Der AD9361 SDR für heute und morgen

Die hochintegrierten Lösungen von heute haben die kühnsten Träume der Erfinder einer Technologie übertroffen, die als militärisches Programm zur Bereitstellung einer eigenständigen Multi-Protokoll-Funkarchitektur mit breitem Spektrum begann. Obwohl ein Software-definierter Funk damals eine theoretische Angelegenheit war, wurden Technologien und Verfahren entwickelt, die ihn durch die Vereinfachung von Hardware, Einführung neuer Funktionen und Unterstützung mehrerer Modulationsverfahren zu einer praktischen Strategie machen.Dazu gehört die Aktualisierung auf neue Methoden, sobald diese verfügbar sind. Heute ist SDR kostengünstig, hochintegriert und flexibel – und damit weit entfernt von den sperrigen und kostspieligen diskreten Designs der Vergangenheit. Dank der Fortschritte, zu denen auch die revolutionäre Fähigkeit des AD9361 und des AD9364 – die Single-Chip-RF Agile Transceiver von Analog Devices – zählt, kann SDR jetzt auch den Anspruch auf Hochleistung erheben. Über all dies hinaus hat Analog Devices Anstrengungen unternommen, die Technologie für Konstrukteure mit einem kompletten Ökosystem für Hardware und Software basierend auf gut dokumentierten, einfach zu handhabenden Referenzdesigns zugänglich zu machen.

Als eine Idee vor ihrer Zeit weist SDR eine reiche Geschichte auf, an deren Anfang im Jahr 1970 die Erfindung eines digitalen Empfängers stand. Aufgrund großer technischer Herausforderungen war es mühsam, die Dynamik gegenüber dem schnellen Wandel bei modernen drahtlosen Systemen beizubehalten. Der Traum eines Universalfunks wurde in den 90er Jahren durch die DARPA-Behörde des US-Verteidigungsministeriums für Forschungsprojekte in die Realität umgesetzt, und zwar durch das Bestreben, militärische Kommunikation zukunftssicher zu machen und Interoperabilität zu fördern. Dies kulminierte in dem mehrere Milliarden US-Dollar schweren US- Verteidigungsprogramm, bekannt unter der Bezeichnung Joint Tactical Radio System (JTRS), und einer Abstraktionsschicht mit der Bezeichnung Software Communications Architecture (SCA). Dieses ehrgeizige Projekt scheiterte zwar nach über einem Jahrzehnt an Forschung und Entwicklung, führte jedoch zu enormen Fortschritten bei der zugrunde liegenden Technologie. Trotz dieser Fortschritte konnte SDR aufgrund von Systemkosten, Größe und Leistungsaufnahme im kommerziellen Produktbereich nicht wirklich Fuß fassen. SDR blieb eine militärische und infrastrukturorientierte Technologie – bis neue Innovationen, darunter der AD9361, ihn zu einer praxistauglichen und kostengünstigen Realität machten.

Abbildung 1: Der Agile Transceiver AD9361

Der Wendepunkt für die Verwendung von SDR in kommerziellen Kommunikationsprodukten waren das Aufkommen kostengünstiger Digitalsignalprozessoren (DSP) sowie Fortschritte bei der analogen Integration und der HF-Integration im CMOS-Prozess. Diese Innovationen ermöglichten die Digitalisierung von Zwischenfrequenz (ZF)- und Basisband-Subsystemen in Mobilfunksystemen der zweiten Generation. Durch die Digitalisierung wurden Elemente einer Funkarchitektur in einen dem Mooreschen Gesetz entsprechenden Entwicklungsverlauf gesetzt. Komplexe algorithmische Funktionen wie Fehlerkorrektur, erweiterte Modulationsverfahren, effiziente Methoden der Datenkodierung sowie Kanalentzerrung wurden bei fortschreitender Verarbeitungsleistung schnell eingeführt. Steigerungen der Verarbeitungsfähigkeit und Verbesserungen bei der neu konfigurierbaren Logik haben dazu geführt, dass diese Elemente zu weichen Implementierungen wurden, die aktualisiert und geändert werden können. Der AD9361 ist aufgrund seiner hochflexiblen Konfigurierbarkeit, bequemen CMOS- oder LVDS-Schnittstellen und der Unterstützung von bewährten Linux-Treibern für diese digitalen Plattformen ideal geeignet.  

