Utilizzo di un transceiver RF agile in un sistema di comunicazione SDR adattivo per il settore aerospaziale e della difesa

I progettisti di sistemi aerospaziali e di difesa (ADEF) devono far fronte a una domanda incessante di sistemi di comunicazione a basso consumo e più compatti, in grado di rispondere agilmente a un ambiente di segnali dinamico. Superando le architetture radio tradizionali, la tecnologia radio definita dal software (SDR) può contribuire a soddisfare i requisiti in rapida evoluzione delle radio ADEF, ma l'implementazione della SDR ha posto diverse sfide per soddisfare sia i requisiti funzionali sia la necessità di ridurre dimensioni, peso e potenza (SWaP).

Questo articolo descrive una soluzione SDR più efficace di Analog Devices che può semplificare la progettazione di sistemi di comunicazione agili, compatti e a basso consumo senza compromettere le prestazioni.

Le sfide emergenti portano a requisiti più esigenti

I progettisti devono far fronte alla richiesta di comunicazioni più efficaci in un numero crescente di applicazioni industriali e mission-critical, tra cui le comunicazioni radio sicure, i radar adattivi, la guerra elettronica e la navigazione GPS avanzata. Queste nuove sfide richiedono un funzionamento a banda larga potenziato, una gamma dinamica più elevata, una maggiore agilità di frequenza e la riconfigurabilità. Tuttavia, questi requisiti funzionali più esigenti possono entrare in conflitto con l'esigenza di un minore SWaP via via che i sistemi di comunicazione si spostano su piattaforme più piccole alimentate a batteria, compresi gli aeromobili a pilotaggio remoto (APR) e le unità portatili.

Le soluzioni di progettazione basate sulle tradizionali architetture radio a supereterodina discreta offrono prestazioni elevate, un'ampia gamma dinamica e un rumore spurio minimo. Per i progettisti, la sfida di isolare il segnale desiderato dalla frequenza intermedia (IF), al centro di questo approccio, si traduce tipicamente in progetti complessi con un elevato SWaP e bassa o inesistente riconfigurabilità (Figura 1).

Figura 1: Le architetture radio tradizionali a supereterodina possono soddisfare gli obiettivi di prestazione, ma la loro complessità impedisce loro di soddisfare gli obiettivi emergenti di SWaP minimo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per contro, le architetture a conversione diretta (zero-IF) riducono sia i requisiti di filtraggio sia la necessità di convertitori analogico/digitali (ADC) a larghezza di banda molto elevata, dando vita a un progetto più semplice implementabile su un singolo chip (Figura 2).

Figura 2: Le architetture radio zero-IF possono soddisfare l'esigenza di prestazioni più elevate e di un minore SWaP, ma l'isolamento del segnale è impegnativo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nonostante gli evidenti vantaggi, l'architettura a conversione diretta presenta problemi di implementazione che ne hanno limitato l'adozione su larga scala. In questa architettura, il segnale viene convertito in una portante a radiofrequenza (RF) alla frequenza dell'oscillatore locale (LO), ma gli errori di offset in corrente continua (c.c.) e la dispersione LO possono causare errori che si propagano attraverso la catena di segnali. Inoltre, le differenze nei percorsi del segnale, anche all'interno dello stesso chip, possono introdurre un disallineamento di guadagno o di fase del segnale in fase (I) e in quadratura (Q), con conseguente errore di quadratura che può compromettere l'isolamento del segnale.

La tecnologia SDR offre il potenziale per superare i limiti delle architetture radio tradizionali, ma poche soluzioni sono in grado di soddisfare i requisiti più ampi associati alle applicazioni ADEF. Utilizzando il transceiver RF ADRV9002 di Analog Devices, gli sviluppatori possono facilmente soddisfare le esigenze di maggiori prestazioni e funzionalità con il minore SWaP richiesto in queste applicazioni.

La funzionalità integrata garantisce prestazioni ottimizzate con SWaP ridotto

Con un campo di frequenza da 30 a 6.000 MHz, ADRV9002 è un transceiver altamente integrato con tutte le funzionalità RF, di segnale misto e digitali necessarie per supportare un'ampia gamma di requisiti applicativi. In grado di funzionare sia in duplex a divisione di tempo (TDD) che in duplex a divisione di frequenza (FDD), il dispositivo è dotato di sottosistemi separati ricevitore e trasmettitore a conversione diretta a due canali che includono filtri digitali programmabili, correzione dell'offset c.c. e correzione dell'errore in quadratura (QEC).

All'interno del sottosistema sintetizzatore su chip, ADRV9002 dispone di due percorsi PLL (circuito ad aggancio di fase) distinti: uno per il percorso RF ad alta frequenza e l'altro per i clock digitali e di campionamento del convertitore. Infine, il blocco di elaborazione di segnali digitali del dispositivo comprende un processore integrato ARM® M4 che gestisce le funzioni di autocalibrazione e controllo (Figura 3).

