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El AD9361 SDR para hoy y mañana
29 de septiembre 2015
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La radio definida por software (SDR) ha recorrido un largo camino en los treinta años desde que fue concebido por primera vez.
Soluciones altamente integradas de hoy han superado los sueños más salvajes de los autores de una tecnología que comenzó como un programa militar para proporcionar una multiprotocolo, amplio espectro única arquitectura de radio. Aunque un SDR era teórico en el momento, la tecnología y se han desarrollado técnicas que lo convierten en una estrategia práctica en la simplificación de hardware, la introducción de nuevas características y el apoyo a múltiples técnicas de modulación. Esto incluye mejoras a los nuevos métodos a medida que se inventaron. SDR de hoy es de bajo costo, altamente integrada y versátil - muy lejos de los diseños discretos engorrosos y costosos del pasado ahora, gracias a los avances que incluyen la capacidad revolucionaria del AD9361 y AD9364 - solo chip Analog Devices 'RF Agile transceptores, SDR también puede hacer que la pretensión de alto rendimiento. Para colmo esto adelante, Analog Devices ha esforzado por hacer la tecnología accesible a los diseñadores con un ecosistema completo de hardware y software, extraído bien documentado, fácil de usar diseños de referencia. Una idea antes de tiempo, SDR tiene una rica historia que se inició en 1970 con el concepto de un receptor digital. Desafíos técnicos considerables han causado que luchan para mantener el impulso en contra de la rápida transformación en los sistemas inalámbricos modernos. El sueño de una radio universal, se hizo una realidad por la Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) en los años 90 en un intento de futuras comunicaciones militares a prueba y fomentar la interoperabilidad. Esto culminó en el programa estadounidense de Defensa multimillonario conocido como el Sistema Común de Tactical Radio (JTRS) y una capa de abstracción llamada Comunicaciones Software Architecture (SCA). Este ambicioso proyecto fracasó en última instancia, después de más de una década de investigación y desarrollo, pero dio lugar a grandes pasos hacia adelante en la tecnología subyacente. A pesar de estos avances, SDR no realmente pudo encontrar un punto de apoyo en el ámbito de los consumidores de productos comerciales debido al costo del sistema, el tamaño y el consumo de energía. Seguía siendo una tecnología militar y la infraestructura orientada hasta innovaciones recientes, incluyendo el AD9361 han permitido SDR ser una realidad práctica y asequible.
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Figura 1: Presentación de la AD9361 Agile transceptor
El punto de inflexión para el uso de DEG en productos de comunicaciones comerciales fue la llegada de los procesadores de bajo coste digitales de señal (DSP) y los avances en analógico y la integración de RF en el proceso CMOS. Estas innovaciones frecuencia intermedia habilitado (IF) y subsistemas de banda base a convertirse digitalizada en sistemas celulares de segunda generación. Digitalización colocado elementos de una arquitectura de radio en la trayectoria de una Ley de Moore. Funcionalidad algorítmica sofisticada como la corrección de errores, esquemas de modulación avanzados, los datos eficientes métodos de codificación y ecualización de canal se introdujeron rápidamente como potencia de procesamiento avanzado. El aumento de la capacidad de procesamiento y las mejoras en la lógica reconfigurable han llevado estos elementos para convertirse en implementaciones suaves capaz de ser actualizado y cambiado. El AD9361 es el compañero perfecto para estas plataformas digitales debido a sus configurabilidad altamente flexible, CMOS convenientes o LVDS interfaz y apoyo demostrado controlador Linux. De radio adaptativa y la radio cognitiva son los últimos avances en el campo de DEG. Son conceptos similares y necesitan el AD9361 para alcanzar la potencia y la integración requerida. Las radios ajustar dinámicamente la configuración del transceptor de forma de onda, el protocolo, la frecuencia y la creación de redes para hacer el mejor uso del espectro disponible en lugar de ser asignado una banda de frecuencia fija o protocolo de usar. Como dispositivo se mueve alrededor, sus cambios de entorno y la conexión RF responde dinámicamente a esta tratando de hacer un uso óptimo de los mejores servicios disponibles de inmediato. Esto puede ser acomodado por ancho de banda de frecuencia y modulación anchos de banda de la AD9361. Algunas propuestas