השתמש במקמ"ש RF גמיש במערכת תקשורת SDR ‏אדפטיבית עבור תעופה-וחלל והגנה

מתכנני מערכות תעופה-וחלל והגנה (ADEF) עומדים בפני דרישות בלתי פוסקות למערכות תקשורת קומפקטיות יותר ובעלות הספק נמוך יותר המסוגלות לתגובה גמישה בסביבת אותות דינמיים. עם המעבר אל מעבר לארכיטקטורות רדיו מסורתיות, טכנולוגיית רדיו מוגדרת-תוכנה (SDR) יכולה לעזור לעמוד בדרישות המשתנות במהירות של רדיו ADEF, אך יישום SDR מציג אתגרים מרובים לעמידה בדרישות הפונקציונליות והצורך להקטין גודל, משקל והספק (SWaP).

מאמר זה מתאר פתרון ‏SDR אפקטיבי יותר מבית Analog Devices‏ היכול לפשט את התכנון של מערכות תקשורת גמישות, קומפקטיות ובהספק נמוך, מבלי להתפשר על ביצועים.

אתגרים מתעוררים מעלים דרישות תובעניות יותר

מתכננים עומדים בפני דרישה לתקשורת יעילה יותר במספר הולך וגדל של יישומים תעשייתיים וקריטיים למשימה, כולל תקשורת רדיו מאובטחת, מכ"ם אדפטיבי, לוחמה אלקטרונית וניווט GPS משופר. אתגרים חדשים אלה מעלים את הצורך בפעולה משופרת בפס רחב, תחום דינמי גבוה יותר, גמישות תדר גבוהה יותר ויכולת הגדרת-תצורה מחדש. עם זאת, דרישות פונקציונליות תובעניות יותר אלו יכולות לעמוד בסטירה עם הצורך ב-SWaP קטן יותר כיוון שמערכות תקשורת נעות לפלטפורמות מוזנות-סוללה קטנות יותר, כולל כלי טיס לא-מאוישים (UAS) ויחידות נישאות.

פתרונות תכנון מבוססים על ארכיטקטורות רדיו סופרהטרודין בדידות מסורתיות מציעים ביצועים עיליים, תחום דינמי רחב ורעש בלתי-רצוי מינימלי. עבור מתכננים, האתגר לבודד את האות הרצוי מתדר הביניים (IF) הנמצא בלב גישה‏ זו בדרך כלל מביא לתכנים מורכבים עם SWaP גדול ויכולת קטנה עד אי-יכולת הגדרת תצורה מחדש (איור 1‏).

איור 1‏: ארכיטקטורות רדיו סופרהטרודין מסורתיות יכולות לעמוד ביעדי ביצועים, אך מורכבותן מונעת מהן עמידה ביעדים מתעוררים של SWaP מינימלי‏. (מקור תמונה: Analog Devices)

בניגוד לכך, ארכיטקטורות המרה ישירה (Zero-IF) מקטינות הן את דרישות הסינון והן את הצורך בממירים אנלוגיים-לדיגיטליים (ADCs) בעלי רוחב-פס גבוה מאוד, וכתוצאה מכך מקבלים תכן פשוט יותר שניתן ליישם בשבב יחיד (איור 2‏).

איור 2‏: ארכיטקטורות רדיו Zero-IF יכולות לעמוד בצורך בביצועים גבוהים יותר ו-SWaP‏ קטן יותר, אך בידוד אותות הוא‏ מאתגר. (מקור תמונה: Analog Devices)

למרות היתרונות הנראים שלה, ארכיטקטורת ההמרה הישירה מציגה את אתגרי היישום שלה שהגבילו את האימוץ הרחב שלה. בארכיטקטורה זו, האות מומר לנושא תדר רדיו (RF) בתדר המתנד המקומי (LO), אך שגיאות היסט (Offset) זרם ישר (DC)‏ וזליגת LO יכולות לגרום להתפשטות השגיאות דרך שרשרת האותות. יתר על כן, הבדלים במסלולי האותות, אפילו באותו שבב, יכולים לגרום לאי-תאימות בהגבר או בפאזה של האות בפאזה (I) והאות הרביעוני (Q‏), מה שיגרום לשגיאה רביעונית היכולה לסכן בידוד אותות.

