Uso de un transceptor RF Agile en un sistema de comunicación SDR adaptable para el sector aeroespacial y de defensa

Los diseñadores de sistemas aeroespaciales y de defensa (ADEF) se enfrentan a una demanda incesante de sistemas de comunicaciones de menor consumo y más compactos, capaces de dar una respuesta ágil a un entorno de señales dinámico. Más allá de las arquitecturas de radio tradicionales, la tecnología de radio definida por software (SDR) puede ayudar a satisfacer los cambiantes requisitos de las radios ADEF, pero la implementación de SDR ha presentado múltiples desafíos para cumplir tanto los requisitos funcionales como la necesidad de reducir el tamaño, el peso y la potencia (SWaP).

Este artículo describe una solución SDR más eficaz de Analog Devices que puede simplificar el diseño de sistemas de comunicaciones de bajo consumo, compactos y ágiles sin comprometer el rendimiento.

Los nuevos retos plantean requisitos más exigentes

Los diseñadores se enfrentan a la demanda de comunicaciones más eficaces en un número cada vez mayor de aplicaciones industriales y de misión crítica, como las radiocomunicaciones seguras, el radar adaptativo, la guerra electrónica y la navegación GPS mejorada. Estos nuevos retos exigen un funcionamiento de banda ancha mejorado, un mayor rango dinámico, una mayor agilidad de frecuencia y reconfigurabilidad. Sin embargo, estos requisitos funcionales más exigentes pueden entrar en conflicto con la necesidad de una menor SWaP a medida que los sistemas de comunicaciones se desplazan a plataformas más pequeñas alimentadas por baterías, incluidos los vehículos aéreos no tripulados (UAS) y las unidades portátiles.

Las soluciones de diseño basadas en arquitecturas de radio superheterodinas discretas tradicionales ofrecen un alto rendimiento, un amplio rango dinámico y un ruido de señales falsas mínimo. Para los diseñadores, el reto de aislar la señal deseada de la frecuencia intermedia (FI) en el corazón de este enfoque suele dar lugar a diseños complejos con un elevado SWaP y poca o ninguna reconfigurabilidad (Figura 1).

Figura 1: Las arquitecturas de radio superheterodinas tradicionales pueden cumplir los objetivos de rendimiento, pero su complejidad les impide alcanzar los objetivos emergentes de SWaP mínimo. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En cambio, las arquitecturas de conversión directa (zero-IF) reducen tanto los requisitos de filtrado como la necesidad de convertidores de analógico a digital (ADC) de gran ancho de banda, lo que da lugar a un diseño más sencillo que puede implementarse en un solo chip (Figura 2).

Figura 2: Las arquitecturas radioeléctricas Zero-IF pueden satisfacer la necesidad de mayor rendimiento y menor SWaP, pero el aislamiento de la señal es un reto. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

A pesar de sus aparentes ventajas, la arquitectura de conversión directa presenta sus propios retos de implantación que han limitado su adopción generalizada. En esta arquitectura, la señal se convierte en una portadora de radiofrecuencia (RF) a la frecuencia del oscilador local (LO), pero los errores de desfase de corriente continua (CC) y las fugas de LO pueden provocar errores que se propaguen por la cadena de señales. Además, las diferencias en las rutas de la señal, incluso dentro del mismo chip, pueden introducir un desajuste de ganancia o fase de la señal en fase (I) y en cuadratura (Q), lo que da lugar a un error de cuadratura que puede comprometer el aislamiento de la señal.

La tecnología SDR ofrece la posibilidad de superar las limitaciones de las arquitecturas de radio tradicionales, pero pocas soluciones pueden abordar los requisitos más amplios asociados a las aplicaciones ADEF. Con el transceptor de RF ADRV9002 de Analog Devices, los desarrolladores pueden satisfacer fácilmente la necesidad de mayor rendimiento y funcionalidad con el menor SWaP exigido en estas aplicaciones.

La funcionalidad integrada ofrece un rendimiento optimizado con un SWaP reducido

Con una gama de frecuencias de 30 megahercios (MHz) a 6,000 MHz, el ADRV9002 es un transceptor altamente integrado que contiene todas las funciones de RF, señal mixta y digitales necesarias para satisfacer un amplio rango de aplicaciones. Capaz de funcionar tanto en dúplex por división de tiempo (TDD) como en dúplex por división de frecuencia (FDD), el dispositivo cuenta con subsistemas independientes de receptor y transmisor de conversión directa de doble canal que incluyen filtros digitales programables, corrección de desplazamiento de CC y corrección de errores de cuadratura (QEC).