Adaptiver Funk und kognitiver Funk sind die neuesten Fortschritte im SDR-Bereich. Dabei handelt es sich um zwei ähnliche Konzepte, die den AD9361 benötigen, um die gewünschte Leistung und Integration zu erreichen. Funkgeräte passen die Transceiver-Konfiguration im Hinblick auf Wellenform, Protokoll, Frequenz und Netzwerke an, um das verfügbare Spektrum optimal zu nutzen anstatt ein festes Frequenzband oder Protokoll zur Verwendung zugewiesen zu bekommen. Durch den Standortwechsel eines Geräts ändert sich seine Umgebung und die HF-Verbindung reagiert darauf dynamisch, indem sie versucht, den besten, sofort verfügbaren Dienst optimal zu nutzen. Dies kann durch das breite Frequenzband und die Modulationsbandbreiten des AD9361 ermöglicht werden. Einige Vorschläge in Zusammenhang mit intelligentem Funk beinhalten adaptive vermaschte Netze, andere wiederum schlagen die Verwendung von OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) vor, um ungenutztes Spektrum durch einen Ansatz von Spektrum-Pooling zu nutzen. Die endgültige Richtung der nächsten Generation wird derzeit noch definiert. Wenn jedoch kognitiver Breitbandfunk allgemein angewendet wird, wird dies die drahtlose Kommunikation revolutionieren. Ungeachtet der endgültigen Richtung stellen sich für alle potenziellen Strategien die gleichen Herausforderungen im Hinblick auf Flexibilität und Leistung, die mit dem AD9361 erreicht werden kann.

Trotz der Fortschritte bei der digitalen Verarbeitung benötigen Transceiver nach wie vor Hochleistungs-HF-Analogstufen für Frontend-Verstärkung, Filterung, Frequenzerzeugung und Abwärtswandlung. Die Schwierigkeit der Integration von HF-Funktionalität mit ausreichender Leistung und Flexibilität war eine grundlegende Einschränkung für SDR. Versuche, die HF-Elemente zu integrieren, führten zu Kompromissen bezüglich Empfindlichkeit, Selektivität, Linearität und Isolation aufgrund von Einschränkungen bei der zugrundeliegenden Halbleiterleistung. Dadurch setzte sich in der Branche die allgemeine Überzeugung fest, dass Erhöhungen der Flexibilität und Integration nur auf Kosten von Leistung und Funktionalität erreichbar seien. Der AD9361 von Analog Devices änderte dieses Paradigma mit einer Leistung, die Spezifikationen wie 4G LTE entspricht. Er ermöglicht Konstrukteuren bahnbrechende Reduzierungen der Größe und Anzahl von Komponenten ohne die erwarteten Kompromisse im Hinblick auf die Leistung. Er ist vollständig konfigurierbar und skalierbar – und kann synchron in Multi-Chip-Systemen für erweiterte Eigenschaften eingesetzt werden. Das Ergebnis dieses hohen Grads an Flexibilität und Integration besteht in einer verbesserten Markteinführungszeit sowie reduzierter Leistungsaufnahme und Platzersparnis auf der Platine. Zu den Zielanwendungen gehören P2P-Kommunikationssysteme, Femtocell-/Picocell-/Microcell-Basisstationen, Funksysteme für allgemeine Zwecke, kognitiver Breitbandfunk und MIMO (Multiple Input Multiple Output). Zu den wichtigsten Hardware-Eigenschaften gehören:

•    Zwei vollkommen unabhängige Transceiver mit separaten Signalpfaden, die in einer 2x2 Ein-Chip-Konfiguration verwendet werden können, oder in 4x4, 8x8 bzw. größeren Systemen für Anwendungen wie Beamforming und MIMO synchronisiert werden können. Jeder Empfänger umfasst bis zu 3 differenzielle/6 unsymmetrische Eingänge. Der Agile Transceiver AD9364 ist eine Einzeltransceiver-Version des AD9361.
•    Zwei integrierte unabhängige lokale Oszillatoren (LO), die den Betrieb des Transceivers im FDD-Modus (Frequency Division Duplex, Frequenzmultiplex) oder im TDD-Modus (Time Division Duplex, Zeitmultiplex) ermöglichen. Integrierter Fractional-n-Synthesizer, der eine Abstimmungsauflösung der Frequenz von 2,5 Hz unterstützt.
•    Frequenzbereich (70 MHz bis 6000 MHz)
•    Softwarekonfigurierbare Abtastraten von 547 kSPS* bis 61,44 MSPS mit On-Chip-12-Bit-A/D-Wandlern.
•    Integrierte AGC, Gleichspannungsoffset-Korrektur und Quadratur-Korrektur.
•    Ausgezeichnete Empfängerrauschzahl (2 dB bei 800-MHz-LO).
•    Hervorragendes Sender-Grundrauschen (-157 dBm/Hz).
•    CMOS- und LVDS-Schnittstellenoptionen für den bequemen Anschluss an Basisbandprozessor.

