Komponenten für Hardware des softwaredefinierten Radios

Möchten Sie ISS-Radioübertragungen hören und deren Daten sammeln? Bauen Sie ein hardwaregestütztes Software-Defined Radio System.

Wenn Sie Satellitenübertragungen hören, sich mit Ihren Smart-Home-Systemen verbinden, Ihre GPS-Position überprüfen, im Internet surfen und FM-Radiosignale empfangen möchten, benötigen Sie kein Radio mit mehreren Transceivern. Software-Defined Radio ist eine Designmethodik, die die Last des HF-Designs vom Hardware-Entwickler auf den Software-Entwickler verlagert und einem neuen HF-System mehr Flexibilität verleiht.

Software-Defined Radio ist nicht für jeden geeignet und wird auch nicht als solches vermarktet. Dieses Konzept und die Hardware dafür wurden von der Open-Source-Community angenommen. Software-Defined Radio findet seine Hauptanwendung im militärischen Bereich, der ausgiebig adaptive Frequenzsprung-Radiolösungen nutzt. Da viele neuere IoT-Geräte möglicherweise mehrere drahtlose Protokolle benötigen, bietet Software-Defined Radio eine einfache Möglichkeit, über mehrere HF-Bänder zu kommunizieren, ohne die Größe Ihres Geräts zu erhöhen oder Ihr Layout zu komplizieren.

Der Wert von Software-Defined Radio

Um den Wert, der durch Software-Defined Radio geboten werden kann, zu veranschaulichen, werde ich kurz ein kürzliches Projekt für einen Kunden besprechen. Ein kürzlich für ein Test- und Messsystem entworfenes Board enthielt fünf (ja, fünf) drahtlose Transceiver-Einheiten, alle mit unterschiedlichen Protokollen und Modulen. Obwohl Software-Defined Radio als Lösung vorgeschlagen wurde, hielt der Kunde aus verschiedenen Gründen an seinen Anforderungen fest.

Der Wert von Software-Defined Radio in diesem einzigartigen Fall gilt in vielen anderen Fällen; es ermöglicht dem Designer, mehrere Protokolle in eine einzige Transceiver-Einheit zu konsolidieren. Auf dem oben genannten Board nahmen elektromechanische Komponenten und ein großes Touchscreen den Großteil des Platzes ein, daher machte es weniger Sinn, auf Software-Defined Radio zu drängen. Es gibt jedoch einige gängige Anwendungsfälle, die den Einbau von Software-Defined Radio in ein neues Produkt rechtfertigen:

• Mehrere Protokolle. Dies ist offensichtlich, verdient aber dennoch eine nähere Erläuterung. Software-Defined Radio gibt Ihnen Zugang zu mehreren Bändern in einer einzigen Komponente, ohne die Teileanzahl zu erhöhen. 

• Platzeinsparungen auf der Platine. Durch die Verwendung von Software-Defined Radio können Sie einen oder mehrere Transceiver, die anderen Protokollen gewidmet sind, eliminieren. Dies spart Platz auf der Platine für Komponenten, die andere Funktionen unterstützen können. 

• Primäre vs. sekundäre Protokolle. Mit Software-Defined Radio können Sie bei Bedarf auf zusätzliche Protokolle zugreifen, ohne Platz für einen zusätzlichen Chipsatz zu widmen. 

• Abhören. Ob Sie unverschlüsselte Kommunikation abhören möchten oder das Abhören verhindern wollen, Software-Defined Radio macht beides möglich. Insbesondere ist das Frequenzsprungverfahren mit Software-Defined Radio einfach zu implementieren.

MCU SoCs mit integrierten drahtlosen Transceivern haben sich in letzter Zeit in diese Richtung entwickelt. Einige Produktlinien haben ein beliebtes Protokoll wie WiFi oder Bluetooth integriert, aber ich habe noch keine Transceiver für andere, weniger häufig verwendete Protokolle in diesen Chips gesehen. Dies ist teilweise ein Problem von Angebot und Nachfrage; diese Komponenten zielen hauptsächlich auf Verbraucherprodukte ab, sodass sie in großem Maßstab produziert werden können. Darüber hinaus basiert ein großer Teil der drahtlosen Landschaft auf diesen beiden Protokollen (zusätzlich zu zellularen), sodass es sinnvoll ist, sie für die Integration in ein SoC anzustreben. Wir können zellulare Verbindungen nicht außer Acht lassen; einige Komponenten werden speziell als Unterstützung für 3G und 4G zellulare Verbindungen zusätzlich zu anderen Frequenzbändern vermarktet (siehe unten).

