Gyors reagálású rádió adó-vevő IC-k a repülés, az űrhajózás és a haditechnika alkalmazkodó szoftveres rádiókat használó kommunikációs rendszereihez

A repülőgépes, űrhajózási és haditechnikai (ADEF, aerospace and defense) rendszerek tervezői folyamatosan kénytelenek szembesülni a dinamikus jelkörnyezetre gyorsan reagálni képes, minél kisebb teljesítményű és méretű kommunikációs rendszerek iránti engesztelhetetlen igényekkel. A hagyományos felépítésű rádiós rendszereken túllépő, szoftveres rádiók (SDR, software-defined radio) jelentette technika segíthet teljesíteni a repülőgépes, űrhajózási és haditechnikai rendszerekben használt rádiókkal szemben támasztott, gyorsan változó követelményeket, de a szoftveres rádiók megvalósítása több kihívást is jelent mind a funkciókra vonatkozó követelmények, mind a méret, a tömeg és a fogyasztás (SWaP, size, weight, and power) csökkentése iránti igények terén.

Ez a cikk az Analog Devices egyik jobb hatásfokú szoftveres rádióját ismerteti, amely a teljesítmény csökkenése nélkül egyszerűsítheti a kis fogyasztású, kis méretű és gyors reagálású kommunikációs rendszerek tervezését.

Az új kihívások egyre szigorúbb követelményeket támasztanak

A tervezőknek egyre több ipari és kritikus fontosságú felhasználási területen van szükségük hatékonyabb kommunikációra, beleértve a biztonságos rádiókommunikációt, az alkalmazkodó (idegen szóval adaptív) radart, az elektronikus hadviselést és a továbbfejlesztett GPS-navigációt. Ezek az új kihívások serkentik a széles sávú működés, a nagyobb dinamikatartomány, a gyorsabb frekvenciaváltási képesség és a módosítható beállítások iránti igényt. Ezek a funkciókra vonatkozó egyre szigorúbb követelmények azonban ütközhetnek a kisebb méret, tömeg és fogyasztás iránti igényekkel, mivel a kommunikációs rendszerek kisebb, akkumulátoros áramellátású platformokra, többek között pilóta nélküli légi járművekbe (UAS, unmanned aerial vehicle) és hordozható egységekbe kerülnek.

A hagyományos, különálló (diszkrét) alkatrészekből épített szuperheterodin rádiórendszereken alapuló készülékek nagy teljesítményt, nagy dinamikatartományt és minimális zavaró zajt kínálnak. A tervezők számára az ennek a megoldásnak a leglényegesebb elemét jelentő feladat, a kívánt jelnek a középfrekvenciától (IF, intermediate frequency) való elkülönítése jellemzően nagy méretű, tömegű és fogyasztású (nagy SWaP értékű) és kevés vagy semmilyen beállíthatóságot sem nyújtó bonyolult készülékeket eredményez (1. ábra).

1. ábra: A hagyományos szuperheterodin rádiók megfelelnek a teljesítménnyel kapcsolatos célkitűzéseknek, de bonyolultságuk miatt nem tudnak megfelelni a minél kisebb méretre, tömegre és fogyasztásra vonatkozó, újonnan megjelenő igényeknek (ábra: Analog Devices)

Ezzel szemben a közvetlen átalakítású (nulla középfrekvenciájú) felépítés csökkenti mind a szűrési követelményeket, mind a nagyon nagy sávszélességű analóg–digitális átalakítók (ADC, analog-to-digital converter) szükségességét, ami egyszerűbb, egyetlen lapkán megvalósítható kialakítást eredményez (2. ábra).

2. ábra: A nulla középfrekvenciájú rádiók megfelelnek a nagyobb teljesítmény és a kisebb méret, tömeg és fogyasztás iránti igénynek, de a jelek szétválasztása komoly feladatot jelent (ábra: Analog Devices)

Nyilvánvaló előnyei ellenére a közvetlen átalakítású felépítésnek is megvannak a maga megvalósítással kapcsolatos kihívásai, amelyek korlátozzák a széles körű elterjedését. Ebben a kialakításban a jelet a helyi oszcillátor (LO, local oscillator) frekvenciájával egyező rádiófrekvenciás (RF) vivőjellé alakítják, de az egyenáramú (DC) eltolási hibák és a helyi oszcillátor szivárgása hibák terjedését eredményezhetik a teljes jelláncban. Emellett a jelútvonalak közti különbségek – még ugyanazon a lapkán belül is – az azonos fázisú (I, in-phase) és a negyedhullám (90°) eltérésű (Q, quadrature) jel eltérő erősítését vagy fáziseltérését eredményezhetik, ami kvadratúrahibát okozhat, az pedig ronthatja a jelek elkülönítését.

