在航太與國防自適應 SDR 通訊系統中使用敏捷的 RF 收發器

航太與國防 (ADEF) 系統的設計人員不斷在尋求設計出功耗更低、尺寸更小，並能敏捷適應動態訊號環境的通訊系統。然而，傳統的無線電架構已經無法滿足這些要求，因此他們轉向軟體定義無線電 (SDR) 技術，以應對 ADEF 無線電領域瞬息萬變的要求，但要實作 SDR 也面臨諸多挑戰，很難在滿足功能要求的同時，達到降低尺寸、重量和功耗 (SWaP) 的目標。

本文將介紹一款由 Analog Devices 推出且更有效的 SDR 解決方案，能簡化低功耗、緊湊且敏捷的通訊系統設計，同時不犧牲效能表現。

新挑戰帶來更嚴苛的要求

設計人員要確保在越來越多工業和任務關鍵型應用中達到更有效的通訊，包括安全無線通訊、自適應雷達、電子戰以及增強型 GPS 導航。這些新挑戰帶動一連串要求，包括增強廣頻作業、擴大動態範圍以及改善頻率敏捷性和重新配置的能力。然而，隨著通訊系統轉向更小型的電池供電平台，如無人飛行載具 (UAS) 和可攜式裝置等，這些嚴苛的功能要求可能會與降低 SWaP 的要求所有衝突。

基於傳統離散超外差無線電架構的設計解決方案，可提供高效能、寬廣的動態範圍和最小的雜訊。但對設計人員來說，這種作法的核心挑戰在於需要將所需的訊號與中間頻率 (IF) 隔離，而這通常會導致設計複雜化、讓 SWaP 變高，而且難以甚至完全無法進行重新配置 (圖 1)。

圖 1：傳統超外差無線電架構雖能達到效能目標，但因過於複雜，而無法達到將 SWaP 降至最低的新目標。(圖片來源：Analog Devices)

相較之下，直接轉換 (零 IF) 架構就可有效減少濾波要求，並且減少對超大頻寬類比數位轉換器 (ADC) 的依賴，進而簡化設計，就可在單一晶片上實作 (圖 2)。

圖 2：零 IF 無線電架構雖然能符合提高效能和降低 SWaP 的要求，但訊號隔離是個挑戰。(圖片來源：Analog Devices)

雖然直接轉換架構具有顯著優勢，但在實作上也有難題，因此並未獲得廣泛採用。在此架構中，訊號在局部振盪器 (LO) 頻率下轉換成無線射頻 (RF) 載波，但直流 (DC) 偏移誤差和 LO 洩漏可能會導致誤差沿著整個訊號鏈傳播。此外，即使在同一個晶片內，訊號路徑的差異也可能造成同相 (I) 和正交 (Q) 訊號發生增益或相位不匹配的問題，這會導致正交誤差而有礙訊號隔離。

雖然 SDR 技術提供了克服傳統無線電架構限制的可能性，但僅有少數解決方案可以因應 ADEF 應用的廣泛要求。憑藉 Analog Devices 的 ADRV9002 RF 收發器，開發人員不僅能在應用中輕鬆提高效能與功能，還能符合降低 SWaP 的要求。

整合式功能可發揮最佳效能並降低 SWaP

ADRV9002 是支援 30 MHz 至 6,000 MHz 頻率範圍的高度整合收發器，內含所有必要的 RF、混合訊號和數位功能，能夠符合多種應用的要求。此裝置支援分時雙工 (TDD) 和分頻雙工 (FDD) 作業，並採用獨立的雙通道直接轉換接收器和發射器子系統，其中含有可編程數位濾波器、DC 偏移校正以及正交誤差修正 (QEC) 功能。

ADRV9002 在其晶片上合成器子系統中設有兩條不同的鎖相迴路 (PLL) 路徑：一條用於高頻 RF 路徑，另一條則用於數位時脈和轉換器取樣時脈。此外，此裝置的數位訊號處理區塊還含有 Arm® M4 嵌入式處理器，能處理自我校正和控制功能 (圖 3)。

