im Bereich von 30 MHz bis 3 Gigahertz (GHz)
• Die ADRV9002NP/W2/PCBZ für Hochbandanwendungen im Bereich 3 bis 6 GHz

Ausgestattet mit FMC-Anschlüssen unterstützen diese Karten den Onboard-ADRV9002 mit Leistungsregelung und Hardwareschnittstellen sowie Takt- und Multichip-Synchronisationsverteilung (MCS). Die Karten werden über ihren FMC-Anschluss mit einem FPGA-Motherboard verbunden, z. B. mit dem Evaluierungsboard ZCU102 von AMD, das die Stromversorgung und Anwendungssteuerung übernimmt.

Analog Devices stellt in seinem Support-Paket einen vollständigen Schaltplan und eine Stückliste für seine ADRV9002NP-Funkkarten zur Verfügung. Der Schaltplan und die Stückliste bieten einen effektiven Ausgangspunkt für die Entwicklung kundenspezifischer Hardware für die meisten Anwendungen. Einige Anwendungen erfordern ein zusätzliches HF-Frontend, um bestimmte Anforderungen an die Signalaufbereitung zu erfüllen. Für diese Anwendungen werden nur wenige zusätzliche Komponenten benötigt, um das Design zu vervollständigen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der hochintegrierte Transceiver ADRV9002 ermöglicht die schnelle Umsetzung spezieller Designs. (Bildquelle: Analog Devices)

Mit den folgenden Energiemanagement-Komponenten von Analog Devices kann schnell ein geeignetes HF-Frontend implementiert werden:

• HF-Schalter ADRF5160
• Rauscharmer Verstärker (LNA) HMC8411
• Digital abstimmbarer Bandpassfilter ADMV8526
• Digitaler HF-Stufendämpfer (DSA) HMC1119
• Treiberverstärker HMC8413
• PA HMC8205B

Analog Devices bietet umfassende Unterstützung bei der Softwareentwicklung durch Dokumentation und herunterladbare Softwarepakete. Bei Verwendung der oben erwähnten Entwicklungshardware, kann mit dem Prototyping und der Entwicklung auf der Grundlage der Software der Produktlinie von Analog Devices oder von Open-Source-Softwarepaketen fortgefahren werden.

In diesem Artikel wird ausschließlich die Software der Produktlinie von Analog Devices behandelt. Weitere Informationen über die Open-Source-Entwicklungsmethodik finden Sie im „ADRV9001/2 Prototyping Platform User Guide“ von Analog Devices.Analog Devices weist darauf hin, dass der Begriff „ADRV9001“ in der Support-Dokumentation des Unternehmens als Familienbezeichnung zu verstehen ist, die auch den ADRV9002 und andere Mitglieder der Familie ADRV9001 umfasst. Daher beziehen sich Verweise auf den ADRV9001 im Text oder in den Abbildungen unten auf die Komponente ADRV9002, das im Mittelpunkt dieses Artikels steht.

Die Windows-basierte Transceiver Evaluation Software (TES) von Analog Devices ist über die SDK-Distribution (Software Development Kit) der Produktlinie erhältlich und bietet einen leicht zugänglichen Ausgangspunkt für die schnelle Konfiguration und Evaluierung der Transceiver-Performance.

Während der Evaluierung und des Prototypings mit den ADRV9002-basierten Karten von Analog Devices und dem ZCU102-Evaluierungsboard von AMD bietet das TES-Tool eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) zur Konfiguration der Hardware und zur Beobachtung der erfassten Daten (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das TES-Tool im SDK-Paket erlaubt eine schnelle Evaluierung des ADRV9002-Transceivers auf der unterstützten Evaluierungsplattform. (Bildquelle: Analog Devices)

Das TES-Tool wiederum generiert automatisch C#-Code, der in die Linux-, MATLAB- oder Python-Umgebung kompiliert werden kann. Das SDK bietet einen vollständigen Satz von Softwarebibliotheken und Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs), einschließlich des ADRV9001-API-Pakets, das für die AMD-ZCU102-Plattform entwickelt wurde.

Der SDK-Ablauf unterstützt auch direkt die Migration von der Evaluierung und dem Prototyping mit dem Evaluierungsboard zur benutzerdefinierten Zielumgebung des Entwicklers (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die SDK-Architektur ermöglicht es, die Ergebnisse der Evaluierung problemlos auf die eigene Zielplattform zu übertragen. (Bildquelle: Analog Devices)

In diesem Migrationsfluss wird der Code wie bisher automatisch vom TES generiert. Anstatt ihn jedoch direkt zu verwenden, wird eine bearbeitete Version des generierten Codes auf die Zielplattform übertragen. In der Praxis beschränken sich die erforderlichen Änderungen hauptsächlich auf das Entfernen von Funktionsaufrufen, die auf Hardwarekomponenten verweisen, die vom TES-Tool erkannt, aber im Zielsystem nicht benötigt werden. Die SDK-Architektur umfasst eine Hardware-Abstraktionsschicht (HAL) als Schnittstelle zwischen der ADRV9001-Bibliothek und der Hardware des Entwicklungsteams, so dass das Team nur einen benutzerdefinierten Code bereitstellen muss, der den HAL-Schnittstellencode für die spezifische Hardware implementiert. Auf diese Weise kann schnell von der Evaluierung mit den Karten von Analog Devices und dem AMD-Board zur Entwicklung für die eigene Zielumgebung übergegangen werden.

Fazit

ADEF-Anwendungen stehen vor wachsenden Herausforderungen in einer zunehmend komplexen Signalumgebung. Entwicklungsteams müssen nicht nur die Nachfrage nach höherer Performance in einem breiteren Frequenzbereich befriedigen, sondern auch Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme senken, um die Migration dieser Anwendungen zu batteriebetriebenen Systemen zu unterstützen. Mit einem hochintegrierten Transceiver von Analog Devices können SDR-Lösungen implementiert werden, die diesen Anforderungen besser gerecht werden.