de radio inteligentes incorporan redes de malla adaptativa, y sin embargo, otros proponen el uso de división de frecuencia ortogonal de acceso múltiple (OFDMA) para utilizar el espectro no utilizado en un enfoque de la agrupación de espectro. La dirección final de la próxima generación todavía se está definiendo, pero cuando la radio cognitiva de banda ancha se convierte aprobó en general, va a revolucionar la comunicación inalámbrica. Independientemente de la dirección final, todas las estrategias posibles comparten los mismos retos asociados con la flexibilidad y el rendimiento que pueden ser satisfechas con el AD9361. A pesar de los avances de procesamiento digital, transceptores todavía necesitan etapas analógicas RF de alto rendimiento para la amplificación frontal final, el filtrado, la generación de frecuencia y conversión descendente. Dificultad en la integración de la funcionalidad de RF con el rendimiento y la flexibilidad suficiente fundamentalmente SDR limitado. Los intentos de integrar los elementos de RF dado lugar a soluciones de compromiso en la sensibilidad, selectividad, linealidad y aislamiento debido a las limitaciones en el desempeño de semiconductores subyacente. Esto llevó a la industria a adoptar la creencia general de que gana en flexibilidad y la integración no se podría obtener sin un sacrificio en rendimiento y funcionalidad. Analog Devices AD9361 cambió el paradigma con el rendimiento que cumple con las especificaciones como 4G LTE. Se proporciona a los diseñadores con reducciones de cambio de juego en el tamaño y el número de componentes sin los compromisos de los diseñadores de rendimiento han llegado a esperar. Es totalmente configurable y escalable - capaz de ser utilizado de forma sincrónica en los sistemas multi-chip para la capacidad extendida. El resultado del alto nivel de flexibilidad y la integración se mejora el tiempo de comercialización y reducir el consumo de energía y el área del tablero. Las aplicaciones objetivo incluyen sistemas P2P Comms, femtocell / picocélula / estaciones base de microcélulas, sistemas de radio de uso general, de banda ancha de radio cognitiva y MIMO. Sus principales características de hardware incluyen: • Dos transceptores totalmente independientes con rutas de señal independientes capaces de ser utilizados en la configuración única 2x2 chip o sincronizarse en 4x4, 8x8 o de los sistemas más grandes para aplicaciones que incluyen formación de haz y MIMO. Cada receptor incorpora hasta 3 diferenciales / 6 entradas asimétricas. El AD9364 Agile Transceiver es una sola versión del transceptor de los AD9361. • Dos osciladores independientes integrados local (LO) que pueden permitir el transceptor para operar en dúplex por división de frecuencia (FDD) o modos dúplex por división de tiempo (TDD). Integrados sintetizadores fraccionales-n que soportan una resolución de sintonización de frecuencia 2,5 Hz. • Rango de frecuencia. (70MHz - 6000MHz). • Software frecuencias de muestreo configurables desde 547kSPS * para 61.44MSPS con el chip de 12 bits ADCs • Integrado AGC, DC compensados corrección y de corrección en cuadratura .. • Excelente figura de ruido del receptor (2 dB @ 800MHz LO). • Excelente nivel de ruido transmisor (-157dBm / Hz) • CMOS y LVDS opciones de interfaz para la interfaz conveniente a la banda base del procesador. * Este número se encuentra actualmente en proceso de revisión Figura 2: Evaluación AD9361 Juntas
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(a) a bordo Analog Devices AD-FMCOMMS2-EZB
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(b) tablero de Arrow Electronics HSMC ARRADIO El AD9361 está envuelto en un ecosistema completo para permitir una rápida evaluación del AD9361 y desarrollo de productos de DEG. Esto es realmente una forma revolucionaria para desarrollar sistemas de comunicación, ya que evita la necesidad de un desarrollo inicial de los conductores de un prototipo de hardware y software que trabajan. Esto permite que el equipo de desarrollo para centrarse en las características diferenciadoras del diseño en lugar de la arquitectura subyacente. El SDK tiene soporte de software integral y modelos de simulación. Analog Devices tiene una larga historia en RF y SDR, con un entorno de simulación para el AD9361 basado en MathWorks SimRF caja de herramientas Aunque no es específicamente para el AD9361, Analog Devices tiene muchas referencias técnicas relativas SDR como técnicas para maximizar el rango dinámico en los receptores. Estas referencias discuten cálculos importantes asociados con SDR como figura de ruido ADC (NF) y la relación