Dentro de su subsistema de sintetizador en chip, el ADRV9002 presenta dos rutas distintas de bucle de fase cerrada (PLL): una para la ruta de RF de alta frecuencia y otra para los relojes digitales y los relojes de muestreo del convertidor. Por último, el bloque de procesamiento de señales digitales del dispositivo incluye un procesador integrado Arm® M4 que se encarga de las funciones de autocalibración y control (Figura 3).

Figura 3: El transceptor RF ADRV9002 integra subsistemas duales de recepción (RX) y transmisión (TX). (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El ADRV9002, que puede funcionar tanto en modo zero-IF como en modo low-IF para aplicaciones sensibles al ruido de fase, cuenta con subsistemas transmisor y receptor que ofrecen cadenas de señal completas. Cada subsistema transmisor proporciona un par de convertidores de digital a analógico (DAC), filtros y mezcladores que recombinan las señales I y Q y las modulan en la frecuencia portadora para su transmisión.

Cada subsistema receptor integra una red de entrada resistiva para el control de ganancia que alimenta un mezclador pasivo en modo de corriente. A su vez, un amplificador de transimpedancia convierte la salida de corriente del mezclador en un nivel de tensión que es digitalizado por un ADC con un alto rango dinámico. Durante las ranuras de transmisor disponibles en funcionamiento TDD o en aplicaciones FDD en las que solo se utiliza un sistema receptor, las entradas de receptor no utilizadas se pueden utilizar para supervisar los canales de transmisor en busca de fugas de LO y QEC, o las entradas de receptor no utilizadas se pueden utilizar para supervisar los niveles de señal de salida del amplificador de potencia (PA).

Esta última capacidad entra en juego en la función integrada de predistorsión digital (DPD) del ADRV9002, que utiliza sus niveles de señal PA monitorizados para aplicar la predistorsión adecuada necesaria para linealizar la salida. Esta capacidad permite al ADRV9002 conducir el PA más cerca de la saturación, optimizando su eficiencia.

Ajuste del rendimiento y de la potencia

El dispositivo ADRV9002 ofrece una solución totalmente integrada en un paquete en escala del chip (CSP) de 196 bolas y matriz de malla de bola (BGA), además de reducir al mínimo el tamaño y el peso de los sistemas de comunicaciones SDR ADEF. Para ayudar a los desarrolladores a optimizar aún más el consumo de energía, el ADRV9002 integra múltiples características diseñadas específicamente para ayudar a los desarrolladores a encontrar un equilibrio adecuado entre rendimiento y energía.

A nivel de bloque, los desarrolladores pueden aplicar el escalado de potencia en bloques individuales de la ruta de señal para cambiar un menor rendimiento por un menor consumo de energía. Además, los bloques de las tramas de recepción (RX) y transmisión (TX) TDD pueden desactivarse para sacrificar los tiempos de respuesta RX/TX o TX/RX a cambio de un menor consumo de energía. Para ayudar aún más a los desarrolladores a optimizar la potencia frente al rendimiento, cada subsistema receptor ADRV9002 incluye dos pares de ADC. Un par incluye ADC sigma-delta de alto rendimiento, mientras que el segundo par puede sustituirlos cuando el consumo de energía es crítico.

Para aplicaciones caracterizadas por periodos de inactividad, se puede utilizar el modo de monitorización de recepción del ADRV9002. En este modo, el ADRV9002 alterna entre un estado de reposo de potencia mínima y un estado de detección a un ciclo de trabajo o útil programado. En el estado de detección, el dispositivo activa un receptor e intenta adquirir una señal sobre un ancho de banda y una frecuencia RX LO programados por el desarrollador. Si el dispositivo mide el nivel de potencia de la señal por encima del umbral programado, el dispositivo sale del modo de monitorización y los bloques del ADRV9002 se alimentan para manejar la señal deseada.

Creación rápida de prototipos y desarrollo

Para ayudar a los ingenieros a pasar rápidamente a la evaluación, la creación de prototipos y el desarrollo, Analog Devices ofrece un amplio soporte de hardware y software para los sistemas basados en ADRV9002.

Para el soporte de hardware, Analog Devices ofrece un par de tarjetas basadas en ADRV9002:

• ADRV9002NP/W1/PCBZ para aplicaciones de banda baja en el rango de 30 MHz a 3 gigahercios (GHz)
• ADRV9002NP/W2/PCBZ para aplicaciones de banda alta en la gama de 3 a 6 GHz

Equipadas con conectores FMC, estas tarjetas admiten el ADRV9002 integrado con regulación de potencia e interfaces de hardware, así como distribución de reloj y sincronización multichip (MCS). Las tarjetas se conectan a través de su conector FMC a una placa madre FPGA, como la placa de evaluación ZCU102 de AMD para el control de la alimentación y las aplicaciones.

