Auf einen Blick

Der HF Agile Transceiver AD9361 ist nicht nur ein weiterer IC, der auf den Markt kommt, große Hoffnungen schürt und mit optimistischen Datenblättern angeboten wird. Der IC ist real. Das FMC-Board und die Tools sind real. Und das Bauteil befindet sich bereits in zwei SDR-Produkten – dem Universal Software Radio Peripheral (USRP) von Ettus Research und dem Maveriq Multichannel Reconfigurable RF Transceiver von Epiq Solutions – im Einsatz.

Die Verbreitung unterschiedlicher und inkompatibler Funksysteme ist ein ernsthaftes Problem im Militär- und Luftfahrtbereich, in denen ein Team möglicherweise Einheiten für luftgestützte Verbindungen (Airborne Links), Satellitenkommunikation, Basis-Vermittlungsstationen und Notfall-Transmitter sowie für anwendungsspezifische Aufgaben wie UAV-Operation braucht. Jede dieser Funkverbindungen ist lebenswichtig. Beim Ausfall einer der Einheiten würde sich dies nachteilig auf das operative Team auswirken. Jedes Funksystem benötigt jedoch Platz, verursacht ein Zusatzgewicht und verlangt, dass Ersatzbatterien vorgehalten werden. Das Problem wird noch größer, sobald neue Anforderungen und Verbindungen auf die Liste der Eigenschaften kommen.

Die Lösung ist einfach – zumindest theoretisch. Ein universelles Voll-Duplex-Funkmodul, welches sich in allen eingesetzten Plattformen nutzen und im Feld dynamisch rekonfigurieren lässt. Die angestrebte „Ein-Funksystem“-Lösung würde das Gewicht verringern sowie für Flexibilität, universelle Einsatzmöglichkeiten und Effizienz sorgen. Dadurch ließe sich mit nur einem Satz an Batterien die Betriebszeit verlängern. Auch würde man von beachtlichen Vorteilen hinsichtlich Platzbedarf, Gewicht und Energieverbrauch (SWaP) profitieren. Dies war die Grundlage von Programmen wie JTRS (Joint Tactical Radio System) und Software-defined Radio (SDR).

Die Umsetzung des „universellen“ Funkkonzepts in die Realität hat sich als schwieriger herausgestellt als ursprünglich angenommen. Während das Moore‘sche Gesetz die Verfügbarkeit der erforderlichen Mikroprozessoren (einschließlich FPGAs) mit hoher Leistungsfähigkeit und geringem Energieverbrauch getrieben hat, gestaltete sich die Realisierung der geeigneten analogen Eingangsstufe (AFE) als wesentlich schwieriger. Die Anforderungen an diesen Funktionsblock, der sich zwischen Antenne und Prozessor befindet und die Schnittstelle zwischen der Welt der realen Signale und der digitalen Welt repräsentiert, sind komplex, unterschiedlich und anspruchsvoll.

Bis vor kurzem benötigte man für das AFE eines solchen universell einsetzbaren Funksystems ein Array sich überlappender, paralleler Kanäle, die alle für ein bestimmtes Segment des HF-Spektrums optimiert sind und eine zum jeweiligen Signalformat passende Bandbreite aufweisen. Dieses Konzept ist zwar machbar, jedoch teuer. Außerdem benötigt man viel Platz auf der Leiterplatte und muss ein höheres Gewicht sowie einen erhöhten Energieverbrauch in Kauf nehmen.

Eine leistungsfähige Ein-Chip AFE-Lösung

Glücklicherweise gibt es einen HF-IC, der die großen SDR-Herausforderungen adressiert und das SDR-Konzept näher an die Realität bringt. Beim RF Agile Transceiver AD9361 von Analog Devices handelt es sich um ein breitbandiges, programmierbares Front-End mit zwei unabhängigen Transceiver-Kanälen. Das Bauteil eignet sich somit für das schnell wachsende MIMO-Marktsegment (Multiple-Input, Multiple-Output) sowie für Systeme ohne MIMO-Anforderungen. Der Systemprozessor kann Schlüsselparameter wie Bandbreite und HF-Frequenz entsprechend der Anwendung dynamisch rekonfigurieren. Somit lassen sich optimale Ergebnisse erzielen. Das Bauteil verfügt auch über Funktionen zur Unterstützung von frequenzagilen Protokollen.

Bild 1: Beim AD9361 von Analog Devices handelt es sich um einen 2 × 2 Direct-Conversion Transceiver-IC für 70 MHz bis 6 GHz. Das Bauteil bietet eine vom Anwender einstellbare Bandbreite von 200 kHz bis 56 MHz und 12-Bit-Wandlerauflösung.