Figura 3: Il transceiver RF ADRV9002 integra due sottosistemi, uno di ricezione (RX) e uno di trasmissione (TX). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In grado di funzionare in modalità zero-IF o low-IF per applicazioni sensibili al rumore di fase, ADRV9002 presenta sottosistemi trasmettitore e ricevitore che offrono catene di segnali complete. Ogni sottosistema di trasmissione fornisce una coppia di convertitori digitale/analogico (DAC), filtri e mixer che ricombinano i segnali I e Q e li modulano sulla frequenza portante per la trasmissione.

Ogni sottosistema di ricezione integra una rete di ingresso resistiva per il controllo del guadagno che alimenta un mixer passivo in modalità di corrente. A sua volta, un amplificatore in transimpedenza converte l'uscita di corrente del mixer in un livello di tensione che viene digitalizzato da un ADC con un'elevata gamma dinamica. Durante gli slot disponibili del trasmettitore nel funzionamento TDD o nelle applicazioni FDD in cui viene utilizzato un solo sistema di ricezione, gli ingressi inutilizzati del ricevitore possono servire per monitorare i canali del trasmettitore per la dispersione LO e il QEC, oppure gli ingressi inutilizzati del ricevitore possono servire per monitorare i livelli del segnale di uscita dell'amplificatore di potenza (PA).

Quest'ultima capacità entra in gioco con la funzione di pre-distorsione digitale (DPD) integrata in ADRV9002, che utilizza i livelli del segnale PA monitorati per applicare la pre-distorsione appropriata necessaria a linearizzare l'uscita. Questa capacità consente ad ADRV9002 di pilotare il PA più vicino alla saturazione, ottimizzandone dunque l'efficienza.

Ottimizzazione di potenza e prestazioni

Il dispositivo ADRV9002 è una soluzione completamente integrata in un contenitore chip-scale (CSP) a 196 sfere (BGA), oltre a ridurre al minimo le dimensioni e il peso per i sistemi di comunicazione SDR ADEF. Per aiutare gli sviluppatori a ottimizzare ulteriormente il consumo energetico, ADRV9002 integra diverse funzioni progettate appositamente per trovare un equilibrio adeguato tra prestazioni e potenza.

A livello di blocco, gli sviluppatori possono implementare la scalatura della potenza sui singoli blocchi del percorso del segnale per scambiare prestazioni ridotte con un minor consumo energetico. Inoltre, i blocchi nei frame di ricezione (RX) e trasmissione (TX) TDD possono essere disabilitati per sacrificare i tempi di rotazione RX/TX o TX/RX a favore di un minor consumo energetico. Per favorire ulteriormente la possibilità di ottimizzare la potenza rispetto alle prestazioni, ogni sottosistema di ricezione ADRV9002 include due coppie di ADC. Una coppia comprende ADC sigma-delta ad alte prestazioni, mentre la seconda può subentrare quando il consumo energetico è critico.

Per le applicazioni caratterizzate da periodi di inattività, è possibile utilizzare la modalità di monitoraggio RX di ADRV9002. In questa modalità, ADRV9002 alterna uno stato di sospensione a potenza minima e uno stato di rilevamento a un ciclo di lavoro programmato. Nello stato di rilevamento, il dispositivo attiva un ricevitore e cerca di acquisire un segnale su una larghezza di banda e una frequenza LO RX programmate dallo sviluppatore. Se il dispositivo misura un livello di potenza del segnale superiore alla soglia programmata, esce dalla modalità di monitoraggio e i blocchi di ADRV9002 vengono alimentati per gestire il segnale desiderato.

Prototipazione rapida e sviluppo

Per aiutare i progettisti a passare rapidamente alla valutazione, alla prototipazione e allo sviluppo, Analog Devices fornisce un ampio supporto hardware e software per i sistemi basati su ADRV9002.

Per il supporto hardware, Analog Devices offre una coppia di schede basate su ADRV9002:

• ADRV9002NP/W1/PCBZ per applicazioni a banda bassa che operano nell'intervallo da 30 MHz a 3 GHz
• ADRV9002NP/W2/PCBZ per applicazioni in banda alta nell'intervallo da 3 a 6 GHz

Dotate di connettori FMC, queste schede supportano ADRV9002 integrato con la regolazione dell'alimentazione e le interfacce hardware, nonché la distribuzione del clock e della sincronizzazione multichip (MCS). Le schede si collegano tramite il connettore FMC a una scheda madre FPGA, come la scheda di valutazione ZCU102 di AMD, per l'alimentazione e il controllo delle applicazioni.

