作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美編輯

航空航天和國防 (ADEF) 系統設計人員面臨著迫切的需求，要求通信系統不斷降低功耗并縮小體積，并能夠對動態信號環境做出敏捷響應。軟件無線電 (SDR) 技術超越了傳統無線電架構，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，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的設計，同時又不影響性能。

新出現的挑戰帶來了更苛刻的要求

在越來越多的工業和任務關鍵型應用中，設計人員面臨著實現更高效通信的需求，這些應用包括安全無線電通信、自適應雷達、電子戰、增強型 GPS 導航。這些新挑戰催生了對增強寬帶運行、更高動態范圍、更優頻率捷變、可重配置能力的需求。然而，隨著通信系統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、寬動態范圍、小雜散噪聲的優點。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，通常會導致設計復雜和高 SWaP，并且幾乎不具備可重配置能力（圖 1）。

[]圖 1：傳統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。（圖片來源：Analog Devices）

盡管直接變頻架構具有明顯的優勢，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，信號路徑的差異也會導致同相 (I) 和正交 (Q) 信號出現增益或相位不匹配，從而產生正交誤差，影響信號隔離。

SDR 技術具有克服傳統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]射頻收發器，開發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射器子系統，包括可編程數字濾波器、直流偏移校正和正交誤差校正 (QEC)。

在片上合成器子系統中，ADRV9002 具有兩個不同的鎖相環 (PLL) 路徑：一個用于高頻射頻路徑，另一個用于數字時鐘和轉換器采樣時鐘。最后，該器件的數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 射頻收發器集成了雙接收 (RX) 和發射 (TX) 子系統。（圖片來源：Analog Devices）

ADRV9002 具有提供完整信號鏈的發射器和接收器子系統，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。每個發射器子系統都提供一對數模轉換器 (DAC)、濾波器和混頻器，用于重新組合 I 和 Q 信號，并將其調制到載波頻率，以便進行傳輸。

每個接收器子系統都集成了一個用于增益控制的電阻輸入網絡，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范圍的 ADC 進行數字化。在 TDD 運行模式中或僅使用一個接收器系統的 FDD 應用中，發射器空閑時隙期間，未使用的接收器輸入可用于監測發射器通道的 LO 漏泄和 QEC，或未使用的接收器輸入可用于監測功率放大器 (PA) 輸出信號電平。

后一種功能可在 ADRV9002 的集成數字預失真 (DPD) 功能中發揮作用，該功能利用監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，從而優化其效率。

調節功率和性能

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 通信系統的尺寸和重量。為了幫助開發人員進一步優化功耗，ADRV9002 集成了多種功能，專門設計用于幫助開發人員在性能與功耗之間找到合適的平衡點。

在塊級別，開發人員可在單信號路徑塊上部署功率調整，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) 和發射 (TX) 幀中的數據塊，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人員優化功耗與性能，每個 ADRV9002 接收器子系統都包括兩對 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與檢測狀態之間交替運行。在檢測狀態下，該器件會激活接收器，并嘗試在由開發人員編程的帶寬和 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

為了幫助工程師快速進行評估、原型設計和開發，Analog Devices 為基于 ADRV9002 的系統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 范圍內的低頻帶應用
• [ADRV9002NP/W2/PCBZ]，適用于工作頻率在 3 至 6 GHz 范圍內的高頻段應用

這些無線電卡配備 FMC 連接器，支持板載 ADRV9002，具有功率調節和硬件接口，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應用的定制硬件開發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節要求。對于這些應用，開發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 收發器使開發人員能夠快速實現專用設計。（圖片來源：Analog Devices）

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

• [ADRF5160] 射頻開關
• [HMC8411]低噪聲放大器 (LNA)
• [ADMV8526]數字可調諧帶通濾波器
• [HMC1119] 射頻數字步進衰減器 (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支持。使用上述開發硬件的開發人員可以基于 Analog Devices 的產品線軟件或開源軟件包來進行原型設計和開發。

本文下面將僅討論產品線軟件。有關開源開發方法的更多信息，請參閱 Analog Devices 的《ADRV9001/2 原型開發平臺用戶指南》(ADRV9001/2 Prototyping Platform User Guide)。Analog Devices 規定，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 內容適用于本文重點介紹的 ADRV9002 器件。

Analog Devices 基于 Windows 的[收發器評估軟件] (TES) 工具通過該公司的產品線軟件開發工具包 (SDK) 分發，為快速配置和評估收發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據（圖 5）。

圖 5：使用 SDK 工具包中的 TES 工具，開發人員能夠在支持的評估平臺上快速開始評估 ADRV9002 收發器。（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 環境、MATLAB 環境或 Python 環境中。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遷移到開發人員的定制目標環境（圖 6）。

圖 6：SDK 架構允許開發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，開發人員像以前一樣讓 TES 自動生成代碼。但是，開發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中不需要的硬件組件的函數調用。該 SDK 架構包括 ADRV9001 庫與開發人員硬件之間的硬件抽象層 (HAL) 接口，這樣開發人員只需提供為特定硬件實現 HAL 接口代碼的定制代碼。因此，開發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境的開發。

總結

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