A szoftveres rádiók lehetőséget kínálnak a hagyományos felépítésű rádiók korlátainak leküzdésére, de kevés megoldás képes a repülőgépes, űrhajózási és haditechnikai rendszerek felhasználási területei által igényelt szélesebb körű követelmények kielégítésére. Az Analog Devices ADRV9002 rádió adó-vevő IC-jével a fejlesztők könnyen kielégíthetik a nagyobb teljesítmény és a több funkció iránti igényt az ilyen felhasználási területeken megkövetelt kisebb méret, tömeg és fogyasztás mellett.

A beépített funkciók optimalizált teljesítményt kínálnak kisebb méret, tömeg és fogyasztás mellett

A 30 MHz és 6000 MHz közötti frekvenciatartományban használható ADRV9002 egy nagy integráltsági fokú adó-vevő IC (integrált áramkör), amely tartalmazza az összes olyan rádiófrekvenciás, kevert jelű és digitális funkciót, amelyekre a felhasználási területek széles köre által támasztott követelmények kielégítéséhez szükség van. Az időosztásos duplex (TDD, time division duplex) és frekvenciaosztásos duplex (FDD, frequency division duplex) működésre egyaránt alkalmas eszköznek két elkülönített kétcsatornás közvetlen átalakítású vevő és adó alrendszere van, amelyek programozható digitális szűrőket, egyenáramúeltolás-helyesbítést és kvadratúrahiba-javítást (QEC, quadrature error correction) tartalmaznak.

Az egylapkás szintézeres alrendszeren belül az ADRV9002 adó-vevő IC-ben két különálló fáziszárt hurkú (PLL) útvonal található: az egyik a nagyfrekvenciás (rádiófrekvenciás) útvonalhoz, a másik pedig a digitális órajelekhez és az átalakító mintavételi órajeleihez. Végül az adó-vevő IC digitális jelfeldolgozó blokkja egy beágyazott ARM® M4 processzort tartalmaz, amely az önkalibrációs és vezérlési funkciókat kezeli (3. ábra).

3. ábra: Az ADRV9002 rádió adó-vevő IC két beépített vevő (RX) és adó (TX) alrendszert tartalmaz (ábra: Analog Devices)

Az ADRV9002 IC-nek két teljes jelláncú adó és vevő alrendszere van, amelyek képesek nulla középfrekvenciájú üzemmódban vagy a fáziszajérzékeny berendezésekben kis középfrekvenciájú üzemmódban működni. Minden adó alrendszerben van egy pár digitális–analóg átalakító (DAC, digital-to-analog converter), valamint szűrők és keverők, amelyek az azonos fázisú (I) és a negyedhullám eltérésű (Q) jelet újra egyesítik, és adáshoz a vivőfrekvenciára modulálják.

Minden vevő alrendszer tartalmaz egy ellenállásos bemeneti hálózatot az erősítésszabályozáshoz, és ez a hálózat egy áramkapcsoló üzemmódú passzív keverőt táplál. Ezt követően egy áram–feszültség átalakító (transimpedance amplifier) a keverő kimenőáramát feszültséggé alakítja, amelyet egy nagy dinamikatartományú analóg–digitális átalakító digitalizál. TDD (időosztásos duplex) üzemmódban a szabad adásidőrések vagy az olyan frekvenciaosztásos duplex (FDD) üzemmódú berendezésekben, amelyekben csak egy vevőrendszer van, a nem használt vevőbemenetek használhatók az adócsatornák helyioszcillátor-szivárgásának és kvadratúrahiba-javításának ellenőrzésére vagy a teljesítményerősítő (PA) kimeneti jelszintjeinek ellenőrzésére.

Ez utóbbi képesség az ADRV9002 beépített digitális előtorzítás (DPD, digital pre-distortion) funkciójában jelenik meg, amely a figyelt teljesítményerősítő-jelszinteket használja fel arra, hogy a kimenőjel linearizálásához szükséges megfelelő előtorzítást alkalmazza. Ez a képesség lehetővé teszi, hogy az ADRV9002 a telítettséghez közelebbi szintig hajtsa meg a teljesítményerősítőt, optimalizálva annak hatásfokát.

A fogyasztás és a teljesítmény beállítása

Az ADRV9002 teljesen integrált áramkörös megoldást kínál egy 196 gömblábas CSP (chip scale package, lapkaméretű tokozású) BGA (ball grid array, gömblábas rácselrendezésű) tokban, valamint segít minimálisra csökkenteni a szoftveres rádiókat használó repülőgépes, űrhajózási és haditechnikai kommunikációs rendszerek méretét és tömegét. Hogy segítse a fejlesztőket a fogyasztás további optimalizálásában, az ADRV9002 több olyan funkciót is tartalmaz, amelyek kifejezetten arra szolgálnak, hogy a fejlesztők megtalálják a megfelelő egyensúlyt a teljesítmény és a fogyasztás között.