טכנולוגיית SDR מציעה את הפוטנציאל להתגבר על המגבלות של‏ ארכיטקטורות רדיו מסורתיות, אך פתרונות מעטים יכולים לטפל בדרישות הרחבות יותר הקשורות ליישומי ADEF. על ידי שימוש במקמ"ש RF‏ ADRV9002 של Analog Devices, מפתחים יכולים לעמוד בקלות בצורך בביצועים ופונקציונליות גבוהים יותר עם ה-SWaP הקטן יותר הנדרש ביישומים אלה.

פונקציונליות משולבת מספקת ביצועים ממוטבים עם SWaP מוקטן

ה-ADRV9002, התומך בתחום תדרים מ-30 מגה-הרץ (MHz) עד ‎6,000 MHz‏, הוא מקמ"ש משולב ביותר הכולל את כל ה‏פונקציונליות הדיגיטלית, RF ואותות מעורבים הדרושה כדי לתמוך במבחר רחב של דרישות יישום. עם יכולת עבודה בדופלקס חלוקת זמן (TDD) ודופלקס חלוקת תדר (FDD‏), ההתקן כולל תת-מערכות נפרדות מקלט ומשדר המרה ישירה שני-ערוצים הכוללות מסננים דיגיטליים ניתנים לתכנות, תיקון היסט (Offset) ‏DC ותיקון שגיאות רביעוני (quadrature error correction‏ (QEC)).

בתוך תת-המערכת סינתיסייזר שעל השבב, ה-ADRV9002 כולל שני מסלולי חוג נעול מופע (PLL‏) נפרדים: אחד עבור מסלול ה-RF תדר-גבוה והשני עבור השעונים הדיגיטליים ושעוני דגימת ממיר. לבסוף, בלוק עיבוד האות הדיגיטלי של ההתקן כולל מעבד משובץ‏ Arm® M4‏ המטפל בפונקציות כיול-עצמי ובקרה (איור 3‏).

איור 3‏: מקמ"ש ה-ADRV9002 RF משלב תת-מערכות כפולות קליטה (RX) ושידור (TX‏). (מקור תמונה: Analog Devices)

ה-ADRV9002, המסוגל לעבוד במצב Zero-IF או low-IF עבור יישומים רגישים-לרעש-פאזה, כולל תת-מערכות משדר ומקלט המציעות שרשראות אותות שלמות. כל תת-מערכת משדר מספקת זוג ממירים דיגיטלי-לאנלוגי (DAC‏), מסננים ומיקסרים המאחדים מחדש אותות I ו-Q ומאפננת אותם לתדר גל הנושא עבור שידור.

כל תת-מערכת מקלט משלבת רשת כניסה התנגדותית עבור בקרת הגבר המזינה מיקסר פסיבי ‏אופן-זרם (Current mode). בתורו, מגבר טרנס-אימפדנס ממיר את יציאת הזרם של המיקסר לרמת מתח העוברת המרה לדיגיטלי על ידי ממיר ADC עם‏ תחום דינמי גבוה. במהלך מרווחי משדר קיימים בעבודת TDD או ביישומי FDD בהם משתמשים במערכת מקלט אחת בלבד, כניסות מקלט שאינן בשימוש יכולות לשמש לניטור ערוצי משדר עבור זליגת LO ו-QEC, או כניסות מקלט שאינן בשימוש יכולות לשמש לניטור רמות אות יציאה של מגבר הספק (PA).

היכולת השנייה נכנסת לתמונה במאפיין הדיגיטלי טרום-עיוות (DPD) של ה-ADRV9002, המשתמש ברמות אות PA מנוטרות שלו ליישום הטרום-עיוות המתאים הדרוש עבור ליניאריזציה של היציאה. יכולת זו מאפשרת ל-ADRV9002 לדחוף את ה-PA קרוב יותר לרווייה, ובכך למטב את נצילותו.

כוונון הספק וביצועים

התקן ה-ADRV9002 מספק פתרון משולב במלואו במארז Ball Grid Array‏ (BGA) ‏chip scale‏ (CSP) בעל 196 כדוריות, כמו גם מקטין למינימום גודל ומשקל עבור מערכות תקשורת SDR ADEF. כדי לסייע למפתחים ליעל עוד יותר צריכת הספק, ה-ADRV9002 משלב מאפיינים רבים המתוכננים במיוחד לסייע למפתחים למצוא איזון מתאים בין ביצועים והספק.

