基于ADRV9002敏捷射频收发器实现在航空航天和国防的自适应SDR通信系统设计方案

斯蒂芬·埃万丘克

航空航天和国防 (ADEF) 系统设计人员面临着对更低功耗、更紧凑的通信系统的不懈需求，这些系统能够对动态信号环境做出敏捷响应。超越传统的无线电架构，软件定义无线电 (SDR) 技术可以帮助满足 ADEF 无线电快速变化的要求，但 SDR 的实施给满足功能要求以及减小尺寸、重量和功耗的需求带来了多重挑战(交换)。

本文介绍了Analog Devices的一种更有效的 SDR 解决方案，该解决方案可以简化低功耗、紧凑且灵活的通信系统的设计，而不会影响性能。

新的挑战带来更苛刻的要求

设计人员在越来越多的工业和关键任务应用中面临着对更有效通信的需求，包括安全无线电通信、自适应雷达、电子战和增强型 GPS 导航。这些新挑战推动了对增强宽带操作、更高动态范围、更大频率捷变性和可重构性的需求。然而，随着通信系统转向更小的电池供电平台(包括无人机(UAS)和便携式设备)，这些更苛刻的功能要求可能与较低 SWaP 的需求相冲突。

基于传统离散超外差无线电架构的设计解决方案提供高性能、宽动态范围和最小的杂散噪声。对于设计人员来说，这种方法的核心是将所需信号与中频 (IF) 隔离的挑战通常会导致设计复杂、SWaP 高且可重构性极低甚至没有(图 1)。

图 1：传统的超外差无线电架构可以满足性能目标，但其复杂性使其无法满足新兴的最小 SWaP 目标。 (图片来源：Analog Devices)

相比之下，直接转换(零中频)架构降低了滤波要求以及对极高带宽模数转换器 (ADC) 的需求，从而实现了可以在单芯片上实现的更简单的设计(图 2) )。

图 2：零中频无线电架构可以满足更高性能和更低 SWaP 的需求，但信号隔离具有挑战性。 (图片来源：Analog Devices)

尽管直接转换架构具有明显的优势，但其自身的实施挑战限制了其广泛采用。在此架构中，信号被转换为本地振荡器 (LO) 频率的射频 (RF) 载波，但直流 (DC) 偏移误差和 LO 泄漏可能导致误差通过信号链传播。此外，即使在同一芯片内，信号路径的差异也会导致同相 (I) 和正交 (Q) 信号的增益或相位失配，从而导致正交误差，进而影响信号隔离。

SDR 技术具有克服传统无线电架构限制的潜力，但很少有解决方案能够满足与 ADEF 应用相关的更广泛要求。使用 Analog Devices 的ADRV9002 RF 收发器，开发人员可以轻松满足这些应用中对更高性能和功能的需求，并降低 SWaP 的要求。

集成功能可提供优化的性能并减少 SWaP

ADRV9002 支持 30 兆赫 (MHz) 至 6,000 MHz 的频率范围，是一款高度集成的收发器，包含支持各种应用要求所需的所有射频、混合信号和数字功能。该器件能够进行时分双工 (TDD) 和频分双工 (FDD) 操作，具有独立的双通道直接转换接收器和发送器子系统，其中包括可编程数字滤波器、直流偏移校正和正交误差校正 (QEC)。

在其片上合成器子系统中，ADRV9002 具有两个不同的锁相环 (PLL) 路径：一个用于高频 RF 路径，另一个用于数字时钟和转换器采样时钟。最后，该器件的数字信号处理模块包括一个Arm® M4 嵌入式处理器，用于处理自校准和控制功能(图 3)。

图 3：ADRV9002 RF 收发器集成了双接收 (RX) 和发送 (TX) 子系统。 (图片来源：Analog Devices)

ADRV9002 能够在零中频模式或低中频模式下运行，适用于相位噪声敏感型应用，其发射器和接收器子系统可提供完整的信号链。每个发射器子系统都提供一对数模转换器 (DAC)、滤波器和混频器，用于重新组合 I 和 Q 信号并将其调制到载波频率上进行传输。

每个接收器子系统都集成了一个用于增益控制的电阻输入网络，该网络为电流模式无源混频器供电。反过来，跨阻放大器将混频器的电流输出转换为由具有高动态范围的 ADC 数字化的电压电平。在 TDD 操作或仅使用一个接收器系统的 FDD 应用中的可用发送器时隙期间，未使用的接收器输入可用于监控发送器通道的 LO 泄漏和 QEC，或者未使用的接收器输入可用于监控功率放大器 (PA) 输出信号电平。

后一种功能在 ADRV9002 的集成数字预失真 (DPD) 功能中发挥作用，该功能使用其监控的 PA 信号电平来应用线性化输出所需的适当预失真。此功能使 ADRV9002 能够使 PA 接近饱和，从而优化其效率。

调整功率和性能

ADRV9002 器件在 196 球芯片级封装 (CSP) 球栅阵列 (BGA) 中提供完全集成的解决方案，并最大限度地减少 SDR ADEF 通信系统的尺寸和重量。为了帮助开发人员进一步优化功耗，ADRV9002集成了多种专门设计的功能，帮助开发人员在性能和功耗之间找到合适的平衡点。