*Diese Angabe wird derzeit überprüft

Abbildung 2: Evaluationsplatinen für den AD9361

(a)    Platine AD-FMCOMMS2-EZB von Analog Devices

 
(b)    Platine ARRADIO von Arrow Electronics

Die AD9361 ist in ein komplettes Ökosystem eingebunden, um die schnelle Evaluierung des AD9361 und die Entwicklung von SDR-Produkten zu ermöglichen. Dies ist eine wirklich revolutionäre Möglichkeit zur Entwicklung von Kommunikationssystemen, da die Notwendigkeit der Upfront-Entwicklung eines funktionsfähigen Hardware-Prototyps und von Softwaretreibern entfällt. Das Entwicklungsteam kann sich dadurch auf die Differenzierungseigenschaften des Designs konzentrieren und die zugrundeliegende Architektur außer Acht lassen. Das SDK bietet umfassende Softwareunterstützung und Simulationsmodellierung. Mit einer Simulationsumgebung für den AD9361 basierend auf der MathWorks SimRF-Toolbox verfügt Analog Devices über eine lange Geschichte im HF- und SDR-Bereich. Wenn auch nicht speziell für den AD9361, verfügt Analog Devices über zahlreiche technische Referenzen in Verbindung mit SDR, , wie z. B. Verfahren zur Maximierung des Empfänger-Dynamikbereichs. Diese Referenzen erläutern wichtige Berechnungen im Zusammenhang mit SDR, wie z. B. die A/D-W-Rauschzahl (NF) und das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) als Funktion von Takt-Jitter. Der AD9361 wird außerdem direkt von einem Wiki von Analog Devices unterstützt, das alles enthält, von Treiber-Quellcode bis hin zu schrittweisen Anleitungen für die Dokumentation mit Arbeitsbeispielen zur Evaluierung von Leiterplatten. Unter dem Software-Aspekt weisen der AD9361 und der AD9364 u. a. folgende Geräte- und Ökosystemeigenschaften auf:

•    Leicht konfigurierbar mit Software-Befehlen – Ausgesprochen benutzerfreundlich.
•    Komplettes Ökosystem für die Transceiver-Entwicklung – Suite umfasst Linux-Benutzeranwendung, Linux- und Bare-Metal-/No-OS-Gerätetreiber und Referenzhardware sind verfügbar, um das Design zu vereinfachen.
•    Das Hardware-Referenzdesignsystem ARRadio von Arrow ist verfügbar. Eine HSMC-Mezzanine-Karte, kompatibel mit dem kostengünstigen SoCKit-Entwicklungskit basierend auf Cyclone V SOC Dual ARM Cortex-A9s.
•    Das AD-FMCOMMS2 – EZB EMC-Hardware-Referenzdesign ist verfügbar. Eine FMC-Mezzanine-Karte, die mit den FMC-basierten Trägerkarten kompatibel ist.
•    Das SDK umfasst agnostische FMC-Steckverbinder für den einfachen Anschluss an ein Basisband-Verarbeitungssystem.
•    Das SDK umfasst eine Benutzeranwendung und ein Referenzdesign für die Generierung von DDS für Dauertöne für Testausgaben sowie für die direkte Übertragung aus Streaming-Dateien und für die Erfassung von Empfängerausgaben für die Anzeige am Bildschirm.
•    Linux IIO (Industrial input output)-Oszilloskop-Anwendung. Siehe Empfängerinformationen in Zeitdomäne, Konstellation und Spektrum FFT. Erlaubt Low-Level-Peak und -Poke von Registern im AD9361 aufgrund seiner Debug-Option.
•    Veränderung von Geräteeigenschaften dank Linux durch einfache Dateiöffnungs-, Schreib-, Lese- und Schließvorgänge.
•    Ein überprüftes Matlab Simulink SimRF-Modell ist verfügbar zur genauen Darstellung von Transceiver-Rauschen und Nichtlinearitäten bei verschiedenen Leistungspegeln und Frequenzen. Diese können zum Prognostizieren der Designleistung und Optimieren von Einstellungen in einer virtuellen Umgebung für eine enge Approximation an die tatsächliche Hardware verwendet werden. Die MathWorks Instrument Control-Toolbox™ kann HF-Messungen automatisieren und eine Verbindung zu Spektrumanalysatoren und Signalgeneratoren herstellen, um das Bauelement mithilfe der Referenzhardware zu prüfen.