ברמת הבלוק, מפתחים יכולים להשתמש בקביעת רמת הספק בבלוקים פרטניים של מסלול אות כדי להמיר ביצועים מופחתים עבור צריכת הספק נמוכה יותר. נוסף לכך, הבלוקים במסגרות TDD קליטה (RX) ושידור (TX) ניתנים להשבתה כדי להקריב זמני היפוך RX/TX או TX/RX עבור צריכת הספק נמוכה יותר. כדי לסייע יותר ליכולת של מפתחים למטב הספק לעומת ביצועים, כל תת-מערכת מקלט ADRV9002 כוללת שני זוגות של ממירי ADC. זוג אחד כולל ממירי ADC סיגמא-דלתא ביצועים-עיליים‏, בעוד הזוג השני יכול לשמש תחליף כשצריכת הספק היא קריטית.

עבור יישומים מאופיינים על ידי פרקי זמן מחזוריים של‏ חוסר פעילות, ניתן להשתמש במצב מנטר RX של ה-ADRV9002. במצב זה, ה-ADRV9002 מחליף לסירוגין בין מצב שינה הספק-מינימלי ומצב גילוי במחזור פעולה (duty cycle) ניתן לתכנות. במצב הגילוי, ההתקן מפעיל מקלט ומנסה להשיג אות במקום רוחב-פס ותדר RX LO מתוכנת על ידי המפתח. אם ההתקן מודד הספק אות מעל לסף המתוכנת, ההתקן יוצא ממצב מנטר, והבלוקים של ה-ADRV9002 מופעלים כדי לטפל באות המבוקש.

בניית אב-טיפוס ופיתוח מהירים

כדי לסייע למהנדסים לעבור מהר להערכה, בניית אב-טיפוס ופיתוח, Analog Devices‏ מספקת תמיכת חומרה ותוכנה נרחבת של‏ מערכות מבוססות ADRV9002.

עבור תמיכת חומרה, Analog Devices‏ מציעה זוג כרטיסים‏ מבוססי ADRV9002:

• ADRV9002NP/W1/PCBZ עבור יישומי פס נמוך העובדים בתחום ה-30‎ MHz עד‏ 3 גיגה-הרץ (GHz‏‏)
• ADRV9002NP/W2/PCBZ עבור יישומי פס גבוה בתחום ה-3 עד GHz‏ 6‏

כרטיסים אלה, המצוידים במחברי FMC‏, תומכים ב-ADRV9002 שעל הלוח עם ייצוב מתח אספקה וממשקי חומרה, כמו גם שעון וחלוקת סנכרון מרובת-שבבים (MCS). הכרטיסים מתחברים באמצעות מחבר ה-FMC שלהם‏ אל לוח-אם FPGA‏, כמו לוח ההערכה ZCU102 של AMD עבור אספקת-כוח ובקרת יישום.

חברת Analog Devices‏ מספקת‏ שרטוט ומפרט חומרים (BOM) שלם עבור כרטיסי הרדיו ADRV9002NP שלה בחבילת התמיכה שלה. השרטוט ומפרט החומרים (BOM) מספקים‏ נקודת התחלה אפקטיבית עבור פיתוח חומרה מותאמת-במיוחד למרבית היישומים. יישומים מסוימים דורשים ‏קצה-קדמי RF נוסף כדי לעמוד בדרישות אכשור אות ספציפיות. עבור יישומים אלה, מפתחים צריכים מספר קטן של רכיבים נוספים בלבד כדי להשלים את התכנון שלהם (איור 4‏).

איור 4‏: מקמ"ש משולב-ביותר ADRV9002 מאפשר למפתחים לממש במהירות תכנים מיוחדים. (מקור תמונה: Analog Devices)

בדוגמה זו, מפתחים יכולים לממש במהירות קצה-קדמי RF מתאים על ידי שימוש ברכיבי ניהול ההספק הבאים מבית Analog Devices‏:

• ADRF5160 מתג RF
• HMC8411 מגבר רעש נמוך (LNA)
• ADMV8526 מסנן מעביר-פס מתכוונן דיגיטלי
• HMC1119 מנחת צעד דיגיטלי RF
• HMC8413 מגבר דוחף
• HMC8205B מגבר הספק (PA)

חברת Analog Devices‏ מספקת תמיכת פיתוח תוכנה מקיפה באמצעות תעוד וחבילות תוכנה ניתנות להורדה. מפתחים המשתמשים בחומרת הפיתוח המוזכרת לעיל יכולים להמשיך עם בניית אב-טיפוס ופיתוח בהתבסס על תוכנת קו מוצרים או חבילות תוכנה מקור-פתוח של Analog Devices.

