חזית אנלוגית רב-פסית מביאה את הרדיו-על-שבב קרוב יותר למציאות

Duncan Bosworth, Analog Devices

בעקבות השחרור הכללי של שבב חזית (front-end) הרדיו המיתכנת AD9361 של Analog Devices  באוקטובר 2013, ,Duncan Bosworth מבכירי החברה, מוסיף פירוט על המעגל המשולב ועל הרקע של יישומים בהם ניתן להשתמש בו; המעגל RF המשולב מאוד בעל האות-המעורב (mixed-signal) הופך את תכנוני ה-SDR רחבי-הפס לקטנים יותר, קלים יותר וצורכים פחות הספק.

הריבוי של מכשירי רדיו שונים, לא מתאימים הוא בעיה רצינית בנסיבות צבאיות ושל חלל, בהם צוות מסוים עשוי להזדקק ליחידות עבור קשרים אוויריים, תקשורות לוויינים, תחנת ממסר בבסיס ומשדר חרום, כמו גם תפקידים ספציפיים-ליישום כמו הפעלת מל”טים. כל אחד מערוצי רדיו אלה משמש למטרה חיונית, והתעלמות מאחד המרכיבים עשויה לשלול משאב חיוני מצוות תפעול. אולם כל רדיו יוצר עלות בצורכי הממד, המשקל והסוללות הרזרביות. הבעיה מסובכת עוד יותר בשעה שמוסיפים לרשימה דרישות וערוצים חדשים.

הפיתרון ברור, לפחות על הנייר: מודול רדיו אוניברסלי, דו-כיווני מלא שיכול לשמש בכל הפלטפורמות ולהיות מעוצב מחדש בשדה כנדרש. משימת הרדיו-היחיד תפחית את העומס, תספק גמישות ורב-צדדיות; תהיה יעילה ותספק בכך חיי פעולה ארוכים יותר מתוך ערכת סוללות יחידה, ותספק בכך יתרונות גודל, משקל, הספק SWaP – size, weight, power)). זו הייתה הנחת היסוד של תכניות כגון ה-JTRS (Joint Tactical Radio System) ומאמצי הרדיו המוגדר-בתוכנה (soft-defined radio – SDR).

אולם הפיכת מושג הרדיו האוניברסאלי למציאות הוכחה כיותר קשה מאשר נחזה מראש. בשעה שחוק Moore הוביל את זמינות המעבדים בעלי ביצועים גבוהים והספק נמוך (כולל יישומים ב-FPGAs) הדרושים, השגת החזית המשולבת המתאימה (Analogue Front End   AFE) הייתה הרבה יותר קשה. הדרישות של הגוף פונקציונלי זה המונח בין האנטנה והמעבד ומהווה ממשק בין העולם הממשי והעולם הדיגיטלי הן מורכבות, שונות ומחמירות.

עד לא מזמן, AFE מעשי עבור סוג זה של רדיו רב-צדדי זה דרש מערך של ערוצים מקבילים חופפים, כל אחד מתוכנן לכסות קטע מסוים של ספקטרום ה-RF ובעל רוחב-פס התואם לפורמט של האות המתוכנן. גישה זו, אם כי אפשרית, היא יקרה במונחים של גודל השטח הסופי של הכרטיס, משקל, הספק ועלות דולרית.

פיתרון AFE שבב-יחיד בעל ביצועים גבוהים

שבב RF חדש זמין ועונה לדרישות SDR המאתגרות ומביא את מושג ה-SDR קרוב יותר למציאות. ה-Agile Transceiver RF AD9361 של Analogue Devices הוא חזית רחבת-פס, מיתכנתת התומכת בערוצי מקמ”ש כפולים עצמאיים, לשם שימוש בקטע הרב-מבואי, רב-מוצאי MIMO)) העולה במהירות כמו גם בצרכים הלא-MIMO. מעבד המערכת יכול לעצב מחדש באופן דינמי פרמטרי-מפתח (כגון רוחב-פס ותדר RF) כדי להתאים את צורכי יישום זה ולספק בכך תוצאות מיטביות. ההתקן כולל גם תכונות לתמיכה בפרוטוקולי תדר גמיש.

להתקן בקנה-מידה של שבב 10 10 ממ’ זה, איור 1, יש רוחב-פס הניתן לכיוון מ-200 קילו-הרץ עד 56 מגה-הרץ ביחד עם תכונות וביצועים הדרושים כדי לבנות שרשרת אותות המשתרעת מ-70 מגה-הרץ עד 6 גיגה-הרץ. השימוש ברכיב בהמרה ישירה 2 2 מקטין את כל ה-AFE  למעגל יחיד, פשוט יחסית. הוא ממשק עם המעבד המארח דרך פיתחת LVDS או CMOS לשם מהירות ופשטות. בתוך ה-IC נמצאים ממירי A/D ו-D/A, מסנתזי-N של שברים, מסננים דיגיטליים ואנלוגיים, AGC (automatic gain control), ניטור הספק שידור, תיקון ניצב (quadrature) ופונקציות קריטיות נוספות.

