Softwaredefinierte Funkgeräte auf 10 Watt optimiert

Bestimmte Anwendungen der elektronischen Kampführung (EW) und der Kommunikation erfordern den Einsatz mobiler Systeme mit geringerem Stromverbrauch für längere Betriebszeiten und mit reinen Empfängerfunktionen für die Spektralüberwachung. Dieser Artikel behandelt diese Anwendungen durch Evaluierung des Moduls ADRV9009-ZU11EG, das zwei ADRV9009-Transceiver von Analog Devices und einen Zynq UltraScale+ MPSoC ZU11EG von AMD auf einer einzigen Leiterplatte kombiniert, um ein hochintegriertes, kommerziell erhältliches System-on-Module (SOM) für Software-Defined Radio (SDR) zu schaffen. Bild 1 zeigt ein Bild des SOM.

Jeder Transceiver vom Typ ADRV9009 verfügt über zwei Sende-, zwei Empfangs- und zwei Beobachtungskanäle, so dass das SOM insgesamt vier Sendekanäle, vier Empfangskanäle und vier Beobachtungsempfängerkanäle umfasst. Das SOM ermöglicht viele verschiedene Anwendungsfälle, unter anderem die FR1-Kommunikation, die Skalierung der Kanalanzahl für MIMO-Systeme und die Minimierung der Leistungsaufnahme für den Einsatz in Anwendungen mit hohen Stromsparanforderungen. 

Der Testaufbau im Detail

Das Board ADRV2CRR-FMC ist die Trägerkarte, an die das SOM angeschlossen wird. Der EVAL-ADP-I2C-USB-Controller kann mit dem On-Board Sequencer-IC ADM1266 des SOM kommunizieren, um Spannungsschienen zu überwachen und verschiedene Spannungsparameter, wie z. B. Eingangsschwellenwerte, zu programmieren. Der Computer ermöglicht dem Benutzer die Nutzung einer umfassenden Suite von Tools zur Evaluierung des SOMs, einschließlich IIO Oscilloscope, Python-Bibliotheken und Verbindungsverifizierung über Ethernet oder UART (Bild 2). Die Wiki-Seite des SOM enthält alle notwendigen Informationen zur Evaluierung des SOM. Alle Tests und Leistungsmessungen wurden bei Raumtemperatur in einer kontrollierten Laborumgebung durchgeführt. Um die Leistungsmessungen für den Einsatz in anderen Umgebungen zu validieren, wären weitere Messungen bei anderen Temperaturen erforderlich.

Grundlegende Fähigkeiten des SOM

Das SOM arbeitet von 75 MHz bis 6 GHz und bietet eine HF-Bandbreite von 200 MHz in den Empfängern bei einer Abtastrate von 245,76 MSPS in den ADCs und bis zu 450 MHz HF-Bandbreite für die Sender und Beobachtungsempfänger bei einer Abtastrate von 491,52 MSPS in den DACs. Es sind ein Processing Subsystem (PS) und eine Programmierbare Logik mit DDR-Speicher für das Multiprozessor-System-on-Chip (MPSoC) und die Datenverarbeitung, der IC HMC7044B für die Taktung sowie zahlreiche Kommunikationsschnittstellen vorhanden. Bild 3 zeigt eine Übersicht des SOM.

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Tim Kearvell

Die Taktgeberchips unterstützen zwei Hauptbetriebsarten: Die Standard-Taktgeberarchitektur des SOM nutzt den On-Board-HMC7044B und den HMC7044B auf der Trägerkarte für die Multichip-Synchronisation (MCS). MCS ist ein Verfahren, das zur Synchronisierung der On-Board-Transceiver-Chips verwendet wird. Diese Architektur ist in Abhängigkeit von der Anzahl der kaskadierten Taktgeberchips skalierbar. Der andere Modus ist der Taktverteilungsmodus, bei dem die internen PLLs umgangen werden. Einige der Unterschiede zwischen diesen Taktmodi werden in diesem Artikel besprochen. Weitere Informationen zu den verschiedenen Betriebsmodi der HMC7044B, den MCS-Fähigkeiten des SOM und den Kompromissen bei der Verwendung der beiden Modi finden Sie darüber hinaus auf der Wiki-Seite des SOM. 

In der Standardkonfiguration mit vier Empfangs- und vier Sendekanälen und null Beobachtungskanälen bei maximalen Abtastraten und Bandbreiten und ohne Initialisierungskalibrierungen wurde die Leistungsaufnahme des SOM mit 31,5 W gemessen. Der boardeigene Power Management-IC (PMIC) ADM1177 wurde zur Messung der Leistungsaufnahme des Systems zusammen mit einem Python-Skript verwendet, das acht Messungen des PMIC mittelt, um sicherzustellen, dass keine Spitzen oder Täler die Leistungsdaten verfälschen. 