Analog Devices fornisce uno schema completo e una distinta base per le schede radio ADRV9002NP nel pacchetto di supporto. Lo schema e la distinta base sono un punto di partenza efficace per lo sviluppo di hardware personalizzato per la maggior parte delle applicazioni. Alcune applicazioni richiedono l'aggiunta di un front-end RF per soddisfare specifici requisiti di condizionamento del segnale. Per queste applicazioni, gli sviluppatori hanno bisogno solo di alcuni componenti aggiuntivi per completare un progetto (Figura 4).

Figura 4: Il transceiver ADRV9002 altamente integrato consente agli sviluppatori di implementare rapidamente progetti specializzati. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In questo esempio, gli sviluppatori possono implementare rapidamente un front-end RF adatto utilizzando i seguenti componenti di gestione dell'alimentazione di Analog Devices:

• Interruttore RF ADRF5160
• Amplificatore a basso rumore (LNA) HMC8411
• Filtro passa-banda a sintonizzazione digitale ADMV8526
• Attenuatore a passo digitale (DSA) RF HMC1119
• Amplificatore di pilotaggio HMC8413
• PA HMC8205B

Analog Devices fornisce tutto il supporto necessario per lo sviluppo software attraverso documentazione e pacchetti software scaricabili. Gli sviluppatori che utilizzano l'hardware di sviluppo sopra menzionato possono procedere con la prototipazione e lo sviluppo basandosi sul software della linea di prodotti di Analog Devices o su pacchetti software open-source.

Questo articolo limita la trattazione alla linea di prodotti software. Per ulteriori informazioni sulla metodologia di sviluppo open-source, consultare il Manuale dell'utente della piattaforma di prototipazione ADRV9001/2 di Analog Devices.Analog Devices precisa che il termine "ADRV9001" nella documentazione di supporto è un designatore di famiglia comprendente ADRV9002 e altri membri della famiglia ADRV9001. Di conseguenza, i riferimenti ad ADRV9001 nel testo o nelle figure che seguono si riferiscono al dispositivo ADRV9002, oggetto del presente articolo.

Disponibile attraverso la distribuzione del kit di sviluppo software (SDK) della linea di prodotti di Analog Devices, lo strumento Transceiver Evaluation Software (TES) basato su Windows è un punto di partenza utile per configurare e valutare rapidamente le prestazioni del transceiver.

Durante la valutazione e la prototipazione con le schede basate su ADRV9002 di Analog Devices e la scheda di valutazione ZCU102 di AMD, TES fornisce un'interfaccia grafica utente (GUI) per la configurazione hardware e l'osservazione dei dati acquisiti (Figura 5).

Figura 5: Lo strumento TES del pacchetto SDK consente agli sviluppatori di iniziare rapidamente a valutare il transceiver ADRV9002 sulla piattaforma di valutazione supportata. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

A sua volta, lo strumento TES genera automaticamente il codice C# che può essere compilato in ambiente Linux, MATLAB o Python. L'SDK fornisce una serie completa di librerie software e interfacce di programmazione di applicazioni (API), compreso il pacchetto API ADRV9001 sviluppato per la piattaforma ZCU102 di AMD.

Il flusso SDK supporta anche la migrazione diretta dalla valutazione e dalla prototipazione con la scheda di valutazione all'ambiente finale personalizzato dello sviluppatore (Figura 6).

Figura 6: L'architettura dell'SDK consente agli sviluppatori di estendere facilmente i risultati della valutazione alla propria piattaforma finale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In questo flusso di migrazione, lo sviluppatore lascia che il TES generi automaticamente il codice come prima. Tuttavia, invece di usarlo direttamente, lo sviluppatore distribuisce una versione modificata del codice generato sulla piattaforma finale. In pratica, le modifiche richieste si limitano principalmente alla rimozione delle chiamate di funzione che fanno riferimento a componenti hardware riconosciuti dallo strumento TES ma non necessari nel sistema finale. L'architettura dell'SDK include un'interfaccia HAL (Hardware Abstraction Layer) tra la libreria ADRV9001 e l'hardware dello sviluppatore, il quale deve quindi fornire solo codice personalizzato che implementi il codice dell'interfaccia HAL per il suo hardware specifico. Di conseguenza, lo sviluppatore può passare rapidamente dalla valutazione con le schede di Analog Devices e la scheda AMD allo sviluppo per il suo ambiente finale personalizzato.

Conclusione

Le applicazioni ADEF devono affrontare sfide crescenti in un ambiente di segnali sempre più complesso. Oltre a soddisfare la necessità di prestazioni superiori su un campo più ampio di frequenze, gli sviluppatori devono ridurre i requisiti di SWaP per supportare la migrazione di queste applicazioni verso sistemi alimentati a batteria. Utilizzando un transceiver altamente integrato di Analog Devices, gli sviluppatori possono implementare soluzioni SDR per soddisfare in modo più efficace questi requisiti.