在面向航空航天和國防應用的自適應 SDR 通信系統(tǒng)中使用敏捷射頻收發(fā)器

作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美編輯

航空航天和國防 (ADEF) 系統(tǒng)設計人員面臨著迫切的需求，要求通信系統(tǒng)不斷降低功耗并縮小體積，并能夠對動態(tài)信號環(huán)境做出敏捷響應。軟件無線電 (SDR) 技術超越了傳統(tǒng)無線電架構，可幫助滿足對 ADEF 無線電快速變化的需求，但 SDR 的實施也提出了諸多挑戰(zhàn)，包括滿足功能要求和滿足減小尺寸、重量和功耗 (SWaP) 的需求。

本文介紹了 [Analog Devices] 提供的一種更高效的 SDR 解決方案，其可以簡化低功耗、緊湊型敏捷通信系統(tǒng)的設計，同時又不影響性能。

新出現(xiàn)的挑戰(zhàn)帶來了更苛刻的要求

在越來越多的工業(yè)和任務關鍵型應用中，設計人員面臨著實現(xiàn)更高效通信的需求，這些應用包括安全無線電通信、自適應雷達、電子戰(zhàn)、增強型 GPS 導航。這些新挑戰(zhàn)催生了對增強寬帶運行、更高動態(tài)范圍、更優(yōu)頻率捷變、可重配置能力的需求。然而，隨著通信系統(tǒng)遷移到體積更小的電池供電平臺，包括無人機 (UAS) 和便攜式設備，這些更苛刻的功能要求可能會與減小 SWaP 的需求相沖突。

基于傳統(tǒng)分立式超外差無線電架構的設計解決方案具有高性能、寬動態(tài)范圍、小雜散噪聲的優(yōu)點。這種方法的核心是從中頻 (IF) 分離出所需信號，對于設計人員來說，這是一項挑戰(zhàn)，通常會導致設計復雜和高 SWaP，并且?guī)缀醪痪邆淇芍嘏渲媚芰Γ▓D 1）。

[]圖 1：傳統(tǒng)超外差無線電架構可以滿足性能目標，但由于其復雜性，該架構無法實現(xiàn)最小化 SWaP 的新興目標。（圖片來源：Analog Devices）

相比之下，直接變頻（零中頻）架構既降低了濾波要求，又減少了對高帶寬模數(shù)轉換器 (ADC) 的需求，從而簡化了設計，可在單芯片上實施（圖 2）。

圖 2：零中頻無線電架構可滿足對更高性能和更低 SWaP 的需求，但信號隔離是一項挑戰(zhàn)。（圖片來源：Analog Devices）

盡管直接變頻架構具有明顯的優(yōu)勢，但其自身的實施難題也限制了它的廣泛應用。在這種架構中，信號被轉換為本地振蕩器 (LO) 頻率的射頻 (RF) 載波，但直流 (DC) 偏移誤差和 LO 漏泄會導致誤差通過信號鏈傳播。此外，即便在同一芯片內(nèi)，信號路徑的差異也會導致同相 (I) 和正交 (Q) 信號出現(xiàn)增益或相位不匹配，從而產(chǎn)生正交誤差，影響信號隔離。

SDR 技術具有克服傳統(tǒng)無線電架構局限性的潛力，但很少有解決方案能夠滿足與 ADEF 應用相關的更廣泛要求。使用 Analog Devices 的 [ADRV9002]射頻收發(fā)器，開發(fā)人員可以輕松滿足這些應用對更高性能和功能的需求，同時減小 SWaP。

集成功能以更低 SWaP 的提供優(yōu)化的性能

支持從 30 MHz 到 6,000 MHz 的頻率范圍，ADRV9002 是一款高度集成的收發(fā)器，包含滿足各種應用需求所必需的所有射頻、混合信號和數(shù)字功能。該器件同時支持時分雙工 (TDD) 和頻分雙工 (FDD) 工作方式，具有單獨的雙通道直接變頻接收器和發(fā)射器子系統(tǒng)，包括可編程數(shù)字濾波器、直流偏移校正和正交誤差校正 (QEC)。

在片上合成器子系統(tǒng)中，ADRV9002 具有兩個不同的鎖相環(huán) (PLL) 路徑：一個用于高頻射頻路徑，另一個用于數(shù)字時鐘和轉換器采樣時鐘。最后，該器件的數(shù)字信號處理模塊包括一個 [Arm?]M4 嵌入式處理器，用于處理自校準和控制功能（圖 3）。