圖 3：ADRV9002 RF 收發器整合了雙重接收 (RX) 與發射 (TX) 子系統。(圖片來源：Analog Devices)

ADRV9002 可在對相位雜訊敏感的應用中採用零 IF 模式或低 IF 模式操作，且具有發射器與接收器子系統，可提供完整的訊號鏈。每個發射器子系統都提供一對數位類比轉換器 (DAC)、濾波器以及混頻器，能夠重新合併 I 與 Q 訊號，再將其調變到載波頻率以便傳輸。

每個接收器子系統都整合電阻式輸入網路，可進行增益控制，以便將訊號餽送到電流模式被動混頻器中。此外，更具有轉阻放大器，可將混頻器的電流輸出轉換成電壓位準，再由具有高動態範圍的 ADC 進行數位化。在 TDD 作業或 FDD 應用的可用發射器空窗期間，若僅使用了一個接收器系統，則未使用的接收器輸入可用來監測發射器通道，以偵測 LO 洩漏並執行 QEC，又或者將未使用的輸入用來監測功率放大器 (PA) 的輸出訊號位準。

後者的這個功能，正是 ADRV9002 的整合式數位預失真 (DPD) 特點所在，可根據其監測的 PA 訊號位準套用適當的預失真，以便讓輸出達到線性化。如此就可讓 ADRV9002 驅動的 PA 趨近飽和，以發揮最佳效率。

調整功率和效能

ADRV9002 裝置是一款全整合式解決方案，採用 196 球晶片尺寸 (CSP) 球柵陣列 (BGA) 封裝，並可讓 SDR ADEF 通訊系統的尺寸和重量降至最低。為了協助開發人員進一步達到功耗最佳化，ADRV9002 整合了多種經過專門設計的功能，可幫助開發人員在效能和功耗之間找到適當的平衡點。

開發人員可以在區塊層級調整各個訊號路徑區塊的功率，以降低效能的方式換取更低的功耗。此外，還可停用 TDD 接收 (RX) 與發射 (TX) 訊框中的區塊來犧牲 RX/TX 或 TX/RX 週轉時間，以達到降低功耗的目的。為了進一步協助開發人員在功率與效能之間達到最佳平衡，每個 ADRV9002 接收器子系統都配有兩對 ADC。一對由高效能三角積分 ADC 組成，另一對則可講究功耗時當作替代方案。

若是會定期進入閒置狀態的應用，則可使用 ADRV9002 的 RX 監測模式。在此模式下，ADRV9002 會以編程的工作週期，在最低功率休眠狀態與偵測狀態兩者之間交替。在偵測狀態下，裝置會啟動接收器，並嘗試以開發人員編程的頻寬及 RX LO 頻率採集訊號。若裝置測得的訊號功率位準高於編程的臨界值，裝置會退出監測模式，ADRV9002 的相關區塊則會啟動，以處理所需的訊號。

迅速製作原型及開發

為了協助工程師快速進入評估、原型製作與開發階段，Analog Devices 針對 ADRV9002 架構系統提供了全方位的軟體和硬體支援。

在硬體支援方面，Analog Devices 提供一對基於 ADRV9002 的卡片：

• ADRV9002NP/W1/PCBZ 適用於 30 MHz 至 3 GHz 的低頻段應用
• ADRV9002NP/W2/PCBZ，適用於 3 至 6 GHz 的高頻段應用

這兩款卡片均配有 FMC 連接器，可支援板載 ADRV9002，同時提供電源調節和硬體介面以及時脈和多晶片同步 (MCS) 分配能力。這些卡片可透過 FMC 連接器連接至 FPGA 主機板，例如 AMD 的 ZCU102 評估板，以進行電源和應用控制。