Bild 1: Beim AD9361 von Analog Devices handelt es sich um einen 2 × 2 Direct-Conversion Transceiver-IC für 70 MHz bis 6 GHz. Das Bauteil bietet eine vom Anwender einstellbare Bandbreite von 200 kHz bis 56 MHz und 12-Bit-Wandlerauflösung. Analog Devices

Bei dem 10 mm × 10 mm großen Chip-Scale-Bauteil (Bild 1) kann der Anwender eine Bandbreite von 200 kHz bis 56 MHz einstellen. Außerdem weist der Chip Funktionen und Leistungseigenschaften auf, die man zur Realisierung einer Signalkette mit 70 MHz bis 6 GHz braucht. Der Einsatz dieses 2 x 2 Direct-Conversion-Bauteils reduziert das gesamte AFE auf eine einzige, relativ einfache Schaltung. Das Bauteil wird über eine LVDS- oder CMOS-Schnittstelle an den Host-Prozessor angeschlossen. Auf dem Chip befinden sich 12 Bit auflösende A/D- und D/A-Wandler, Fractional-N-Synthesizer, Digital- und Analogfilter, AGC (Automatic Gain Control), eine Funktion zum Überwachen der Übertragungsleistung (Transmit Power Monitoring), Quadratur-Korrektur und andere wichtige Funktionen.

Neben seiner hohen Integrationsdichte weist das Bauteil eine beeindruckende HF-, Analog- und Mixed-Signal-Leistungsfähigkeit auf. So beträgt zum Beispiel das Rauschen auf der Empfangsseite weniger als 2,5 dB, während die Transmitter EVM (Error Vector Magnitude) besser als -40 dB und das Transmitter-Grundrauschen unter -157 dBm/Hz ist. Für den Übertragungs- und Empfangspfad beträgt die Schrittweite des lokalen Oszillators nur 2,5 Hz. Dies ermöglicht eine genaue Abstimmung. Trotz der vielen Funktionen in diesem IC ist die Leistungsaufnahme mit etwa 1 W gering.

Systementwicklung ist mehr als ein IC

Da eine komplexe Schaltung wie zum Beispiel ein flexibles, breitbandiges SDR einen erheblichen Entwicklungsaufwand sowie die Entwicklung von Algorithmen erfordert, wird der AD9361 mit einem Referenzdesign, optimiert für den Einsatz von Xilinx-FPGAs, geliefert. Das FMC-Board (FPGA Mezzanine Card) AD-FMCOMMS2-EBZ von Analog Devices ist über einen FMC-Stecker an das Xilinx-Host-Board angeschlossen. Bereitgestellt wird die Leistung und Bandbreite, die der AD9361 in einer 2 × 2 Kanal-Konfiguration braucht (Bild 2). Das Board lässt sich komplett über Software an die kundenspezifischen Anforderungen anpassen. Hardware-Änderungen sind nicht erforderlich. Außerdem bietet das Board zusätzliche Optionen für verschiedene MIMO-Konfigurationen.

Bild 2: Systementwickler können zur Entwicklung sowie für das Debugging und die Evaluierung das FMC-Board AD9361 nutzen und ihre SDR-Applikationen mit Xilinx-FPGAs anpassen.

Bild 2: Systementwickler können zur Entwicklung sowie für das Debugging und die Evaluierung das FMC-Board AD9361 nutzen und ihre SDR-Applikationen mit Xilinx-FPGAs anpassen. Analog Devices

Zum Lieferumfang des Referenzdesigns gehören Stromlaufplan, Layout, BOM, HDL, Linux-Treiber und Anwendungssoftware sowie alle wichtigen Informationen zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit und zum schnellen System-Prototyping. Zusätzlich zu Lower-Level-Software und Firmware haben Anwender die Möglichkeit, Simulink- und Matlab-Support zu nutzen. Dies ermöglicht die Code-Entwicklung und die Abstimmung der Algorithmen und Leistungsfähigkeit des Funksystems.

Besser als Sie es können… vielleicht

Da dieser kleine, leistungsstarke und flexible IC diskrete Schaltungen in erheblichem Umfang ersetzt, könnte man meinen, dass solche diskreten Schaltungen künftig nicht mehr gebraucht werden. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise so. Denn ein gut entwickeltes, auf Fehler überprüftes diskretes AFE-Design mit sorgfältigem Layout, das für ein bestimmtes Segment mit einem bestimmten Format und der erforderlichen Bandbreite entwickelt wurde, kann den AD9631 in diesem speziellen Bereich, wenn auch mit größerer Grundfläche, übertreffen.

Doch die wirkliche Herausforderung ist die extrem breitbandige Beschaffenheit des AFE im SDR. Dazu wären viele solcher spektrumspezifischen Front-Ends erforderlich, von denen jedes große Herausforderungen hinsichtlich Entwicklung und Evaluierung mit sich bringt. Auch würde das Endprodukt im SWaP-Ranking abfallen. Daher fällt der Kompromiss deutlich zu Gunsten des AD9361-IC aus. Die HF-Leistungsfähigkeit des ICs ist für die meisten Anwendungen mit wesentlich weniger Nachteilen mehr als ausreichend.

Ganz gleich, ob Systemingenieure bevorzugen, ihr SDR-Design mit dem Analog Devices FMC zu entwickeln oder mit einem kommerziell verfügbaren SDR als Plattform arbeiten möchten, werden sie sich mit dem Gesamtpaket und der Leistungsfähigkeit des AD9361 eine hervorragende Ausgangsposition schaffen.