圖 3：ADRV9002 射頻收發(fā)器集成了雙接收 (RX) 和發(fā)射 (TX) 子系統(tǒng)。（圖片來源：Analog Devices）

ADRV9002 具有提供完整信號鏈的發(fā)射器和接收器子系統(tǒng)，可在零中頻模式或低中頻模式下工作，適用于對相位噪聲敏感的應用。每個發(fā)射器子系統(tǒng)都提供一對數(shù)模轉換器 (DAC)、濾波器和混頻器，用于重新組合 I 和 Q 信號，并將其調(diào)制到載波頻率，以便進行傳輸。

每個接收器子系統(tǒng)都集成了一個用于增益控制的電阻輸入網(wǎng)絡，為電流模式無源混頻器饋送信號。然后，一個跨阻放大器將混頻器的電流輸出轉換為電壓電平，并通過一個具有高動態(tài)范圍的 ADC 進行數(shù)字化。在 TDD 運行模式中或僅使用一個接收器系統(tǒng)的 FDD 應用中，發(fā)射器空閑時隙期間，未使用的接收器輸入可用于監(jiān)測發(fā)射器通道的 LO 漏泄和 QEC，或未使用的接收器輸入可用于監(jiān)測功率放大器 (PA) 輸出信號電平。

后一種功能可在 ADRV9002 的集成數(shù)字預失真 (DPD) 功能中發(fā)揮作用，該功能利用監(jiān)測的功率放大器信號電平來應用線性化輸出必需的適當預失真。該功能使 ADRV9002 能夠驅動功率放大器接近飽和，從而優(yōu)化其效率。

調(diào)節(jié)功率和性能

ADRV9002 器件在 196 球芯片級封裝 (CSP) 球柵陣列 (BGA) 中提供了完全集成的解決方案，并最大限度地減小了 SDR ADEF 通信系統(tǒng)的尺寸和重量。為了幫助開發(fā)人員進一步優(yōu)化功耗，ADRV9002 集成了多種功能，專門設計用于幫助開發(fā)人員在性能與功耗之間找到合適的平衡點。

在塊級別，開發(fā)人員可在單信號路徑塊上部署功率調(diào)整，以降低性能為代價，換取更低的功耗。此外，還可以禁用 TDD 接收 (RX) 和發(fā)射 (TX) 幀中的數(shù)據(jù)塊，犧牲 RX/TX 或 TX/RX 的周轉時間來降低功耗。為了進一步幫助開發(fā)人員優(yōu)化功耗與性能，每個 ADRV9002 接收器子系統(tǒng)都包括兩對 ADC。其中一對 ADC 由高性能 Sigma-Delta ADC 組成，而第二對 ADC 可在功耗較為關鍵時接手工作。

對于周期性不活動的應用，可以使用 ADRV9002 的 RX 監(jiān)測模式。在該模式下，ADRV9002 以編程設定的占空比，在最低功耗睡眠狀態(tài)與檢測狀態(tài)之間交替運行。在檢測狀態(tài)下，該器件會激活接收器，并嘗試在由開發(fā)人員編程的帶寬和 RX LO 頻率上獲取信號。如果該器件測量到的信號功率水平高于設定的閾值，則會退出監(jiān)測模式，ADRV9002 的模塊加電，以處理所需的信號。

快速原型設計和開發(fā)

為了幫助工程師快速進行評估、原型設計和開發(fā)，Analog Devices 為基于 ADRV9002 的系統(tǒng)提供了廣泛的硬件和軟件支持。

在硬件支持方面，Analog Devices 提供了一對基于 ADRV9002 的無線電卡：

• [ADRV9002NP/W1/PCBZ]，適用于工作頻率在 30 MHz 至 3 GHz 范圍內(nèi)的低頻帶應用
• [ADRV9002NP/W2/PCBZ]，適用于工作頻率在 3 至 6 GHz 范圍內(nèi)的高頻段應用

這些無線電卡配備 FMC 連接器，支持板載 ADRV9002，具有功率調(diào)節(jié)和硬件接口，以及時鐘和多芯片同步 (MCS) 分配功能。這些卡通過 FMC 連接器連接到 FPGA 主板，例如 [AMD ]評估板，以實現(xiàn)功率和應用控制。