在模块级别，开发人员可以在各个信号路径模块上部署功率缩放，以降低性能来换取更低的功耗。此外，可以禁用 TDD 接收 (RX) 和发送 (TX) 帧中的模块，以牺牲 RX/TX 或 TX/RX 周转时间来降低功耗。为了进一步帮助开发人员优化功耗与性能的能力，每个 ADRV9002 接收器子系统都包含两对 ADC。一对包含高性能 Σ-Δ ADC，而第二对可以在功耗至关重要时进行替代。

对于以周期性不活动为特征的应用，可以采用 ADRV9002 的 RX 监控模式。在此模式下，ADRV9002 按编程的占空比在最小功耗睡眠状态和检测状态之间交替。在检测状态下，设备激活接收器并尝试在开发人员编程的带宽和 RX LO 频率上获取信号。如果设备测量到的信号功率电平高于编程阈值，设备将退出监控模式，并且 ADRV9002 的模块将通电以处理所需的信号。

快速原型设计和开发

为了帮助工程师快速进行评估、原型设计和开发，ADI 公司为基于 ADRV9002 的系统提供了广泛的硬件和软件支持。

对于硬件支持，Analog Devices 提供了一对基于 ADRV9002 的卡：

ADRV9002NP/W1/PCBZ适用于在 30 MHz 至 3 GHz 范围内运行的低频段应用

ADRV9002NP/W2/PCBZ适用于 3 至 6 GHz 范围内的高频段应用

这些卡配备 FMC 连接器，支持板载 ADRV9002 的电源调节和硬件接口，以及时钟和多芯片同步 (MCS) 分配。这些卡通过 FMC 连接器连接到 FPGA 主板，例如用于电源和应用控制的AMD ZCU102评估板。

Analog Devices 在其支持包中为其 ADRV9002NP 无线电卡提供了完整的原理图和物料清单 (BOM)。原理图和 BOM 为大多数应用的定制硬件开发提供了有效的起点。某些应用需要额外的射频前端来满足特定的信号调理要求。对于这些应用程序，开发人员只需要一些额外的组件即可完成其设计(图 4)。

图 4：高度集成的 ADRV9002 收发器使开发人员能够快速实施专门设计。 (图片来源：Analog Devices)

在此示例中，开发人员可以使用 Analog Devices 的以下电源管理组件快速实现合适的 RF 前端：

ADRF5160射频开关

HMC8411低噪声放大器 (LNA)

ADMV8526数字可调谐带通滤波器

HMC1119射频数字步进衰减器 (DSA)

HMC8413驱动放大器

HMC8205B功率放大器

Analog Devices 通过文档和可下载软件包提供全面的软件开发支持。使用上述开发硬件的开发人员可以基于ADI公司的产品线软件或开源软件包进行原型设计和开发。

本文将以下讨论仅限于产品线软件。有关开源开发方法的更多信息，请参阅 Analog Devices 的 ADRV9001/2 原型平台用户指南。 Analog Devices 规定，公司支持文档中的术语“ADRV9001”是指涵盖 ADRV9002 和 ADRV9001 系列其他成员的系列代号。因此，下面的文本或图中对 ADRV9001 的引用适用于本文重点讨论的 ADRV9002 器件。

该公司基于 Windows 的收发器评估软件(TES) 工具通过 Analog Devices 的产品线软件开发套件 (SDK) 分发提供，为快速配置和评估收发器性能提供了一个易于使用的起点。

在使用 Analog Devices 基于 ADRV9002 的卡和 AMD ZCU102 评估板进行评估和原型设计期间，TES 工具提供了一个图形用户界面 (GUI)，用于配置硬件和观察捕获的数据(图 5)。

图 5：SDK 包中的 TES 工具可让开发人员快速开始在支持的评估平台上评估 ADRV9002 收发器。 (图片来源：Analog Devices)

反过来，TES 工具会自动生成可编译到 Linux 环境、MATLAB 环境或 Python 的 C# 代码。该SDK提供了一套完整的软件库和应用程序编程接口(API)，包括为AMD ZCU102平台开发的ADRV9001 API包。

SDK 流程还直接支持从评估板的评估和原型设计迁移到开发人员的自定义目标环境(图 6)。

图 6：SDK 架构允许开发人员轻松地将评估结果扩展到自己的目标平台。 (图片来源：Analog Devices)

在此迁移流程中，开发人员让 TES 像以前一样自动生成代码。但是，开发人员不是直接使用它，而是将生成的代码的编辑版本部署到目标平台。实际上，所需的编辑主要限于删除引用由 TES 工具识别但目标系统中不需要的硬件组件的函数调用。 SDK 架构包括 ADRV9001 库和开发人员硬件之间的硬件抽象层 (HAL) 接口，因此开发人员只需提供为其特定硬件实现 HAL 接口代码的自定义代码。因此，开发人员可以快速从使用 Analog Devices 卡和 AMD 板的评估转向针对其自定义目标环境的开发。

结论

ADEF 应用在日益复杂的信号环境中面临着越来越大的挑战。除了满足更广泛频率范围内更高性能的需求外，开发人员还需要降低 SWaP 以支持这些应用程序迁移到电池供电系统。使用 Analog Devices 的高度集成收发器，开发人员可以实施 SDR 解决方案，以更有效地满足这些要求。