Dies führt zu dem primären Kompromiss, der beim Entwerfen für Software-definiertes Radio mit produktionsreifen Komponenten einhergeht: höhere Kosten. Diese Komponenten werden immer noch in geringerer Menge als ihre SoC-Gegenstücke und andere RF-Transceiver, die für spezifische Bänder vorgesehen sind, produziert, sodass diese Komponenten mit höheren Preisen kommen, um die Kosten zu decken. Die Einsparungen bei Platinenplatz und Flexibilität könnten jedoch die Komponentenkosten bei weitem aufwiegen.

Optionen für Komponenten des Software-definierten Radios

Die primäre Komponente, die Sie für ein System des Software-definierten Radios auswählen müssen, ist ein Transceiver-IC. Diese Komponenten sind mit Standard-Schnittstellen und einigen anderen Funktionen gebaut, was sie ideal für die Integration in andere drahtlose Produkte macht. Sie benötigen einen eingebetteten Prozessor irgendeiner Art, um Ihren Code auszuführen, aber Ihre Wahl des MCU/FPGA/anderen Prozessors hängt von der Transceiver-Konfiguration ab, die Sie verwenden werden.

Hier sind einige Optionen für Ihr nächstes System des Software-definierten Radios.

Analog Devices, AD9361

Der AD9361 von Analog Devices ist eine hochintegrierte Breitband-Transceiver-Lösung, die Hardware für Software-definiertes Radio unterstützt. Dieses Produkt wird für militärische Zwecke sowie für 3G- und 4G-Basisstationen vermarktet, unterstützt aber auch andere Bänder von 70 MHz bis 6 GHz mit FDD- oder TDD-Betrieb. Der integrierte fraktionale PLL bietet extrem genaue Schrittgröße bis hinunter zu 2,5 Hz sowie einstellbare Kanalbandbreite von

Evaluierungsboard-Layout, das ein Blockdiagramm für einen programmierbaren AD9361 2 × 2 integrierten Transceiver zeigt. [Quelle: Produktübersicht von Analog Devices]

Andere Komponenten in der RadioVerse-Serie von Analog Devices umfassen die anderen Transceiver in der AD936X-Familie und den AD9375. Letzterer soll Smartphone-Herstellern und Telekommunikationsunternehmen einen einfachen Weg bieten, von 4G zu 5G NR zu wechseln, ohne dass Änderungen an den Handsets erforderlich sind. Analog Devices hat den Software-Defined Radio Transceiver mit der bisher größten Integration produziert. Neben dieser Komponente und ihren Varianten ist der andere Weg, mit der Entwicklung für Software-Defined Radio zu beginnen, die Auswahl eines Breitband-Synthesizers und Empfängers.

Maxim Integrated, MAX2150

Der MAX2150 von Maxim Integrated ist ein abgespeckter Breitband-Synthesizer für den Einsatz in Software-Defined Radio und anderen HF-Anwendungen. Diese spezielle Komponente zielt auf Anwendungen ab, die von 700 MHz bis 2300 MHz laufen, und bietet einen breiten spektralen Bereich. Als Präzisionssynthesizer, der auf einem fraktionellen PLL basiert, bietet er eine Auflösung unter 0,05 Hz, wenn er mit einer 10 MHz Referenzuhr verwendet wird. Diese Komponente beinhaltet auch einen Ausgangstreiber-Verstärker, was den Einsatz eines externen HF-Verstärkers überflüssig macht, außer wenn eine sehr lange Reichweite erforderlich ist.

Stromversorgung, Ausgangsleistung und Blockdiagramm für den MAX2150, aus dem MAX2150 Datenblatt.

Andere Komponenten für Software-Defined Radio

Abgesehen von diesen beiden Komponenten sind die einzigen Optionen für integrierte Transceiver-ICs auf dem Markt eine No-Name-Komponente, die ich nicht empfehlen würde. Dennoch können Sie Ihr eigenes Transceiver-Modul mit einem kleinen Footprint unter Verwendung einer Vielzahl anderer Komponenten aufbauen. Dazu gehören:

• RF-Leistungsverstärker

• MCU, FPGA oder andere PLD

• Allzweck-DSP-Komponenten (falls Sie sich entscheiden, DSP nicht auf einem MCU durchzuführen)

• RF-Filter

• Synthesizer, Sender und Empfänger

• ADCs und DACs

Ob Sie mehrere Übertragungen gleichzeitig erfassen möchten oder Komponenten in einem kleineren Paket zusammenfassen müssen, Sie können die benötigten Hardware-Komponenten für Software-Defined Radio mit der richtigen Elektronik-Suchmaschine finden. Octopart bietet Ihnen einen kompletten Satz von Suchwerkzeugen mit fortgeschrittenen Filterfunktionen für Beschaffung und Lieferkettenmanagement. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um mit Ihrer Suche nach den benötigten Komponenten zu beginnen.

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