Transceiver integrati mixed signal per Sdr

IC ANALOGICI –

Un transceiver a larga banda, totalmente configurabile via software, sta rivoluzionando il modo di progettare i sistemi di comunicazione wireless.

Il proliferare degli standard di comunicazione wireless, caratterizzati da frequenze e larghezze di banda differenti, protocolli e formati diversi consente un livello di connettività che non ha precedenti. Tuttavia il lavoro dei progettisti ha subito un’impennata repentina nel livello di complessità, dovendo accomodare soluzioni architetturali e circuitali differenti con budget di costi, potenza dissipata e ingombri sempre più limitati. La soluzione teorica al problema si chiama Software Defined Radio: in ricezione basterebbe digitalizzare direttamente il segnale prelevato in antenna ed effettuare un’elaborazione numerica mediante l’uso di potenti Dsp o Fpga; in trasmissione si potrebbe realizzare la modulazione desiderata sempre in digitale e poi mediante l’uso di Rf Dac generare direttamente il segnale a radiofrequenza da inviare, tramite un opportuno amplificatore di potenza, in antenna. La Software Defined Radio sta progressivamente aumentando di importanza grazie alla flessibilità che offre in termini di riconfigurabilità, consentendo una gestione multistandard. La possibilità di agire semplicemente sul software per adattarsi a uno standard diverso è molto attraente e semplifica notevolmente il progetto hardware. Inoltre la Sdr ha il notevole vantaggio di potersi adeguare a nuovi standard mediante un semplice aggiornamento software, con evidente abbattimento dei costi di sviluppo e mantenimento della rete. Tuttavia esistono dei limiti all’implementazione di questa soluzione. Realizzare la sezione analogica a larga banda sia per il trasmettitore che per il ricevitore presenta delle difficoltà. Attualmente si tende ad impiegare più canali analogici sovrapposti, ognuno ottimizzato su una specifica fascia di frequenze, con larghezze di banda adattate al segnale di interesse. Una soluzione questa che, benché efficace, comporta l’impiego di una considerevole quantità di hardware, con impatti sulle dimensioni, il consumo di potenza e non ultimo il costo, andando così a vanificare i vantaggi offerti da questa architettura.

Circuiti integrati ad elevata integrazione

Analog Devices ha recentemente introdotto l’AD9361, un transceiver a larga banda, totalmente configurabile via software, che sta rivoluzionando il modo di progettare i sistemi di comunicazione wireless. L’AD9361 è un dispositivo altamente integrato che implementa due ricevitori indipendenti e due trasmettitori indipendenti su un singolo chip e che possono funzionare simultaneamente mantenendo un livello di prestazioni elevato. Infatti questo dispositivo soddisfa i requisiti dei recenti standard di comunicazione come il 4G Lte. L’integrato si interfaccia direttamente al segnale Rf, e contiene tutta la parte di elaborazione analogica e di conversione A/D e D/A. In alto sono riconoscibili i due canali di ricezione mentre in basso si trovano i due canali di trasmissione. Essendo i canali tra loro indipendenti il dispositivo si presta alla realizzazione di sistemi a ingressi e uscite multipli (Mimo). Ogni ricevitore ha tre ingressi differenziali multiplexati, che, se collegati ad antenne diverse, consentono di realizzare un sistema di antenna diversity, in grado di abbattere le interferenze dovute a riflessioni multiple e migliorare pertanto la qualità del segnale ricevuto. I due canali di ricezione condividono lo stesso oscillatore locale, composto da un blocco Pll e un Vco a basso rumore di fase. Il ricevitore è basato su un’architettura a conversione diretta allo stato dell’arte per rumore e linearità. Ciascun canale è dotato di controllo automatico del guadagno, correzione dell’offset Dc, correzione dell’errore in quadratura e filtraggio digitale, funzioni che semplificano l’elaborazione in banda base. Anche i trasmettitori usano un’architettura a conversione diretta con un’elevata precisione nella modulazione e un livello di rumore molto basso. I due canali sono provvisti di power monitor che possono essere usati come power detector per una misura accurata della potenza trasmessa. Un altro oscillatore locale indipendente serve i due canali di trasmissione. Il range di frequenza degli oscillatori può essere programmato da 70 MHz a 6 GHz, quasi due ordini di grandezza, a step di soli 2.5 Hz. I due oscillatori locali indipendenti, in trasmissione e ricezione, rendono possibili le due modalità di funzionamento in Fdd (Frequency division duplex) e Tdd (Time division duplex).
Le due catene utilizzano convertitori AD e DA a 12 bit. L’interfaccia dati Cmos o Lvds compatibile consente una connessione semplice al processore di banda base.
L’estensione della banda del canale, da 200kHZ fino a 56MHz, e la possibilità di selezionare le frequenze di campionamento su un ampio range rendono il componente estremamente flessibile e adatto per un largo spettro di applicazioni, tra cui sistemi di comunicazione punto-punto, femtocelle, picocelle, microcelle, radar, radio militari portatili, strumenti e sistemi di test a radiofrequenza, piattaforme Sdr. Per il beamforming e altre applicazioni simili è possibile sincronizzare più AD9361 realizzando sistemi 4x4, 8x8 e con molteplicità superiore.
L’AD9364 è la versione 1x1, laddove non è richiesto l’impiego del doppio canale. Pur mantenendo lo stesso livello di performance dell’AD9361 questa versione ridotta consente di risparmiare qualcosa per quelle applicazioni particolarmente sensibili al costo.

L’AD9361 su piattaforme Sdr

Tra le varie applicazioni possibili per l’AD9361 l’SDR è una realtà messa in atto da due società, Epiq Solutions e Ettus Research, una società di National Instruments, che hanno realizzato delle piattaforme compatte grazie all’impiego di questo dispositivo. Ettus Research ha realizzato due piattaforme B200, con un canale in ricezione e uno in trasmissione e B210 a 2x2 canali per applicazioni Mimo. Le piattaforme comprendono una Fpga Spartan6 riprogrammabile, per l’elaborazione dei dati, e una porta Usb 3.0 SuperSpeed per la connettività. La flessibilità di programmazione le rende adatte per una moltitudine di applicazioni. Epiq Solutions ha denominato la propria piattaforma Maveriq, ed è in grado di supportare un sistema Mimo 2x2, ovvero 4 canali in ricezione mediante l’uso di due AD8361.

Un modello di supporto per tutte le necessità

L’elevato livello di integrazione e la flessibilità di programmazione che consente di selezionare modalità di funzionamento, guadagni, frequenza e larghezza di banda abbatte notevolmente i tempi di sviluppo consentendo di arrivare sul mercato in tempi rapidi e con prodotti altamente competitivi. Tuttavia la complessità dell’integrato può intimorire visto che coinvolge più funzioni un tempo dominio di gruppi di progettazione distinti. Esperti di radiofrequenza, amplificatori di potenza, modem, sintetizzatori convergono su un unico progettista che deve gestire il dispositivo. In verità gran parte del lavoro è già stato realizzato dai progettisti dell’integrato, che può essere configurato mediante semplici comandi software. In aggiunta Analog Devices fornisce già un hardware di riferimento, piattaforme di sviluppo, driver e application software che rendono più semplice e rapido il progetto. Il modello di supporto è tale che chiunque lo voglia può accedere a questo dispositivo. Per i chiarimenti e le domande tecniche è possibile fare riferimento all’Engineer Zone, la comunità on line per i progettisti che sviluppano con prodotti Analog Devices, dove specialisti del prodotto potranno fornire tutte le indicazioni richieste.

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