A blokkok szintjén a fejlesztők beállíthatják az egyes jelútvonalblokkok fogyasztását, hogy a kisebb teljesítményért cserébe kisebb fogyasztást érjenek el. Ezenkívül időosztásos duplex üzemmódban a vételi (RX) és adás- (TX) keretek blokkjai letilthatók, hogy a rövid RX/TX- vagy TX/RX-válaszadási időt feláldozzák a kisebb fogyasztás érdekében. Hogy a fejlesztők még jobban tudják optimalizálni a fogyasztást a teljesítményhez képest, az ADRV9002 mindkét vevő alrendszere két pár analóg–digitális átalakítót tartalmaz. Az egyik pár nagy teljesítményű szigma-delta analóg–digitális átalakítókból áll, a másik pár pedig akkor léphet a helyükbe, ha lényeges a kis fogyasztás.

Azokban a készülékekben, amelyek jellemzően hosszabb ideig nem működnek aktívan, használható az ADRV9002 vételfigyelési üzemmódja. Ebben az üzemmódban az ADRV9002 a beprogramozott munkaciklusonként vált a minimális fogyasztású alvó állapot és a jelészlelő állapot között. Jelészlelő állapotban az ADRV9002 bekapcsolja a vevőt, és megpróbál jelet venni a fejlesztő által programozott sávszélességen és vételi helyioszcillátor-frekvencián (RX LO frekvencia). Ha az ADRV9002 a programozott küszöbérték feletti jelteljesítményszintet érzékel, kilép a figyelési üzemmódból, és működésbe lépnek a blokkjai, hogy kezeljék a kívánt jelet.

Gyors prototípus-készítés és fejlesztés

Hogy a mérnökök gyorsan megkezdhessék a kiértékelést, a prototípus-készítést és a fejlesztést, az Analog Devices széleskörű hardver- és szoftvertámogatást nyújt az ADRV9002-alapú rendszerekhez.

Hardveres támogatásként az Analog Devices két ADRV9002-alapú kártyát kínál:

• Az ADRV9002NP/W1/PCBZ a 30 MHz és 3 GHz közötti tartományban működő keskeny sávú rádiókhoz való.
• Az ADRV9002NP/W2/PCBZ széles sávú rádiókhoz használható a 3–6 GHz-es tartományban.

Ezek az FMC csatlakozókkal ellátott kártyák fogyasztásszabályozással és hardveres csatolókkal, valamint órajellel és a több lapka szinkronizálásának (MCS, multichip synchronization) elosztásával segítik a kártyára szerelt ADRV9002 adó-vevő IC-t. A kártyák az áramellátás és az alkalmazásvezérlés érdekében az FMC csatlakozójukon keresztül csatlakoznak valamilyen FPGA-kártyához, amilyen például az AMD ZCU102 fejlesztőkártyája.

Az Analog Devices az ADRV9002NP rádiókártyákhoz teljes kapcsolási rajzot és alkatrészjegyzéket (BOM, bill of materials) is mellékel a támogatócsomagban. A kapcsolási rajz és az alkatrészjegyzék a legtöbb felhasználási területen hatékony kiindulópontot ad az egyedi hardverfejlesztéshez. Egyes készülékekben az egyedi jelformálási követelmények teljesítéséhez egy további rádiófrekvenciás bemeneti fokozatra van szükség. A fejlesztőknek ezeknél a készülékeknél is csak néhány további külső alkatrészre van szükségük a tervezés befejezéséhez (4. ábra).

4. ábra: A nagy integráltsági fokú ADRV9002 adó-vevő IC lehetővé teszi a fejlesztők számára egyedi rádiókészülékek gyors kifejlesztését (ábra: Analog Devices)

Ebben a példában a fejlesztő gyorsan alakíthat ki egy megfelelő rádiófrekvenciás bemeneti fokozatot az Analog Devices következő áramellátás-kezelő alkatrészeit használva:

• ADRF5160 rádiófrekvenciás kapcsoló IC
• HMC8411 kis zajú erősítő (LNA, low noise amplifier)
• ADMV8526 digitálisan hangolható sávszűrő
• HMC1119 rádiófrekvenciás digitális léptetésű jelosztó (DSA, digital step attenuator)
• HMC8413 kis zajú előerősítő
• HMC8205B teljesítményerősítő

Az Analog Devices kiterjedt szoftverfejlesztési támogatást is kínál a termék mellé, dokumentációval és letölthető szoftvercsomagokkal. A fent említett fejlesztői hardvert használó fejlesztők az Analog Devices termékcsalád szoftverén vagy nyílt forráskódú szoftvercsomagokon alapuló prototípus-készítést és fejlesztést végezhetnek.