Abbildung 3: Evaluierungssysteme AD-FMCOMMS2 und ARRadio

Der AD9361 SDR-Signalpfad

Dual-Empfänger-Abschnitte wandeln HF-Signale vor der Weiterleitung an den Basisbandprozessor (BBP) in digitale Daten um. Zwei unabhängige Kanäle ermöglichen MIMO (Multiple Input, Multiple Output)-Systeme bei gleichzeitiger gemeinsamer Nutzung eines Frequenzsynthesizers. Drei Eingänge können pro Empfänger gemultiplext werden, sodass der AD9361 in Systemen mit Empfänger-Vielfalt verwendet werden kann, die mehr als eine Antenne erfordern. Der Direktmischempfänger liest Daten von der Antenne ein und überträgt sie an den rauscharmen Verstärker (LNA). Darauf folgen abgestimmte Quadratur-Verstärker und Mischerelemente. Bandpassfilter modellieren Signale und entfernen das Alias-Spektrum bei der Dezimierung von HF herunter auf das Basisband. Wenn zusätzliche Verstärkung oder Selektivität erforderlich ist, kann ein externer rauscharmer Verstärker (LNA) oder Filter dem Gerät vorgeschaltet werden. Die automatische Verstärkungssteuerung (Automatic Gain Control, AGC) kann Signalpegel automatisch oder durch BBP-Steuerung anpassen. RSSI (Received Signal Strength Indication), Gleichstromoffset-Nachverfolgung und zur Selbstkalibrierung erforderliche Schaltungen sind ebenfalls integriert. Die Abtastraten der 12-Bit-A/D-Wandler können eingestellt werden. Digitalisierte Signale können durch eine Reihe von Filtern und einen 128-Tap FIR-Filter noch weiter dezimiert werden. Die dualen Direktmisch-Sender empfangen digitale Daten vom BBP, wo sie durch einen programmierbaren 128-Tap FIR-Filter und eine Reihe von Interpolationsfiltern interpoliert werden. Ein 12-Bit-D/A-Wandler mit einstellbarer Abtastrate wandelt das digitale Signal in ein analoges Signal um. Die resultierenden Quadratur-Kanäle werden durch Mischer auf HF aufwärtskonvertiert. Die Quadratur-Signale werden kombiniert und zur Modellierung durch Bandpassfilter geleitet. Das HF-Signal wird zur Übertragung an den Ausgangsverstärker gesendet. Jeder Kanal verfügt über einstellbare Dämpfungsglieder, Selbstkalibrierung in Echtzeit und einen Tx-Strommonitor

Kognitiver Funk – Militärischer SDR heute und in der Zukunft

Soldaten verwenden derzeit JTSR-SDR-Funkgeräte wie das AN/PRC-154 Rifleman von Thales.

Dabei handelt es sich um intelligente Funkgeräte, die simultane Ad-hoc-Netze für Sprache und Daten selbst aufbauen und reparieren können sowie über Software-definierte Funktionen für Aktualisierbarkeit und Interoperabilität verfügen. Außerdem können sie als Repeater für andere Funkgeräte dienen. Militärische SDR-Funkgeräte können eine Vielzahl von Protokollen verwenden und zwischen militärischen und zivilen Organisationen eingesetzt werden. In der Zukunft wird SDR-Fähigkeit der militärischen Kommunikation die dynamische Anpassung an überlastete und gestörte spektrale Umgebungen ermöglichen und Verbesserungen der Effizienz und der Bandbreite bringen, indem die beste verfügbare Verbindung genutzt wird – kognitiver Funk. Die beste Verbindung könnte die Nutzung eines aktuell ungenutzten Spektrums sein – eine sich dynamisch ändernde Situation. Wie bei Mobilfunknetzen und schmalbandigen Bündelfunksystemen können zivile Verteidigungs- und Regierungsbehörden Benutzer aus dem System aussperren, um den Betrieb sicherzustellen. In Zeiten des zivilen Verteidigungsfalls ist dies von entscheidender Wichtigkeit. Militärische kognitive Funkgeräte können das Spektrum nicht nur passiv nutzen – sie können das Spektrum auf aggressive Weise belegen, wenn dies erforderlich ist. Die Art und Weise, wie ein kognitives Funkgerät mit seiner spektralen Umgebung interagiert, wird als Etikette bezeichnet.