Analog Devices proporciona un esquema completo y la lista de materiales (BOM) de sus tarjetas de radio ADRV9002NP en su paquete de soporte. El esquema y la lista de materiales proporcionan un punto de partida eficaz para el desarrollo de hardware personalizado para la mayoría de las aplicaciones. Algunas aplicaciones requieren un front-end de RF adicional para satisfacer requisitos específicos de acondicionamiento de señales. Para estas aplicaciones, los desarrolladores solo necesitan unos pocos componentes adicionales para completar su diseño (Figura 4).

Figura 4: El transceptor ADRV9002 altamente integrado permite a los desarrolladores implantar rápidamente diseños especializados. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En este ejemplo, los desarrolladores pueden implementar rápidamente un front-end de RF adecuado utilizando los siguientes componentes de gestión de potencia de Analog Devices:

• Interruptor RF ADRF5160
• Amplificador de bajo ruido HMC8411 (LNA)
• Filtro de paso de banda sintonizable digitalmente ADMV8526
• Atenuador de paso digital de RF HMC1119 (DSA)
• Amplificador controlador HMC8413
• HMC8205B PA

Analog Devices proporciona un completo soporte de desarrollo de software mediante documentación y paquetes de software descargables. Los desarrolladores que utilicen el hardware de desarrollo mencionado pueden proceder a la creación de prototipos y al desarrollo basados en el software de la línea de productos de Analog Devices o en paquetes de software de código abierto.

Este artículo se limita al software de línea de productos. Para obtener más información sobre la metodología de desarrollo de código abierto, consulte la Guía del usuario de la plataforma de creación de prototipos ADRV9001/2 de Analog Devices.Analog Devices estipula que el término "ADRV9001" en la documentación de soporte de la Empresa se entiende como un designador de familia que abarca el ADRV9002 y otros miembros de la familia ADRV9001. Por consiguiente, las referencias al ADRV9001 en el texto o en las figuras que aparecen a continuación se aplican al dispositivo ADRV9002 que es el objeto de este artículo.

Disponible a través de la distribución del kit de desarrollo de software (SDK) de la línea de productos de Analog Devices, la herramienta de software de evaluación de transceptores (TES) basada en Windows de la empresa proporciona un punto de partida accesible para configurar y evaluar rápidamente el rendimiento de los transceptores.

Durante la evaluación y la creación de prototipos con tarjetas basadas en ADRV9002 de Analog Devices y la placa de evaluación ZCU102 de AMD, la herramienta TES proporciona una interfaz gráfica de usuario (GUI) para configurar el hardware y controlar los datos capturados (Figura 5).

Figura 5: La herramienta TES del paquete SDK permite a los desarrolladores empezar a evaluar rápidamente el transceptor ADRV9002 en la plataforma de evaluación compatible. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

A su vez, la herramienta TES autogenera código C# que puede compilarse en el entorno Linux, MATLAB o Python. El SDK proporciona un completo conjunto de bibliotecas de software e interfaces de programación de aplicaciones (API), incluido el paquete de API ADRV9001 desarrollado para la plataforma AMD ZCU102.

El flujo del SDK también admite directamente la migración desde la evaluación y la creación de prototipos con la placa de evaluación al entorno de destino personalizado del desarrollador (Figura 6).

Figura 6: La arquitectura del SDK permite a los desarrolladores ampliar fácilmente los resultados de su evaluación a su propia plataforma de destino. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En este flujo de migración, el desarrollador deja que el TES autogenere el código como antes. Sin embargo, en lugar de utilizarlo directamente, el desarrollador despliega una versión editada del código generado en la plataforma de destino. En la práctica, las modificaciones necesarias se limitan principalmente a eliminar las llamadas a funciones que hacen referencia a componentes de hardware reconocidos por la herramienta TES, pero que no son necesarios en el sistema de destino. La arquitectura del SDK incluye una interfaz de capa de abstracción de hardware (HAL) entre la biblioteca ADRV9001 y el hardware de los desarrolladores, por lo que éstos sólo tienen que proporcionar código personalizado que implemente el código de interfaz HAL para su hardware específico. Como resultado, los desarrolladores pueden pasar rápidamente de la evaluación con las tarjetas de Analog Devices y la placa AMD al desarrollo para su entorno de destino personalizado.

Conclusión:

Las aplicaciones ADEF se enfrentan a retos cada vez mayores en un entorno de señales cada vez más complejo. Además de satisfacer la demanda de mayor rendimiento en una gama más amplia de frecuencias, los desarrolladores necesitan reducir el SWaP para facilitar la migración de estas aplicaciones a sistemas alimentados por pilas. Utilizando un transceptor altamente integrado de Analog Devices, los desarrolladores pueden implantar soluciones SDR para abordar con mayor eficacia estos requisitos.