Компоненты для аппаратного обеспечения программно-определяемого радио

Хотели бы вы слушать радиопередачи МКС и собирать их данные? Постройте аппаратную систему программно-определяемого радио.

Если вы хотите слушать спутниковые трансляции, подключаться к системам умного дома, проверять свое местоположение GPS, серфить в интернете и одновременно принимать сигналы FM радио, вам не нужно радио с несколькими передатчиками. Программно-определяемое радио - это одна из методологий проектирования, которая переносит бремя проектирования РЧ на разработчика программного обеспечения, предоставляя новой РЧ системе большую гибкость.

Программно-определяемое радио не для всех, и оно не рекламируется как таковое. Эту концепцию и аппаратную поддержку приняло сообщество открытого исходного кода. Программно-определяемое радио в основном находит свое применение в военной сфере, которая активно использует адаптивные решения радио с перестройкой частоты. С учетом того, что многие новые устройства IoT потенциально нуждаются в нескольких беспроводных протоколах, программно-определяемое радио предоставляет простой способ общения в нескольких РЧ диапазонах без увеличения размера вашего устройства или усложнения вашей схемы.

Ценность программно-определяемого радио

Чтобы проиллюстрировать ценность, которую может предоставить программно-определяемое радио, я кратко обсужу недавний проект для клиента. Недавно мы разработали плату для системы тестирования и измерения, которая включала пять (да, пять) блоков беспроводной передачи, все работающие по разным протоколам с разными модулями. Хотя программно-определяемое радио было предложено в качестве решения, клиент по ряду причин придерживался своих требований.

Ценность программно-определяемого радио в этом уникальном случае применима и во многих других случаях; оно позволяет дизайнеру объединить несколько протоколов в одном передающем устройстве. На плате, о которой я упоминал выше, большая часть пространства занималась электромеханическими компонентами и большим сенсорным экраном, поэтому настаивать на программно-определяемом радио имело меньше смысла. Однако есть некоторые распространенные случаи использования, которые оправдывают внедрение программно-определяемого радио в новый продукт:

• Несколько протоколов. Это очевидно, но все же требует некоторого разъяснения. Программно-определяемое радио дает вам доступ к нескольким диапазонам в одном компоненте без увеличения количества деталей. 

• Экономия места на плате. Используя программно-определяемое радио, вы можете исключить один или несколько передатчиков, предназначенных для других протоколов. Это экономит место на плате для компонентов, которые могут поддерживать другие функции. 

• Основные и второстепенные протоколы. С помощью программно-определяемого радио вы можете получить доступ к дополнительным протоколам по мере необходимости без выделения места под дополнительный чипсет. 

• Перехват. Будь то желание перехватить незашифрованные коммуникации или желание предотвратить перехват, программно-определяемое радио делает оба варианта возможными. В частности, радио с перестройкой частоты легко реализуется с использованием программно-определяемого радио.

MCU SoC с интегрированными беспроводными передатчиками недавно пошли в этом направлении. Некоторые линейки продуктов интегрировали популярные протоколы, такие как WiFi или Bluetooth, но я не видел, чтобы передатчики для других менее используемых протоколов интегрировались в эти чипы. Это отчасти проблема спроса и предложения; эти компоненты в основном ориентированы на потребительские продукты, поэтому их можно производить в огромных масштабах. Кроме того, большая часть беспроводного ландшафта работает на этих двух протоколах (помимо сотовой связи), что имеет смысл для их интеграции в SoC. Нельзя исключать сотовую связь из рассмотрения; некоторые компоненты специально рекламируются как поддерживающие сотовую связь 3G и 4G в дополнение к другим диапазонам частот (см. ниже).

Это приводит к основному компромиссу, связанному с проектированием для программно-определяемого радио с компонентами производственного уровня: более высокие затраты. Эти компоненты все еще производятся в меньших объемах, чем их аналоги SoC и другие RF передатчики, предназначенные для конкретных диапазонов, поэтому эти компоненты имеют более высокую цену для покрытия затрат. Однако экономия на площади платы и гибкость могут в значительной степени перевесить стоимость компонентов.

Варианты компонентов для программно-определяемого радио

Основным компонентом, который вам нужно будет выбрать для системы программно-определяемого радио, является интегральная схема передатчика. Эти компоненты созданы со стандартными интерфейсами и некоторыми другими функциями, что делает их идеальными для интеграции в другие беспроводные продукты. Вам понадобится встроенный процессор какого-то типа для выполнения вашего кода, но выбор MCU/FPGA/другого процессора зависит от конфигурации передатчика, которую вы будете использовать.

Вот некоторые варианты для вашей следующей системы программно-определяемого радио.

Analog Devices, AD9361

AD9361 от Analog Devices является высокоинтегрированным широкополосным решением передатчика, поддерживающим аппаратное обеспечение для программно-определяемого радио. Этот продукт рекламируется для военного использования, а также для базовых станций 3G и 4G, но он поддерживает другие диапазоны от 70 МГц до 6 ГГц с работой в режимах FDD или TDD. Интегрированный дробный ФАПЧ обеспечивает чрезвычайно точный размер шага до 2,5 Гц, а также настраиваемую ширину канала от

Макет платы оценки, показывающий блок-схему для программируемого интегрированного передатчика AD9361 2 × 2. [Источник: Информационный бюллетень продукта Analog Devices]

Другие компоненты серии RadioVerse от Analog Devices включают другие трансиверы семейства AD936X и AD9375. Последний предназначен для того, чтобы производителям смартфонов и телекоммуникационным компаниям было легче перейти с 4G на 5G NR без необходимости изменения ручных устройств. Analog Devices произвела трансивер программно-определяемого радио с наибольшей на сегодняшний день интеграцией. Помимо этого компонента и его вариантов, другой способ начать разработку для программно-определяемого радио - выбрать широкополосный синтезатор и приемник.

Maxim Integrated, MAX2150

MAX2150 от Maxim Integrated - это упрощенный широкополосный синтезатор для использования в программно-определяемом радио и других РЧ приложениях. Этот конкретный компонент предназначен для приложений в диапазоне от 700 МГц до 2300 МГц, обеспечивая широкий спектральный диапазон. Как точный синтезатор, построенный на дробном ФАПЧ, он обеспечивает разрешение ниже 0,05 Гц при использовании с опорным генератором 10 МГц. Этот компонент также включает в себя усилитель выходного драйвера, что исключает использование внешнего РЧ усилителя, за исключением случаев, когда требуется очень большая дальность.

Ток питания, выходная мощность и блок-схема для MAX2150, из технического описания MAX2150.

Другие компоненты для программно-определяемого радио

Помимо этих двух компонентов, единственными вариантами интегрированных трансиверных ИС на рынке являются компоненты неизвестных брендов, которые я бы не рекомендовал. Тем не менее, вы можете создать свой собственный модуль трансивера с малым размером, используя множество других компонентов. Сюда входят:

• Усилители мощности РЧ

• MCU, FPGA или другие ПЛИС

• Универсальные компоненты DSP (если вы решите не использовать DSP на MCU)

• РЧ фильтры

• Синтезаторы, передатчики и приемники

• АЦП и ЦАП

Независимо от того, хотите ли вы захватывать несколько передач одновременно или вам нужно объединить компоненты в более компактный пакет, вы можете найти необходимые компоненты аппаратного обеспечения для программно-определяемого радио с помощью правильного поисковика электроники. Octopart предоставляет вам полный набор инструментов поиска с расширенными функциями фильтрации для поиска и управления цепочками поставок. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы начать поиск необходимых вам компонентов.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.