señal-ruido (SNR) en función de las fluctuaciones de reloj. El AD9361 también es apoyado directamente por un Wiki Analog Devices que contiene todo, desde código fuente del controlador de guías paso a paso para la documentación ejemplos trabajado en las tarjetas de circuitos de evaluación. Desde la perspectiva del software, el AD9361 y características del dispositivo y de los ecosistemas AD9364 incluyen: • Fácil de configurar con comandos de software - No es intimidante para usar. • Completo ecosistema de desarrollo transceptor - Suite incluye aplicación de usuario de Linux, Linux y bare-metal / no-OS dispositivo hardware de los controladores y de referencia está disponible para simplificar el diseño. • El sistema de diseño de referencia de hardware ARRadio de Arrow está disponible. Una tarjeta intermedia HSMC que sea compatible con el Kit de desarrollo SoCKit bajo coste en torno a los Cyclone V SOC dual ARM Cortex-A9s. • El AD-FMCOMMS2 - diseño de referencia de hardware EZB EMC está disponible. Una tarjeta intermedia FMC que es compatible con las tarjetas portadoras basados FMC. • SDK tiene conectores FMC agnóstico para una fácil conexión a cualquier sistema de procesamiento de banda base. • SDK tiene una aplicación de usuario y diseño de referencia que puede generar DDS para los tonos continuos para salidas de prueba, transmitir directamente de los archivos de streaming y salidas del receptor de captura para que aparezca en la pantalla. • Aplicación del osciloscopio de entrada y salida Industrial Linux (IIO). Ver información del receptor en el dominio del tiempo, constelación y FFT espectro. Permite pico de nivel bajo y empuje de los registros dentro del AD9361 debido a su opción de depuración. • Modificación de las características del dispositivo gracias a Linux es por simple de archivos abiertos, leer, escribir, las operaciones de cierre. • Un modelo de Matlab Simulink SimRF validada disponible que representa con precisión el ruido transceptor y no linealidades en diferentes niveles de potencia y frecuencias. Estos pueden ser usados para predecir el rendimiento de diseño y ajustar la configuración en un entorno virtual para la aproximación al hardware real. The MathWorks Instrument Control Toolbox ™ puede automatizar medidas de RF, la conexión a analizadores de espectro y generadores de señal para probar el dispositivo utilizando el hardware de referencia.
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Figura 3: AD-FMCOMMS2 y ARRadio Sistemas de Evaluación
El camino AD9361 SDR Señal
Secciones receptor dual convierten las señales de RF en datos digitales antes de ser pasado al procesador de banda base (BBP). Dos canales independientes permiten la entrada múltiple, salida múltiple (MIMO) sistemas mientras comparten un sintetizador de frecuencia común. Tres entradas se pueden multiplexar por el receptor, lo que permite el AD9361 para su uso en sistemas de diversidad de recepción donde se requiere más de una antena. Las entradas del receptor de conversión de datos directos de la antena y la pasa a la Amplificador de bajo ruido (LNA). Esto es seguido por amplificadores emparejados en cuadratura y elementos del mezclador. Pasabanda filtra las señales de forma y eliminar espectro de RF como aliasing es diezmada a la banda base. Si se requiere la amplificación o la selectividad adicional, LNA o filtrado externa se pueden incorporar antes de la dispositivo. Control automático de ganancia (AGC) puede ajustar los niveles de señal de forma automática o por control de BBP. Recibido intensidad de la señal de indicación (RSSI), DC offset seguimiento y circuitos necesarios para la auto-calibración también se incorporan. Frecuencias de muestreo de los 12 bits ADC se pueden ajustar. Las señales digitalizadas son capaces de ser diezmado aún más por una serie de filtros y un filtro FIR 128 del grifo. Los transmisores de conversión directa duales reciben datos digitales de la BBP donde se interpola a través de un 128-tap filtro FIR programable y una serie de filtros de interpolación. Un DAC de 12 bits con una tasa de muestreo ajustable convierte la señal digital a analógica. Los canales de cuadratura resultantes se reconvierten a RF por mezcladores. Las señales en cuadratura se combinan y se pasaron a través de filtros de paso de banda para dar forma. La señal de RF se envía al amplificador de salida para la transmisión. Cada canal tiene atenuadores ajustables, en tiempo real auto-calibración y un monitor de potencia Tx
Radio Cognitiva - SDR Militar de hoy y del futuro
Los soldados utilizan actualmente radios JTSR DEG como el AN / PRC-154 fusilero de Thales.
