En högintegrerad, blandsignals RF-IC gör bredbandiga SDR-konstruktioner (SDR, software defined radio) mindre, lättare och mindre effektkrävande. AD9361 från Analog Devices är en 2×2 direktomvandlande transceiver-IC för 70 MHz till 6 GHz. Bandbredden kan ställas mellan 200 kHz och 56 MHz och A/D-omvandlarens upplösning är 12 bit.

Spridningen av olika, inkompatibla radioapparater är ett allvarligt problem i försvars- och rymdfartssituationer, där ett team kan behöva enheter för luftburna länkar, satellitkommunikation, en basrelästation och en nödsituationssändare såväl som tillämpningsspecifika roller som exempelvis UAV-styrning. Var och en av dessa radiolänkar fyller ett viktigt syfte, och att utelämna någon av dem skulle försämra gruppens möjligheter på fältet. Men varje radio medför bokstavligen en kostnad i storlek, vikt och behov av extrabatterier. Problemet kompliceras ytterligare när nya krav och länkar läggs till i listan.

Universell radio
Lösningen är självklar, åtminstone på "papperet": en universell fullduplex-radiomodul som kan användas på alla plattformar och dynamiskt konfigureras om på fältet om behovet skulle uppstå. Målet med "en radio" skulle minska belastningen, ge flexibilitet och mångsidighet, vara effektivt och därmed ge längre livslängd från en enda uppsättning batterier, och därmed ge betydande fördelar i storlek, vikt och effektförbrukning. Det var den underliggande premissen för program som JTRS (Joint Tactical Radio System) och syftet att skapa en SDR-lösning (programvarudefinierad radio).
Men att göra det "universella" radiokonceptet till verklighet visade sig svårare än vi kunde föreställa oss. Medan Moores lag har drivit på tillgängligheten av processorer med höga prestanda och låg strömförbrukning (inklusive FPGAer) som behövs, har det varit mycket svårare att få fram ett lämpligt integrerat analogt ingångssteg (AFE, analog frontend). Kraven på detta funktionella block – som ligger mellan antennen och processorn och som är gränssnittet mellan den verkliga signalvärlden och den digitala världen är komplexa, varierade och stränga.
Fram tills nyligen krävde en praktiskt utför analog ingång för denna typ av mångsidig radio flera överlappande parallella kanaler, alla utformade att täcka ett visst segment av RF-spektrum och med en bandbredd matchad till det avsedda signalformatet. Denna metod, om än genomförbar, är kostsam i termer av slutliga PC-kortsavtryck, vikt, effekt och kostnad.

Högpresterande AFE i en krets
Lyckligtvis finns det en ny RF-IC tillgänglig som föruppfyller de utmanande SDR-kraven och tar SDR-konceptet närmare verkligheten. AD9361 Agile RF-transceivern från Analog Devices är en bredbandig, programmerbar frontend som stöder dubbla oberoende transceiverkanaler, för att serva det snabbt växande MIMO-segmentet (Multiple-Input, Multiple-Output) såväl som icke-MIMO-behov. Systemprocessorn kan dynamiskt konfigurera om viktiga parametrar (t ex bandbredd och RF-frekvens) för att matcha tillämpningens behov och därmed ge optimala resultat.  Enheten innehåller även funktioner som stöder frekvenssmidiga protokoll.
Denna 10×10 mm stora ”chip-scale”-kapsel, se bilden ovan, har en inställningsbar bandbredd mellan 200 kHz och 56 MHz tillsammans med andra funktioner och prestandaattribut som behövs för att bygga en signalkedja som sträcker sig mellan 70 MHz och 6 GHz. Med hjälp av denna 2×2 direktomvandlingskomponent kan hela AFE minskas till en enda, relativt enkel, krets. Den ansluts till värdprocessorn via en LVDS- eller CMOS-port för att ge snabbhet och enkelhet.
I IC-kretsen finns 12-bitars A/D- och D/A-omvandlare, partiella-N synthesizers, digitala och analoga filter, AGC (automatisk förstärkningskontroll) sändningseffektövervakning, kvadraturkorrigering och andra viktiga funktioner.
Tillsammans med dess höga grad av integration, blir RF-funktionen, den analoga funktionen och blandsignalsprestanda imponerande. Till exempel är mottagarens brusvärde lägre än 2,5 dB, medan sändarens EVM (felvektormagnitud) är bättre än -40 dB och sändarens bruströskel är lägre än -157 dBm/Hz. För både sändnings- och mottagningsbanor är den lokala oscillatorstegstorleken bara 2,5 Hz för exakt inställning. Trots de många funktionerna i IC-kretsen är strömförbrukningen låg och ligger i allmänhet kring 1 W.

