斯蒂芬·埃萬(wàn)丘克

　　航空航天和國(guó)防 (ADEF) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著對(duì)更低功耗、更緊湊的通信系統(tǒng)的不懈需求，這些系統(tǒng)能夠?qū)?dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境做出敏捷響應(yīng)。超越傳統(tǒng)的無(wú)線電架構(gòu)，軟件定義無(wú)線電 (SDR) 技術(shù)可以幫助滿足 ADEF 無(wú)線電快速變化的要求，但 SDR 的實(shí)施給滿足功能要求以及減小尺寸、重量和功耗的需求帶來(lái)了多重挑戰(zhàn)(交換)。

　　本文介紹了Analog Devices的一種更有效的 SDR 解決方案，該解決方案可以簡(jiǎn)化低功耗、緊湊且靈活的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而不會(huì)影響性能。

　　新的挑戰(zhàn)帶來(lái)更苛刻的要求

　　設(shè)計(jì)人員在越來(lái)越多的工業(yè)和關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中面臨著對(duì)更有效通信的需求，包括安全無(wú)線電通信、自適應(yīng)雷達(dá)、電子戰(zhàn)和增強(qiáng)型 GPS 導(dǎo)航。這些新挑戰(zhàn)推動(dòng)了對(duì)增強(qiáng)寬帶操作、更高動(dòng)態(tài)范圍、更大頻率捷變性和可重構(gòu)性的需求。然而，隨著通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更小的電池供電平臺(tái)(包括無(wú)人機(jī)(UAS)和便攜式設(shè)備)，這些更苛刻的功能要求可能與較低 SWaP 的需求相沖突。

　　基于傳統(tǒng)離散超外差無(wú)線電架構(gòu)的設(shè)計(jì)解決方案提供高性能、寬動(dòng)態(tài)范圍和最小的雜散噪聲。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這種方法的核心是將所需信號(hào)與中頻 (IF) 隔離的挑戰(zhàn)通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)復(fù)雜、SWaP 高且可重構(gòu)性極低甚至沒(méi)有(圖 1)。

　　圖 1：傳統(tǒng)的超外差無(wú)線電架構(gòu)可以滿足性能目標(biāo)，但其復(fù)雜性使其無(wú)法滿足新興的最小 SWaP 目標(biāo)。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　相比之下，直接轉(zhuǎn)換(零中頻)架構(gòu)降低了濾波要求以及對(duì)極高帶寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的需求，從而實(shí)現(xiàn)了可以在單芯片上實(shí)現(xiàn)的更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)(圖 2) )。

　　圖 2：零中頻無(wú)線電架構(gòu)可以滿足更高性能和更低 SWaP 的需求，但信號(hào)隔離具有挑戰(zhàn)性。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　盡管直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但其自身的實(shí)施挑戰(zhàn)限制了其廣泛采用。在此架構(gòu)中，信號(hào)被轉(zhuǎn)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 泄漏可能導(dǎo)致誤差通過(guò)信號(hào)鏈傳播。此外，即使在同一芯片內(nèi)，信號(hào)路徑的差異也會(huì)導(dǎo)致同相 (I) 和正交 (Q) 信號(hào)的增益或相位失配，從而導(dǎo)致正交誤差，進(jìn)而影響信號(hào)隔離。

　　SDR 技術(shù)具有克服傳統(tǒng)無(wú)線電架構(gòu)限制的潛力，但很少有解決方案能夠滿足與 ADEF 應(yīng)用相關(guān)的更廣泛要求。使用 Analog Devices 的ADRV9002 RF 收發(fā)器，開發(fā)人員可以輕松滿足這些應(yīng)用中對(duì)更高性能和功能的需求，并降低 SWaP 的要求。

　　集成功能可提供優(yōu)化的性能并減少 SWaP

　　ADRV9002 支持 30 兆赫 (MHz) 至 6,000 MHz 的頻率范圍，是一款高度集成的收發(fā)器，包含支持各種應(yīng)用要求所需的所有射頻、混合信號(hào)和數(shù)字功能。該器件能夠進(jìn)行時(shí)分雙工 (TDD) 和頻分雙工 (FDD) 操作，具有獨(dú)立的雙通道直接轉(zhuǎn)換接收器和發(fā)送器子系統(tǒng)，其中包括可編程數(shù)字濾波器、直流偏移校正和正交誤差校正 (QEC)。

　　在其片上合成器子系統(tǒng)中，ADRV9002 具有兩個(gè)不同的鎖相環(huán) (PLL) 路徑：一個(gè)用于高頻 RF 路徑，另一個(gè)用于數(shù)字時(shí)鐘和轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘。最后，該器件的數(shù)字信號(hào)處理模塊包括一個(gè)Arm? M4 嵌入式處理器，用于處理自校準(zhǔn)和控制功能(圖 3)。