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Estas son las radios inteligentes con la capacidad de auto-forma y auto-sanar hoc, redes de anuncios de voz y datos simultáneos y tienen la capacidad definida por software para la capacidad de actualización y la interoperabilidad. También pueden actuar como repetidores para otras radios. Radios militares DEG pueden adaptarse a una amplia variedad de protocolos e interoperar entre organizaciones militares y civiles. En el futuro, la capacidad SDR permitirá las comunicaciones militares de adaptarse dinámicamente a los ambientes espectrales congestionadas y atascado y entregar las mejoras en la eficiencia y el ancho de banda mediante la utilización de la mejor conexión disponible - radio cognitiva. La mejor conexión podría estar utilizando un espectro actualmente no se utiliza - una condición que cambia dinámicamente. Al igual que con las redes de telefonía móvil y sistemas de radio trunking banda estrecha, defensa civil y autoridades gubernamentales pueden bloquear a los usuarios del sistema para garantizar el servicio. Esto es fundamental en tiempos de emergencia de protección civil. Radios cognitivas militares no sólo puede utilizar de forma pasiva espectro - pueden capturar agresivamente espectro cuando sea necesario. La forma en que una radio cognitiva va a interactuar con su entorno espectral se denomina etiqueta. SDR es visto como ofreciendo una considerable ventaja en conocimiento de la situación mediante la optimización de la conectividad de banda ancha. Otra área importante de los militares ve SDR propicio es la actualización y modernización. Ser capaz de actualizar las radios con los últimos avances en la codificación, cuentan con conjuntos y bases de datos permite que el sistema sea capaz de adaptarse a las nuevas necesidades y capacidades. Esto también debería dar lugar a la extensión de la vida útil del sistema de radio. El ejército ve radio cognitiva como una extensión de su proceso llamado el OODA Loop - observar, orientar, decidir y actuar. Ellos son una parte integral de este proceso El ejército está en tendencia hacia el concepto de un teléfono celular táctica como las características asociadas con la moderna conectividad de red inalámbrica se vuelven cada vez más importante para la comunicación en el frente de batalla. Al igual que con todos los equipos de infantería hay una presión considerable en la reducción de peso y tamaño al tiempo que aumenta la vida de la batería, impulsando la necesidad de mayores niveles de integración. Estas necesidades pueden ser satisfechas por los transceptores de DEG en función del AD9361. Este futuro móvil táctico requerirá capacidad de radio cognitiva - incluso puede ser necesario para ser una radio inteligente con máquina incorporada aprendizaje para optimizar dinámicamente el rendimiento. Al igual que con la electrónica de consumo, los soldados también necesitan ser habilitado con una variedad de dispositivos conectados, como tabletas, ordenadores portátiles y cámaras. Vehículos inteligentes, aeronaves y sistemas autónomos como drones y robótica - incluso exoesqueletos algún día requerir cognitiva (y por tanto SDR) capacidad de radio para interoperar y de red en el frente de batalla. Se están realizando investigaciones para permitir radios SDR militares con la capacidad de realizar las contramedidas electrónicas tales como atascos. Ellos también están estudiando la adición de enlaces de control para la robótica y los datos del sensor de monitoreo. Antecedentes monitoreo del sensor a través de redes de radio cognitiva puede proporcionar datos sobre el terreno dinámicos para químicos, biológicos o incluso los niveles de radiación y proporcionar una mejor imagen total del campo de batalla.
Conclusión
SDR sigue evolucionando rápidamente a medida que la necesidad de dispositivos más inteligentes que un mejor uso limitado y congestionados aumenta espectro. El AD9361 y su menor coste único transceptor primo, el AD9364, están perfectamente posicionados para satisfacer las necesidades de la generación actual y la siguiente de DEG. El AD9361 es un dispositivo que permite excelente para sistemas de radio cognitiva. Su alto nivel de integración y flexibilidad ayuda permiten reducciones en el componente recuento, el tamaño y el consumo de energía. El desarrollo nunca ha sido más fácil para los productos de transceptores con un amplio y fácil de usar kit de desarrollo y bien documentados diseños de referencia. Diseños de referencia de hardware están disponibles que son compatibles tanto con Xilinx y Altera FPGA SOC Kits de desarrollo. Esto proporciona un camino rápido desarrollo tanto para RF y BBP basada en SOC FPGA basada low cost equipados con doble procesador ARM Cortex A9. Controladores Linux probadas completan la suite de diseño y simplifican el proceso de desarrollo de software.