Mer än bara en IC-krets
Eftersom en komplex konstruktion som en flexibel, bredbandig SDR, innefattar större kretsdesignansträngningar, tillsammans med algoritmutveckling och kompromisser, finns AD9361 implementerad i en referenskonstruktion som är optimerad för användning med Xilinx FPGAer. Kortet AD-FMCOMMS2-EBZ FMC (FPGA Mezzanine-kort) från Analog Devices ansluts till Xilinx-värdkortet via en FMC-kontakt, som tillhandahåller ström och bandbredden för AD9361 i en 2×2-kanals konfiguration.

Systemutvecklare kan använda AD9361 FMC-kortet till att utveckla, felsöka, utvärdera och justera sina SDR-tillämpningar med Xilinx FPGA:er, med minimal maskinvarukonfiguration.

Kortet är helt anpassningsbart i programvara utan några förändringar av maskinvaran och ger ytterligare möjligheter för olika MIMO-konfigurationer.
Referensdesignen innehåller scheman, layout, materialförteckning, HDL, Linux-drivrutiner och tillämpningsprogramvara, alla viktiga uppgifter som behövs för att utvärdera prestanda och snabb framtagning av systemprotoyper. Utöver programvara på lägre nivå och fast programvara, har användarna möjlighet att utnyttja stödet för Simulink och MATlab för kodutveckling och anpassning av radioalgoritmerna och prestanda.

Bättre än du kan göra … kanske
Eftersom denna lilla, flexibla IC-krets med höga prestanda ersätter en avsevärd mängd diskreta kretsar, kan det verka som att behovet av sådana diskreta konstruktioner är över och förbi. Det är inte nödvändigtvis så, eftersom en välkonstruerad, noggrant felsökt och korrekt utformad diskret AFE-design för ett visst segment, format och bandbredd för SDRs totala område kanske kan överträffa AD9631-kretsen i det specifika segmentet, om än med ett större fotavtryck.
Men den verkliga utmaningen är den extrema bredbandskaraktären hos AFEn i SDR, vilket skulle skapa behovet av många sådana spektrumspecifika frontends, där var och en är en stor utmaning att utforma och utvärdera, och den slutliga produkten skulle inte komma högt i SWaP-rankningen. Därför lutar kompromissen kraftigt till förmån för AD9361 IC-kretsen, med RF-prestanda som är mer än tillräckliga för de flesta situationer och med mycket färre brister.
Analoga Devices AD9361 RF Agile-transceivern är inte bara ännu en av dessa "Kommer inom kort"-kretsar, omgiven av höga förväntningar och ett optimistiskt datablad. IC-kretsen finns att tillgå liksom FMC-kortet och verktygen och de används redan i två tillgängliga SDR-produkter, USRP-enheten (Universal Software Radio Peripheral) från Ettus Research (http://www.ettus.com) och Maveriq™ Multichannel Reconfigurable RF-transceivern från Epiq Solutions (http://www.epiqsolutions.com).

Om författaren
Duncan Bosworth är Analog Devices Segment Marketing Engineer för Aerospace and Defense Segment. Han arbetar på företagets anläggning i Wilmington, MA, USA och kan nås på Duncan.bosworth@analog.com.

Filed under: Analogteknik