　　圖 3：ADRV9002 RF 收發(fā)器集成了雙接收 (RX) 和發(fā)送 (TX) 子系統(tǒng)。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　ADRV9002 能夠在零中頻模式或低中頻模式下運(yùn)行，適用于相位噪聲敏感型應(yīng)用，其發(fā)射器和接收器子系統(tǒng)可提供完整的信號(hào)鏈。每個(gè)發(fā)射器子系統(tǒng)都提供一對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、濾波器和混頻器，用于重新組合 I 和 Q 信號(hào)并將其調(diào)制到載波頻率上進(jìn)行傳輸。

　　每個(gè)接收器子系統(tǒng)都集成了一個(gè)用于增益控制的電阻輸入網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為電流模式無(wú)源混頻器供電。反過(guò)來(lái)，跨阻放大器將混頻器的電流輸出轉(zhuǎn)換為由具有高動(dòng)態(tài)范圍的 ADC 數(shù)字化的電壓電平。在 TDD 操作或僅使用一個(gè)接收器系統(tǒng)的 FDD 應(yīng)用中的可用發(fā)送器時(shí)隙期間，未使用的接收器輸入可用于監(jiān)控發(fā)送器通道的 LO 泄漏和 QEC，或者未使用的接收器輸入可用于監(jiān)控功率放大器 (PA) 輸出信號(hào)電平。

　　后一種功能在 ADRV9002 的集成數(shù)字預(yù)失真 (DPD) 功能中發(fā)揮作用，該功能使用其監(jiān)控的 PA 信號(hào)電平來(lái)應(yīng)用線性化輸出所需的適當(dāng)預(yù)失真。此功能使 ADRV9002 能夠使 PA 接近飽和，從而優(yōu)化其效率。

　　調(diào)整功率和性能

　　ADRV9002 器件在 196 球芯片級(jí)封裝 (CSP) 球柵陣列 (BGA) 中提供完全集成的解決方案，并最大限度地減少 SDR ADEF 通信系統(tǒng)的尺寸和重量。為了幫助開發(fā)人員進(jìn)一步優(yōu)化功耗，ADRV9002集成了多種專門設(shè)計(jì)的功能，幫助開發(fā)人員在性能和功耗之間找到合適的平衡點(diǎn)。

　　在模塊級(jí)別，開發(fā)人員可以在各個(gè)信號(hào)路徑模塊上部署功率縮放，以降低性能來(lái)?yè)Q取更低的功耗。此外，可以禁用 TDD 接收 (RX) 和發(fā)送 (TX) 幀中的模塊，以犧牲 RX/TX 或 TX/RX 周轉(zhuǎn)時(shí)間來(lái)降低功耗。為了進(jìn)一步幫助開發(fā)人員優(yōu)化功耗與性能的能力，每個(gè) ADRV9002 接收器子系統(tǒng)都包含兩對(duì) ADC。一對(duì)包含高性能 Σ-Δ ADC，而第二對(duì)可以在功耗至關(guān)重要時(shí)進(jìn)行替代。

　　對(duì)于以周期性不活動(dòng)為特征的應(yīng)用，可以采用 ADRV9002 的 RX 監(jiān)控模式。在此模式下，ADRV9002 按編程的占空比在最小功耗睡眠狀態(tài)和檢測(cè)狀態(tài)之間交替。在檢測(cè)狀態(tài)下，設(shè)備激活接收器并嘗試在開發(fā)人員編程的帶寬和 RX LO 頻率上獲取信號(hào)。如果設(shè)備測(cè)量到的信號(hào)功率電平高于編程閾值，設(shè)備將退出監(jiān)控模式，并且 ADRV9002 的模塊將通電以處理所需的信號(hào)。

　　快速原型設(shè)計(jì)和開發(fā)

　　為了幫助工程師快速進(jìn)行評(píng)估、原型設(shè)計(jì)和開發(fā)，ADI 公司為基于 ADRV9002 的系統(tǒng)提供了廣泛的硬件和軟件支持。

　　對(duì)于硬件支持，Analog Devices 提供了一對(duì)基于 ADRV9002 的卡：

　　ADRV9002NP/W1/PCBZ適用于在 30 MHz 至 3 GHz 范圍內(nèi)運(yùn)行的低頻段應(yīng)用

　　ADRV9002NP/W2/PCBZ適用于 3 至 6 GHz 范圍內(nèi)的高頻段應(yīng)用

　　這些卡配備 FMC 連接器，支持板載 ADRV9002 的電源調(diào)節(jié)和硬件接口，以及時(shí)鐘和多芯片同步 (MCS) 分配。這些卡通過(guò) FMC 連接器連接到 FPGA 主板，例如用于電源和應(yīng)用控制的AMD ZCU102評(píng)估板。