Analog Devices 在支援套件中提供 ADRV9002NP 無線電卡片的完整線路圖和物料清單 (BOM)。對於大多數應用而言，開發人員都能夠有效利用這些線路圖和 BOM 開始客製化硬體開發。但有些應用需要增添 RF 前端元件，以符合特定的訊號調整要求。對這些應用來說，開發人員只需要增加幾個額外的元件，即可完成設計 (圖 4)。

圖 4：高度整合的 ADRV9002 收發器能讓開發人員快速實作專業設計。(圖片來源：Analog Devices)

在本例中，開發人員可以使用 Analog Devices 提供的下列電源管理元件快速實作合適的 RF 前端：

• ADRF5160 RF 開關
• HMC8411 低雜訊放大器 (LNA)
• ADMV8526 數位可調帶通濾波器
• HMC1119 RF 數位步進衰減器 (DSA)
• HMC8413 驅動器放大器
• HMC8205B PA

Analog Devices 提供相關文件和可下載的軟體套件，能全方位支援軟體開發作業。開發人員透過上述開發硬體，就可以 Analog Devices 的產品線軟體或開源軟體套件為基礎，繼續進行原型製作與開發。

以下討論僅針對產品線軟體。若想深入瞭解開源開發方法，請參閱 Analog Devices 的 ADRV9001/2 原型製作平台使用指南。Analog Devices 規定，其支援文件中所述的「ADRV9001」一詞係指系列標識符，涵蓋 ADRV9002 及 ADRV9001 系列中的其他成員。因此，以下文字或圖形中提及的 ADRV9001，皆適用於本文介紹的 ADRV9002 裝置。

Analog Devices 的 Windows 版本收發器評估軟體 (TES) 工具，可透過該公司的產品線軟體開發套件 (SDK) 取得，有助於開發人員快速配置和評估收發器的效能。

在使用 Analog Devices ADRV9002 型卡片和 AMD ZCU102 評估板進行評估和原型製作時，可以使用 TES 工具的圖形使用者介面 (GUI) 來配置硬體並觀察擷取的資料 (圖 5)。

圖 5：SDK 套件中的 TES 工具，可讓開發人員在支援的評估平台上快速開始評估 ADRV9002 收發器。(圖片來源：Analog Devices)

TES 工具隨後會自動產生 C# 程式碼，即可編譯到 Linux 環境、MATLAB 環境或 Python 中。此 SDK 提供一套完整的軟體庫和應用程式開發介面 (API)，包括針對 AMD ZCU102 平台開發的 ADRV9001 API 套件。

此外，SDK 架構允許開發人員將其在評估板上的評估和原型製作結果，直接轉移到開發人員的自訂目標環境 (圖 6)。

圖 6：SDK 架構能讓開發人員輕鬆將評估結果延伸至其目標平台。(圖片來源：Analog Devices)

在轉移時，開發人員可讓 TES 像往常一樣自動產生程式碼。但開發人員不會直接使用此產生的程式碼，而會先對其編輯，再部署到目標平台。實際上，開發人員的編輯工作主要是移除不必要的函數調用，避免引用 TES 工具可識別但目標系統不需要的硬體元件。由於 SDK 架構中使用硬體抽象層 (HAL) 介面來連接 ADRV9001 函式庫和開發人員的硬體，因此開發人員只需提供自訂程式碼，以實作特定硬體所需的 HAL 介面程式碼。如此一來，開發人員便可迅速從使用 Analog Devices 卡片和 AMD 板件進行評估，轉為針對自訂目標環境進行開發。

結論

在日益複雜的訊號環境中，航太與國防應用面臨越來越多挑戰。除了要在更廣泛的頻率範圍內達到更高效能，開發人員還需要降低系統的尺寸、重量與功耗，以將這些應用轉移到電池供電型系統。透過 Analog Devices 高度整合的收發器，開發人員就能實作 SDR 解決方案，更有效地因應這些要求。