 ביחד עם רמת השילוב גבוהה שלו, ביצועי ה-RF, האנלוגי ושל אות-מעורב כוללים ספרת רעש של המקלט של פחות מ-2.5 dB, בעוד ה-EVM (error vector magnitude) הוא יותר טוב מ-40dB- ורצפת הרעש של המשדר היא פחות מ–157dBm/Hz. עבור מסלולי השידור והקליטה גם יחד, גודל הצעד של המתנד המקומי הוא 2.5 הרץ לשם כוונון מדויק. למרות הפעולות הרבות בתוך ה-IC, צריכת ההספק היא נמוכה, לרוב מסביב ל-1 ואט.

תכנון מערכת היא יותר מ-IC

מאחר שתכנון מורכב כמו הSDR הגמיש ורחב-הפס מחייב מאמץ תכנון מעגלים ניכר ביחד עם פיתוח אלגוריתמים ופשרות, ה-AD9361 כולל תכנון ייחוס זמין המיוטב עבור שימוש ב- FPGAs של Xilinx. הכרטיס AD-FMCOMMS2-EBZ FMC (כרטיס מזאנין FPGA) של Analog Devices מחובר לכרטיס המארח של Xilinx דרך מחבר FMC יחיד, המספק הספק ורוחב-פס כדי לתמוך ב-AD9361 בעיצוב של 2 2 ערוצים (איור 2). הכרטיס ניתן להתאמה ללקוח בתוכנה ללא כל שינויים בחומרה ומספק אופציות נוספות עבור עיצובי MIMO שונים.

תכנון הייחוס כולל סכמות, סידור רכיבים, BOM, HDL מזיני Linux ותוכנת יישומים, שהם כל הפרטים החשובים הדרושים כדי לאמת ביצועים ולבנות אב-טיפוס מערכת במהירות. בנוסף לתוכנה וקושחה ברמה נמוכה, למשתמשים ניתנת יכולת להשתמש בתמיכת Simulink ו-MATIab, המאפשרת פיתוח קודים וכוונון של האלגוריתמים והביצועים של הרדיו.

מאחר שה-IC הקטן, הגמיש ובעל ביצועים גבוהים מחליף כמות ניכרת של מעגלים דיסקרטיים, ניתן לחשוב שעבר זמנו של הצורך בתכנונים דיסקרטיים כאלה. הדבר איננו בהכרח כך, מאחר שתכנון AFE דיסקרטי מתוכנן היטב, מנופה בקפידה ומסודר נכון עבור קטע, פורמט ורוחב-פס נתון  של הטווח הכולל של ה-SDR עשוי לעבור בביצועים את ה-IC AD9631 בקטע ספציפי זה אם כי בגודל שטח גדול יותר.

אולם האתגר האמיתי הוא האופי רחב-הפס ביותר של ה-AFE בSDR-, הדורש חזיתות ספציפיות-לספקטרום רבות, כאשר כל אחת מהן מהווה אתגר גדול לתכנון ואומדן, ואילו המוצר הסופי ייחשב ללא-מתאים בדירוג ה-SWaP. לכן הפשרה נוטה מאוד לטובת ה-IC AD9361, עם ביצועי RF יותר ממספיקים עבור רוב המצבים, ועם הרבה פחות ליקויים.

המקמ”ש הגמיש AD9361 RF של Analog Devices איננו IC עתידי הנתמך על-ידי תקוות גדולות ודף נתונים אופטימי. ה-IC הוא אמיתי, כרטיס ה-FMC והכלים הם אמיתיים, והם כבר תוכננו לשני מוצרי SDR זמינים, ה-Universal Software Radio Peripheral (USRP) של Ettus Research (hhtp://www.etus.com) והמקמ”ש RF רב-הערוצים Maveriq  הניתן לעיצוב מחדש של ) Epiq Solutions http://www.epiqsolutions.com(.

אם מהנדסי המערכת יעדיפו לבצע את התכנון והפיתוח של ה-SDR שלהם תוך שימוש ב-FMC  של Analog Devices, או בעזרת SDR זמין מסחרית בתור פלטפורמה, זיווד המוצר והביצועים הכלליים המבוססים על ה-AD9361 יעניקו להם נקודת זינוק משמעותית.

על המחבר

Duncan Bosworth הוא Segment Marketing Engineer for the Aerospace and Defense Segment של Analog Devices. הוא נצמא באתר החברה ב-Wilmington, MA, USA

תגובות סגורות