Ez a cikk a következőkben a termékcsalád szoftverére korlátozódik. A nyílt forráskódú fejlesztési módszerekkel kapcsolatos további tudnivalókért lásd az Analog Devices cég ADRV9001/2 Prototyping Platform User Guide (Az ADRV9001/2 prototípus-készítő platformjának használati utasítása) című útmutatóját.Az Analog Devices leszögezi, hogy a vállalat támogató dokumentációjában az ADRV9001 megnevezés az ADRV9002 rádió adó-vevő IC-t és az ADRV9001 termékcsalád más tagjait is magában foglaló termékcsalád-megnevezésként értendő. Következésképpen az alábbi szövegben és ábrákon az ADRV9001 megnevezés az ADRV9002 IC-re vonatkozik, amelyről ez a cikk szól.

A vállalatnak az Analog Devices termékcsaládhoz tartozó szoftverfejlesztő készlet (SDK, software development kit) részeként terjesztett Windows-alapú Transceiver Evaluation Software (TES, adó-vevő-kiértékelő szoftver) eszköze hozzáférhető kiindulópontot kínál az adó-vevő teljesítményének gyors beállításához és értékeléséhez.

Az Analog Devices ADRV9002 adó-vevő IC-n alapú kártyákkal és az AMD ZCU102 fejlesztőkártyával végzett értékelés és prototípus-készítés során a TES adó-vevő-kiértékelő szoftver grafikus felhasználói felületet (GUI) kínál a hardver beállításához és a mért adatok figyeléséhez (5. ábra).

5. ábra: A szoftverfejlesztő készlet részét képező TES adó-vevő-kiértékelő szoftverrel a fejlesztők gyorsan megkezdhetik a támogatott fejlesztőkártyákra szerelt ADRV9002 adó-vevő IC kiértékelését (ábra: Analog Devices)

A TES adó-vevő-kiértékelő szoftver cserébe automatikusan állít elő C#-kódot, amely lefordítható Linux környezetbe, MATLAB környezetbe vagy Python programnyelvre. Az SDK szoftverkönyvtárak és alkalmazásprogramozási felületek (API, application programming interface) teljes készletét tartalmazza, beleértve az AMD ZCU102 platformhoz kifejlesztett ADRV9001 API-csomagot is.

Az SDK kialakítása emellett közvetlenül támogatja a kiértékelésről és a fejlesztőkártyával végzett prototípus-készítésről a fejlesztő saját egyéni célkörnyezetére való áttérést (6. ábra).

6. ábra: Az SDK kialakítása lehetővé teszi a fejlesztők számára, hogy az értékelés eredményeit könnyen kiterjesszék a saját célplatformjukra (ábra: Analog Devices)

Ebben az áttérési folyamatban a fejlesztőnek hagynia kell, hogy a TES adó-vevő-kiértékelő szoftver automatikusan állítsa elő a kódot, ahogy korábban is. Ahelyett azonban, hogy változatlan formában használná, a fejlesztő a TES által előállított kód egy szerkesztett változatát telepíti a célplatformra. A gyakorlatban a szükséges módosítások főként a TES által felismert, de a célrendszerben nem szükséges hardverösszetevőkkel kapcsolatos függvényhívások eltávolítására korlátozódnak. Az SDK-architektúra az ADRV9001 könyvtár és a fejlesztő hardvere közötti illesztőfelületként tartalmaz egy hardverabsztrakciós réteget (HAL, hardware abstraction layer), így a fejlesztőknek csak egy olyan egyedi kódot kell megalkotniuk, amely az adott hardverhez illeszti a hardverabsztrakciósréteg-illesztőfelület kódját. Ennek eredményeképpen a fejlesztők az Analog Devices kártyáival és az AMD fejlesztőkártyájával végzett kiértékelésről gyorsan áttérhetnek a saját egyéni célkörnyezetükbe történő fejlesztésére.

Összegzés

A repülőgépes, űrhajózási és haditechnikai rendszerekben használt készülékeknek egyre komolyabb kihívásokkal kell szembenézniük az egyre összetettebb jelkörnyezetben. A szélesebb frekvenciatartományban elvárt nagyobb teljesítmény iránti igény kielégítése mellett a fejlesztőknek kisebb méretre, tömegre és fogyasztásra van szükségük, hogy ezen készülékek esetében elősegítsék az akkumulátoros áramellátásra való áttérést. Az Analog Devices nagy integráltsági fokú adó-vevő IC-jének használatával a fejlesztők olyan szoftveres rádiókat hozhatnak létre, amelyek jobb hatásfokkal teljesítik ezeket a követelményeket.