Analog Devices 在支持包中提供了 ADRV9002NP 無線電卡的完整原理圖和物料清單 (BOM)。原理圖和物料清單為大多數(shù)應用的定制硬件開發(fā)提供了有效的著手點。某些應用需要額外的射頻前端，以滿足特定的信號調(diào)節(jié)要求。對于這些應用，開發(fā)人員只需增加幾個元器件，即可完成設計（圖 4）。

圖 4：高度集成的 ADRV9002 收發(fā)器使開發(fā)人員能夠快速實現(xiàn)專用設計。（圖片來源：Analog Devices）

在本示例中，開發(fā)人員可以使用 Analog Devices 的下列電源管理元器件，快速實現(xiàn)合適的射頻前端：

• [ADRF5160] 射頻開關
• [HMC8411]低噪聲放大器 (LNA)
• [ADMV8526]數(shù)字可調(diào)諧帶通濾波器
• [HMC1119] 射頻數(shù)字步進衰減器 (DSA)
• [HMC8413] 激勵放大器
• [HMC8205B]功率放大器

Analog Devices 通過文檔和可下載軟件包提供全面的軟件開發(fā)支持。使用上述開發(fā)硬件的開發(fā)人員可以基于 Analog Devices 的產(chǎn)品線軟件或開源軟件包來進行原型設計和開發(fā)。

本文下面將僅討論產(chǎn)品線軟件。有關開源開發(fā)方法的更多信息，請參閱 Analog Devices 的《ADRV9001/2 原型開發(fā)平臺用戶指南》(ADRV9001/2 Prototyping Platform User Guide)。Analog Devices 規(guī)定，公司支持文檔中的術語“ADRV9001”是一個系列代號，包括 ADRV9002 以及 ADRV9001 系列的其他成員。因此，下面的文本或圖表中提及的 ADRV9001 內(nèi)容適用于本文重點介紹的 ADRV9002 器件。

Analog Devices 基于 Windows 的[收發(fā)器評估軟件] (TES) 工具通過該公司的產(chǎn)品線軟件開發(fā)工具包 (SDK) 分發(fā)，為快速配置和評估收發(fā)器性能提供了一個便捷的起點。

在使用 Analog Devices 基于 ADRV9002 的無線電卡和 AMD 的 ZCU102 評估板進行評估和原型開發(fā)過程中，TES 工具提供了一個圖形用戶界面 (GUI)，用于配置硬件和觀察捕獲的數(shù)據(jù)（圖 5）。

圖 5：使用 SDK 工具包中的 TES 工具，開發(fā)人員能夠在支持的評估平臺上快速開始評估 ADRV9002 收發(fā)器。（圖片來源：Analog Devices）

然后，TES 工具會自動生成 C# 代碼，這些代碼可以編譯到 Linux 環(huán)境、MATLAB 環(huán)境或 Python 環(huán)境中。該 SDK 提供一整套軟件庫和應用程序編程接口 (API)，包括為 AMD ZCU102 平臺開發(fā)的 ADRV9001 API 軟件包。

SDK 流程還直接支持從評估板評估和原型開發(fā)遷移到開發(fā)人員的定制目標環(huán)境（圖 6）。

圖 6：SDK 架構允許開發(fā)人員輕松地將評估結果擴展到自己的目標平臺。（圖片來源：Analog Devices）

在此遷移流程中，開發(fā)人員像以前一樣讓 TES 自動生成代碼。但是，開發(fā)人員不是直接使用這些代碼，而是將所生成代碼的編輯后版本部署到目標平臺上。在實踐中，所需的編輯工作主要限于刪除引用 TES 工具所識別但目標系統(tǒng)中不需要的硬件組件的函數(shù)調(diào)用。該 SDK 架構包括 ADRV9001 庫與開發(fā)人員硬件之間的硬件抽象層 (HAL) 接口，這樣開發(fā)人員只需提供為特定硬件實現(xiàn) HAL 接口代碼的定制代碼。因此，開發(fā)人員可以快速從使用 Analog Devices 無線電卡和 AMD 板的評估轉向定制目標環(huán)境的開發(fā)。

總結

在日益復雜的信號環(huán)境中，航空航天和國防 (ADEF) 應用面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。除了提供更寬的頻率范圍，滿足對更高性能的需求之外，開發(fā)人員還必須減小 SWaP，以支持這些應用向電池供電系統(tǒng)的遷移。使用 Analog Devices 高度集成的收發(fā)器，開發(fā)人員可以實施 SDR 解決方案，更有效地滿足這些要求。