　　Analog Devices 在其支持包中為其 ADRV9002NP 無(wú)線電卡提供了完整的原理圖和物料清單 (BOM)。原理圖和 BOM 為大多數(shù)應(yīng)用的定制硬件開發(fā)提供了有效的起點(diǎn)。某些應(yīng)用需要額外的射頻前端來(lái)滿足特定的信號(hào)調(diào)理要求。對(duì)于這些應(yīng)用程序，開發(fā)人員只需要一些額外的組件即可完成其設(shè)計(jì)(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(shí)施專門設(shè)計(jì)。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　在此示例中，開發(fā)人員可以使用 Analog Devices 的以下電源管理組件快速實(shí)現(xiàn)合適的 RF 前端：

　　ADRF5160射頻開關(guān)

　　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(jìn)衰減器 (DSA)

　　HMC8413驅(qū)動(dòng)放大器

　　HMC8205B功率放大器

　　Analog Devices 通過(guò)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ADI公司的產(chǎn)品線軟件或開源軟件包進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和開發(fā)。

　　本文將以下討論僅限于產(chǎn)品線軟件。有關(guān)開源開發(fā)方法的更多信息，請(qǐng)參閱 Analog Devices 的 ADRV9001/2 原型平臺(tái)用戶指南。 Analog Devices 規(guī)定，公司支持文檔中的術(shù)語(yǔ)“ADRV9001”是指涵蓋 ADRV9002 和 ADRV9001 系列其他成員的系列代號(hào)。因此，下面的文本或圖中對(duì) ADRV9001 的引用適用于本文重點(diǎn)討論的 ADRV9002 器件。

　　該公司基于 Windows 的收發(fā)器評(píng)估軟件(TES) 工具通過(guò) Analog Devices 的產(chǎn)品線軟件開發(fā)套件 (SDK) 分發(fā)提供，為快速配置和評(píng)估收發(fā)器性能提供了一個(gè)易于使用的起點(diǎn)。

　　在使用 Analog Devices 基于 ADRV9002 的卡和 AMD ZCU102 評(píng)估板進(jìn)行評(píng)估和原型設(shè)計(jì)期間，TES 工具提供了一個(gè)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：SDK 包中的 TES 工具可讓開發(fā)人員快速開始在支持的評(píng)估平臺(tái)上評(píng)估 ADRV9002 收發(fā)器。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　反過(guò)來(lái)，TES 工具會(huì)自動(dòng)生成可編譯到 Linux 環(huán)境、MATLAB 環(huán)境或 Python 的 C# 代碼。該SDK提供了一套完整的軟件庫(kù)和應(yīng)用程序編程接口(API)，包括為AMD ZCU102平臺(tái)開發(fā)的ADRV9001 API包。

　　SDK 流程還直接支持從評(píng)估板的評(píng)估和原型設(shè)計(jì)遷移到開發(fā)人員的自定義目標(biāo)環(huán)境(圖 6)。

　　圖 6：SDK 架構(gòu)允許開發(fā)人員輕松地將評(píng)估結(jié)果擴(kuò)展到自己的目標(biāo)平臺(tái)。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　在此遷移流程中，開發(fā)人員讓 TES 像以前一樣自動(dòng)生成代碼。但是，開發(fā)人員不是直接使用它，而是將生成的代碼的編輯版本部署到目標(biāo)平臺(tái)。實(shí)際上，所需的編輯主要限于刪除引用由 TES 工具識(shí)別但目標(biāo)系統(tǒng)中不需要的硬件組件的函數(shù)調(diào)用。 SDK 架構(gòu)包括 ADRV9001 庫(kù)和開發(fā)人員硬件之間的硬件抽象層 (HAL) 接口，因此開發(fā)人員只需提供為其特定硬件實(shí)現(xiàn) HAL 接口代碼的自定義代碼。因此，開發(fā)人員可以快速?gòu)氖褂?Analog Devices 卡和 AMD 板的評(píng)估轉(zhuǎn)向針對(duì)其自定義目標(biāo)環(huán)境的開發(fā)。

　　結(jié)論

　　ADEF 應(yīng)用在日益復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境中面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。除了滿足更廣泛頻率范圍內(nèi)更高性能的需求外，開發(fā)人員還需要降低 SWaP 以支持這些應(yīng)用程序遷移到電池供電系統(tǒng)。使用 Analog Devices 的高度集成收發(fā)器，開發(fā)人員可以實(shí)施 SDR 解決方案，以更有效地滿足這些要求。