מאמר זה מגביל את הדיון הבא לתוכנת קו מוצרים. לפרטים נוספים אודות מתודולוגיית הפיתוח מקור-פתוח, עיין במדריך למשתמש בפלטפורמה לבניית אב-טיפוס ADRV9001/2 של Analog Devices‏. חברת Analog Devices‏ מדגישה שהמונח “ADRV9001” בתעוד התמיכה של החברה מתכוון לציין משפחה הכוללת את ה-ADRV9002 וחברי משפחה אחרים של ה-‏ADRV9001. כתוצאה מכך, התייחסויות ל-ADRV9001 בטקסט או איורים להלן ישימים להתקן ה-ADRV9002, שהוא המוקד של מאמר זה.

זמין דרך ההפצה של קו מוצרי ערכת פיתוח תוכנה (SDK) של Analog Devices‏, הכלי המבוסס-Windows של החברה Transceiver Evaluation Software‏ (TES) מספק נקודת התחלה נגישה עבור הגדרת תצורה והערכת ביצועים מהירות.

במהלך הערכה ובניית אב-טיפוס עם כרטיסים מבוססי-ADRV9002 של Analog Devices‏ ולוח הערכה ZCU102 של AMD, כלי ה-TES‏ מספק‏ ממשק משתמש גרפי (GUI) עבור הגדרת תצורה של החומרה והתבוננות בנתונים שנלכדו (איור 5‏).

איור 5‏: כלי ה-TES בחבילת ה-SDK מאפשר למפתחים להתחיל במהירות להעריך את מקמ"ש ה-ADRV9002 על פלטפורמת ההערכה הנתמכת. (מקור תמונה: Analog Devices)

בתורו, כלי ה-TES‏ מחולל קוד #C הניתן להידור לסביבת ה-Linux, סביבת ה-MATLAB‏ או ה-Python‏. ה-SDK מספק‏ סט שלם של‏ ספריות תוכנה וממשקי תכנות יישום (APIs‏), כולל חבילת ה-ADRV9001 API שפותחה עבור פלטפורמת ה-AMD ZCU102.

תזרים ה-SDK גם תומך ישירות במעבר מהערכה ובניית אב-טיפוס עם לוח ההערכה אל סביבת היעד האישי של המפתח (איור 6‏).

איור 6‏: ארכיטקטורת ה-SDK מאפשרת למפתחים להרחיב בקלות את התוצאות של ההערכה שלהם לפלטפורמת היעד שלהם. (מקור תמונה: Analog Devices)

בתזרים מעבר זה, המפתח מאפשר ל-TES לחולל קוד כמקודם. עם זאת, במקום להשתמש בו ישירות,‏ המפתח פורס גרסה ערוכה של הקוד המופק לפלטפורמת היעד. באופן מעשי, העריכות הדרושות מוגבלות בעיקר להסרת קריאות פעולה ביחס לרכיבי חומרה מוכרים על ידי כלי ה-TES אך אינן דרושות במערכת היעד. ארכיטקטורת ה-SDK כוללת ממשק Hardware Abstraction Layer ‏(HAL) בין ספריית ה-ADRV9001 וחומרת המפתחים, כך שמפתחים נדרשים לספק רק קוד מותאם אישית המיישם את קוד ממשק HAL‏ עבור החומרה הספציפית שלהם. כתוצאה מכך, מפתחים יכולים לנוע במהירות מהערכה תוך שימוש בכרטיסי Analog Devices‏ ולוח AMD אל פיתוח עבור סביבת היעד המותאמת אישית שלהם.

סיכום

יישומי ADEF עומדים בפני אתגרים הולכים וגדלים בסביבת אותות מורכבים יותר ויותר. יחד עם עמידה בדרישות לביצועים גבוהים יותר בתחום רחב יותר של תדרים, מפתחים חייבים להקטין SWaP כדי לתמוך במעבר של יישומים אלה למערכות מוזנות סוללה. על ידי שימוש במקמ"ש משולב ביותר מבית Analog Devices‏, מפתחים יכולים לממש פתרונות SDR כדי לענות לדרישות אלו ביעילות גבוהה יותר.