Eine Methode zur Überprüfung des Stromverbrauchs umfasste die Summierung der Leistungsaufnahme einer jeden aktiven Komponente an Bord und die Schätzung des Wirkungsgrads der einzelnen Komponenten im Stromverteilungsnetz (PDN). Bei diesem Ansatz waren einige der wichtigsten Stromverbraucher die Transceiver ADRV9009, die Taktverteilungs-Chips HMC7044B und AD9542 sowie der MPSoC und die unterstützenden Schaltkreise. Diese boten Ziele zur Reduzierung des Stromverbrauchs. Die PDN-Wirkungsgrade wurden auf Grundlage der Spannungen, der geschätzten Stromaufnahme pro Schiene und der Betriebsart des Reglers auf etwa 74 Prozent für die HF-Versorgung und 84 Prozent für die digitale Stromversorgung geschätzt. 

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Modifikationen zur Verringerung der Leistungsaufnahme

Um die Leistungsaufnahme zu minimieren, muss eine Kombination aus Hardware- und Softwareänderungen vorgenommen werden. Für grundlegende Software-Änderungen bieten IIO-fähige Tools wie das IIO-Oszilloskop-Tool von ADI die Möglichkeit, SDR-Parameter über eine grafische Benutzeroberfläche neu zu konfigurieren. Zu den Funktionen des Tools gehören das Ein- und Ausschalten von Kanälen, das Aktivieren/Deaktivieren von Initialisierungs- oder Tracking-Kalibrierungen, die Neukonfiguration von Frequenzen/Bandbreiten sowie Überwachungsfunktionen wie das Plotten von FFTs oder das Lesen/Schreiben von Registern verbundener SPI-Geräte. Die gleichen Änderungen können auch mit Python durchgeführt werden, aber aus Gründen der Einfachheit der Implementierung wurde jedoch das Tool verwendet. Für tiefgreifendere Änderungen müssen neue Software-Builds in Hardware-Beschreibungssprache (HDL) kompiliert und geladen werden. Die Konfiguration neuer Software-Builds in HDL gibt dem Benutzer die Möglichkeit, Funktionen vollständig zu deaktivieren, anstatt sie einfach abzuschalten.

Der angestrebte Anwendungsfall für das SOM war eine reine Empfangskonfiguration mit mindestens zwei Kanälen, jedoch können die in diesem Artikel beschriebenen Details zur Abschätzung des Stromverbrauchs für viele verschiedene Anwendungsfälle verwendet werden, indem die Ausgangsmessungen und die Zwischenergebnisse pro Änderung verglichen werden. Die anfängliche Konfiguration für den reinen Empfängereinsatz bestand aus vier Empfangskanälen mit einer Bandbreite von 200 MHz, wobei die ADCs mit 245,76 MSPS liefen, Tracking-Kalibrierungen aktiviert waren, Initialisierungskalibrierungen deaktiviert waren, die Beobachtungsempfänger und die Sender deaktiviert waren, wobei ihre JESD-Links in HDL vollständig entfernt wurden. Die Leistungsaufnahme des Systems wurde mit 23,4 W ermittelt. Ein Vergleich zwischen der Ausgangsmessung und dieser Konfiguration zeigt, dass die Transmitter des ADRV9009 (mit aktiviertem JESD) etwa 8 W bzw. 2 W pro Transmitter verbrauchen.

Um festzustellen, wie viel Strom mit IIO Oscilloscope eingespart werden kann, wurde einer der eingebauten ADRV9009-Transceiver mit Hilfe der Abschaltfunktion eines Empfängerpaares ausgeschaltet, so dass zwei Empfänger in Betrieb blieben. Die im Blockschaltbild gekennzeichneten ungenutzten Taktausgänge des HMC7044B wurden ebenfalls deaktiviert. Die Kombination der skizzierten Änderungen verringerte die Leistungsaufnahme des Systems auf 21,9 W. Im nächsten HDL-Build wurde einer der ADRV9009-Transceiver durch Eliminierung seiner JESD-Links vollständig deaktiviert und der andere Transceiver mit einer niedrigeren Abtastrate von 122,88 MSPS und 100 MHz instantane Bandbreite (IBW) neu konfiguriert. Bei dieser Konfiguration beträgt die Leistungsaufnahme des SOM 17,2 W.

