斯蒂芬·埃萬丘克

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

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

　　新的挑戰(zhàn)帶來更苛刻的要求

　　設(shè)計人員在越來越多的工業(yè)和關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中面臨著對更有效通信的需求，包括安全無線電通信、自適應(yīng)雷達(dá)、電子戰(zhàn)和增強型 GPS 導(dǎo)航。這些新挑戰(zhàn)推動了對增強寬帶操作、更高動態(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(包括無人機(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)離散超外差無線電架構(gòu)的設(shè)計解決方案提供高性能、寬動態(tài)范圍和最小的雜散噪聲。對于設(shè)計人員來說，這種方法的核心是將所需信號與中頻 (IF) 隔離的挑戰(zhàn)通常會導(dǎo)致設(shè)計復(fù)雜、SWaP 高且可重構(gòu)性極低甚至沒有(圖 1)。

　　圖 1：傳統(tǒng)的超外差無線電架構(gòu)可以滿足性能目標(biāo)，但其復(fù)雜性使其無法滿足新興的最小 SWaP 目標(biāo)。 (圖片來源：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極高帶寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的需求，從而實現(xiàn)了可以在單芯片上實現(xiàn)的更簡單的設(shè)計(圖 2) )。

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

　　盡管直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢，但其自身的實施挑戰(zhàn)限制了其廣泛采用。在此架構(gòu)中，信號被轉(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)致誤差通過信號鏈傳播。此外，即使在同一芯片內(nèi)，信號路徑的差異也會導(dǎo)致同相 (I) 和正交 (Q) 信號的增益或相位失配，從而導(dǎo)致正交誤差，進而影響信號隔離。

　　SDR 技術(shù)具有克服傳統(tǒng)無線電架構(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、混合信號和數(shù)字功能。該器件能夠進行時分雙工 (TDD) 和頻分雙工 (FDD) 操作，具有獨立的雙通道直接轉(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 具有兩個不同的鎖相環(huán) (PLL) 路徑：一個用于高頻 RF 路徑，另一個用于數(shù)字時鐘和轉(zhuǎn)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(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)。 (圖片來源：Analog Devices)

　　ADRV9002 能夠在零中頻模式或低中頻模式下運行，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)可提供完整的信號鏈。每個發(fā)射器子系統(tǒng)都提供一對數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、濾波器和混頻器，用于重新組合 I 和 Q 信號并將其調(diào)制到載波頻率上進行傳輸。

　　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(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為電流模式無源混頻器供電。反過來，跨阻放大器將混頻器的電流輸出轉(zhuǎn)換為由具有高動態(tài)范圍的 ADC 數(shù)字化的電壓電平。在 TDD 操作或僅使用一個接收器系統(tǒng)的 FDD 應(yīng)用中的可用發(fā)送器時隙期間，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 信號電平來應(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)人員進一步優(yōu)化功耗，ADRV9002集成了多種專門設(shè)計的功能，幫助開發(fā)人員在性能和功耗之間找到合適的平衡點。

　　在模塊級別，開發(fā)人員可以在各個信號路徑模塊上部署功率縮放，以降低性能來換取更低的功耗。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)化功耗與性能的能力，每個 ADRV9002 接收器子系統(tǒng)都包含兩對 ADC。一對包含高性能 Σ-Δ ADC，而第二對可以在功耗至關(guān)重要時進行替代。

　　對于以周期性不活動為特征的應(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)和檢測狀態(tài)之間交替。在檢測狀態(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。如果設(shè)備測量到的信號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。

　　快速原型設(shè)計和開發(fā)

　　為了幫助工程師快速進行評估、原型設(shè)計和開發(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。

　　對于硬件支持，Analog Devices 提供了一對基于 ADRV9002 的卡：

　　ADRV9002NP/W1/PCBZ適用于在 30 MHz 至 3 GHz 范圍內(nèi)運行的低頻段應(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，以及時鐘和多芯片同步 (MCS) 分配。這些卡通過 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評估板。

　　Analog Devices 在其支持包中為其 ADRV9002NP 無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。某些應(yīng)用需要額外的射頻前端來滿足特定的信號調(diào)理要求。對于這些應(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(圖 4)。

　　圖 4：高度集成的 ADRV9002 收發(fā)器使開發(fā)人員能夠快速實施專門設(shè)計。 (圖片來源：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)字步進衰減器 (DSA)

　　HMC8413驅(qū)動放大器

　　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ADI公司的產(chǎn)品線軟件或開源軟件包進行原型設(shè)計和開發(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，請參閱 Analog Devices 的 ADRV9001/2 原型平臺用戶指南。 Analog Devices 規(guī)定，公司支持文檔中的術(shù)語“ADRV9001”是指涵蓋 ADRV9002 和 ADRV9001 系列其他成員的系列代號。因此，下面的文本或圖中對 ADRV9001 的引用適用于本文重點討論的 ADRV9002 器件。

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

　　在使用 Analog Devices 基于 ADRV9002 的卡和 AMD ZCU102 評估板進行評估和原型設(shè)計期間，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：SDK 包中的 TES 工具可讓開發(fā)人員快速開始在支持的評估平臺上評估 ADRV9002 收發(fā)器。 (圖片來源：Analog Devices)

　　反過來，TES 工具會自動生成可編譯到 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和應(yīng)用程序編程接口(API)，包括為AMD ZCU102平臺開發(fā)的ADRV9001 API包。

　　SDK 流程還直接支持從評估板的評估和原型設(shè)計遷移到開發(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)人員輕松地將評估結(jié)果擴展到自己的目標(biāo)平臺。 (圖片來源：Analog Devices)

　　在此遷移流程中，開發(fā)人員讓 TES 像以前一樣自動生成代碼。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。實際上，所需的編輯主要限于刪除引用由 TES 工具識別但目標(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現(xiàn) HAL 接口代碼的自定義代碼。因此，開發(fā)人員可以快速從使用 Analog Devices 卡和 AMD 板的評估轉(zhuǎn)向針對其自定義目標(biāo)環(huán)境的開發(fā)。

　　結(jié)論

　　ADEF 應(yīng)用在日益復(fù)雜的信號環(huán)境中面臨著越來越大的挑戰(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)人員可以實施 SDR 解決方案，以更有效地滿足這些要求。