Durch Optimierung der Breitbandkonnektivität bietet SDR erhebliche Vorteile im Hinblick auf das Situationsbewusstsein. Ein weiterer wichtiger Bereich, der militärische Bereich, sieht in der Umsetzung von SDR insbesondere die Möglichkeiten zur Aktualisierung und Aufrüstung. Die Fähigkeit, Funkgeräte mit den neuesten Entwicklungen in den Bereichen Codierung, Funktionalität und Datenbanken aktualisieren zu können, versetzt das System in die Lage, sich an neue Anforderungen und Möglichkeiten anpassen zu können. Dies müsste auch zu einer Verlängerung der Lebenserwartung des Funksystems führen. Das Militär betrachtet den kognitiven Funk als Erweiterung seines als OODA-Schleife bezeichneten Prozesses – Observe (Beobachten), Orient (Orientieren), Decide (Entscheiden) und Act (Handeln). Sie sind integraler Bestandteil dieses Prozesses.

Der Trend beim Militär geht hin zum Konzept eines taktischen Mobiltelefons, da die Eigenschaften in Verbindung mit moderner drahtloser Netzwerkkonnektivität für die Kommunikation an der Front immer wichtiger werden. Wie bei jeder Infanterieausrüstung besteht ein erheblicher Druck zur Reduzierung von Gewicht und Größe bei gleichzeitiger Verlängerung der Batterielebensdauer. Dadurch werden höhere Stufen der Integration erforderlich. Diesen Anforderungen kann durch SDR-Transceiver basierend auf dem AD9361 entsprochen werden. Das zukünftige taktische Mobiltelefon erfordert kognitive Funkfähigkeit – möglicherweise soll es sogar ein intelligentes Funkgerät mit integriertem Rechner sein, der lernt, die Leistung dynamisch zu optimieren. Wie bei der Verbraucherelektronik müssen auch Soldaten mit zahlreichen vernetzten Geräte wie Tablet PCs, Laptops und Kameras ausgestattet werden. Intelligente Fahrzeuge, Flugzeuge und autonome Systeme wie Drohnen und Roboter, ja selbst Exoskelette, können eines Tages kognitive (und damit SDR-) Funkfähigkeit erfordern, um Interoperabilität und Vernetzung an der Front zu erreichen. Derzeit werden Forschungsarbeiten durchgeführt, um militärische SDR-Funkgeräte mit der Fähigkeit auszustatten, elektronische Gegenmaßnahmen, wie z. B. elektronische Störungen, durchzuführen. Außerdem wird nach Möglichkeiten zum Hinzufügen von Steuerungsverbindungen für die Roboter- und Sensordatenüberwachung gesucht. Die Sensorüberwachung des Hintergrunds durch kognitive Funknetzwerke kann dynamische Geländedaten für chemische, biologische Pegel oder sogar Strahlungspegel liefern und ein besseres Gesamtbild der Front ermöglichen.

Fazit

Angesichts des wachsenden Bedarfs an intelligenteren Geräten, die begrenztes und überlastetes Spektrum besser nutzen, ist SDR in einer schnellen Entwicklung begriffen. Der AD9361 und seine kostengünstigere Variante, der AD9364, sind ideal aufgestellt, um die Anforderungen der aktuellen und der nächsten Generation von SDR zu erfüllen. Der AD9361 ist eine hervorragende Komponentenlösung für kognitive Funksysteme. Durch seinen hohen Grad an Integration und Flexibilität lassen sich Reduzierungen der Komponentenanzahl, der Größe und der Leistungsaufnahme erreichen. Dank eines umfangreichen und einfach zu handhabenden Entwicklungskits und gut dokumentierten Referenzdesigns war die Entwicklung von Transceiver-Produkten noch nie einfacher. Es sind Hardware-Referenzdesigns verfügbar, die mit Xilinx- und mit Altera FPGA-SOC-Entwicklungskits kompatibel sind. Dies eröffnet einen schnellen Entwicklungspfad für HF sowie BBP basierend auf kostengünstigen FPGA-basierten SOCs, die mit Dual ARM Cortex-A9 ausgestattet sind. Bewährte Linux-Treiber vervollständigen die Design-Suite und vereinfachen den Software-Entwicklungsprozess.