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Unkritische Stromverbraucher ermitteln

Um den Stromverbrauch weiter zu senken, wurden unkritische Stromverbraucher für einen minimalen Betrieb des SOM ermittelt. Der minimale Betrieb des SOM setzt voraus, dass der MPSoC für die Datenverarbeitung verwendet wird. Das SOM hat zwei Sätze von DDR-Chips an Bord: PS DDR and PL DDR. PS DDR wird in den meisten Fällen verwendet und ist für den Betrieb des SOM wesentlich. Auf PL DDR wird in der Regel zugegriffen, wenn ein erheblicher Teil des PS DDR durch andere On-Board-Tasks belegt ist. Bei der minimierten Kanalkonfiguration und der niedrigeren Abtastrate wären die PL-DDR-Chips nicht erforderlich, weshalb sie in HDL deaktiviert wurden. Auch andere Peripheriekomponenten wie USB 3.0, DisplayPort und Serial Gigabit Media-independent Interface (SGMII) Ethernet-Funktionen wurden deaktiviert. Der Taktgeber-Chip AD9542 wurde ebenfalls deaktiviert. Zusätzlich wurde die Eingangsspannung des SOM auf 5 V reduziert, indem einige Änderungen an der Pin-Konfiguration des Power-ICs LTM4636 vorgenommen und die Über-/Unterspannungsschwellen in ADI Power Studio mit dem EVAL-ADP-I2C-USB neu programmiert wurden. Die Senkung der Eingangsspannung bei bestimmten Reglern kann dazu beitragen, die zusätzliche Verlustleistung zu verringern. Mit diesen Änderungen wurde eine Leistungsaufnahme des SOM von 12,8 W gemessen. 

Für Anwendungen mit strengeren Stromsparanforderungen sind erhebliche Hardwareänderungen erforderlich. Die Stromversorgungen wurden durch Änderungen der Pin-Konfiguration in den Puls-Skipping- oder Burst-Modus versetzt, was den Gesamtwirkungsgrad der Stromversorgungen bei geringerer Stromaufnahme erhöht. Die PL_DDR-Schienen auf der MPSoC-Seite wurden kurzgeschlossen, die PL-DDR-Chips und Netzteile wurden physisch entfernt, ebenso wie der AD9542, der deaktivierte ADRV9009, unbenutzte Quarze sowie die unbenutzten Low Voltage Positive Emitter-Coupled Logic (LVPECL)-Takt-Pull-Ups des HMC7044B, um sicherzustellen, dass den deaktivierten Komponenten kein Leckstrom zugeführt wurde. Die Eingangsfrequenz des HMC7044B wurde auf 245,76 MHz reduziert und für den Taktverteilungsmodus konfiguriert, um die internen PLLs zu umgehen, und die Arm-Core-Taktfrequenzen des MPSoC wurden von 1,3 GHz auf 300 MHz reduziert. Mit diesen Änderungen wurde eine Leistungsaufnahme des SOM von 10 W gemessen. Bild 4 zeigt das Blockschaltbild für den Low-Power-Betrieb des SOM.

Schlussfolgerung

Die Software- und Hardware-Rekonfigurierbarkeit des ADRV9009-ZU11EG ermöglicht den Einsatz in Anwendungen mit hohen Stromsparanforderungen. Die IIO-basierten Bibliotheken von ADI oder Tools wie IIO Oscilloscope können zur Evaluierung der Leistungsaufnahme des SOMs mit einer benutzerfreundlichen Schnittstelle und minimalem Aufwand eingesetzt werden. Die Optimierung des PDN-Wirkungsgrads auf dem SOM durch Herabsetzung der Eingangsspannungsschwelle und Änderung der Betriebsmodi der integrierten Leistungs-ICs kann den Gesamtwirkungsgrad erhöhen. Eine Neukonfiguration der HDL zur Reduzierung von Abtastraten und Betriebsbandbreiten sowie die Deaktivierung ungenutzter Funktionen oder Peripheriegeräte führt zu einer weiteren Reduzierung der Leistungsaufnahme, ohne dass Hardwareänderungen erforderlich sind. Für Anwendungen, bei denen der Stromverbrauch unbedingt minimiert werden muss, kann eine Kombination der oben beschriebenen Änderungen mit erheblichen Hardwaremodifikationen vorgenommen werden, um eine stark reduzierte Leistungsaufnahme zu erreichen, und zwar auf Kosten der meisten zusätzlichen SOM-spezifischen Funktionen, wie z. B. die Skalierbarkeit der On-Board-Kanalanzahl. (na)