AD9361 SDR: ソフトウェア設計無線の紹介

今日の高度に統合されたソリューションは、マルチプロトコル、広帯域の単一無線アーキテクチャを提供する軍事プログラムとして始まった技術の創始者の最も大きな夢を超えています。SDRは当時は理論上のものでしたが、ハードウェアの簡素化、新機能の導入、複数の変調技術のサポートといった実用的な戦略を実現する技術と手法が開発されました。これには、新しい方法が発明されたときのアップグレードも含まれます。今日のSDRは低コストで、高度に統合され、多用途です。これは、過去の扱いにくく高価な個別設計とは大きく異なります。現在、革新的な機能を含む進歩のおかげで、 AD9361 そして AD9364 - アナログ・デバイセズの シングルチップRFアジャイル トランシーバーであるSDRも高性能を主張できます。さらに、アナログ・デバイセズは、十分に文書化された使いやすいリファレンス設計をベースにしたハードウェアとソフトウェアの完全なエコシステムにより、設計者がこのテクノロジを利用できるように努めてきました。

ソフトウェア定義無線 (SDR) とは何ですか?

SDRは時代を先取りしたアイデアであり、1970年にデジタル受信機のコンセプトとともに始まった豊かな歴史を持っています。かなりの技術的課題により、現代の無線システムの急速な変化に対抗して勢いを維持するのに苦労しています。ユニバーサルラジオの夢は、軍事通信の将来性を確保し、相互運用性を促進する試みとして、90年代に国防高等研究計画局 (DARPA) によって実現されました。その結果、統合戦術無線システム (JTRS) として知られる数十億ドル規模の米国防衛プログラムと、ソフトウェア通信アーキテクチャ (SCA) と呼ばれる抽象化レイヤーが誕生しました。この野心的なプロジェクトは、10年以上の研究開発を経て最終的には失敗に終わりましたが、基盤となる技術の大きな前進につながりました。こうした進歩にもかかわらず、SDRはシステム コスト、サイズ、電力消費のせいで、商用消費者製品の分野で本格的に足場を築くことができませんでした。AD9361などの最近の技術革新によりSDRが実用的かつ手頃な価格で実現されるまで、SDRは軍事およびインフラストラクチャ向けのテクノロジーのままでした。

 

図1: AD9361アジャイルトランシーバーの紹介

商用通信製品におけるSDRの使用の転換点は、低コストの デジタル信号プロセッサ (DSP) CMOSプロセスにおけるアナログとRFの統合の進歩。これらの革新により、第2世代のセルラー システムで中間周波数 (IF) およびベースバンド サブシステムをデジタル化できるようになりました。デジタル化により、無線アーキテクチャの要素が ムーアの法則 軌道。処理能力が向上するにつれて、エラー訂正、高度な変調方式、効率的なデータ コーディング方法、チャネル イコライゼーションなどの高度なアルゴリズム機能が急速に導入されました。処理能力の向上と再構成可能なロジックの改善により、これらの要素は更新および変更が可能なソフト実装になりました。AD9361は、非常に柔軟な構成と便利な機能により、これらのデジタルプラットフォームに最適です。 シーモス または LVDSインターフェース 実証済みのLinuxドライバー サポート。 

SDRの進歩

アダプティブ無線とコグニティブ無線は、SDR分野における最新の進歩です。これらは同様の概念であり、必要な電力と統合を実現するにはAD9361が必要です。無線では、使用する固定周波数帯域やプロトコルが割り当てられるのではなく、波形、プロトコル、周波数、ネットワークのトランシーバー構成を動的に調整して、利用可能なスペクトルを最大限に活用します。 デバイスが移動すると、その環境が変化し、RF接続はこれに動的に応答して、すぐに利用可能な最高のサービスを最適に利用しようとします。これは、AD9361の広い周波数帯域と変調帯域幅によって対応できます。スマート無線の提案の中には、適応型 メッシュ ネットワーキングを組み込んだものもあれば、直交周波数分割多重アクセス (OFDMA) を使用して未使用のスペクトルをスペクトル プーリング アプローチで活用することを提案するものもあります。次世代の最終的な方向性はまだ定義されていませんが、広帯域コグニティブ無線が一般的に採用されると、無線通信に革命が起こるでしょう。最終的な方向性に関係なく、すべての潜在的な戦略には、AD9361で対応できる柔軟性とパフォーマンスに関連する同じ課題が共通しています。

デジタル処理の進歩にもかかわらず、トランシーバーには、フロントエンド増幅、フィルタリング、周波数生成、ダウンコンバージョンのための高性能RFアナログ ステージが依然として必要です。十分なパフォーマンスと柔軟性を備えたRF機能を統合することが難しいため、SDRは根本的に制限されていました。RF要素を統合しようとすると、基礎となる半導体の性能の制限により、感度、選択性、直線性、および分離性においてトレードオフが生じます。このため、業界では、パフォーマンスと機能性を犠牲にせずに柔軟性と統合性を向上させることはできない、という一般的な考え方が広まりました。Analog Devices AD9361は、4G LTEなどの仕様を満たすパフォーマンスでパラダイムを変えました。これにより、設計者が期待するパフォーマンスを犠牲にすることなく、サイズとコンポーネント数を大幅に削減できます。完全に構成可能かつスケーラブルであり、マルチチップ システムで同期して使用して機能を拡張できます。高い柔軟性と統合性により、市場投入までの時間が短縮され、消費電力と基板面積が削減されます。対象アプリケーションには、P2P通信システム、フェムトセル/ピコセル/マイクロセル基地局、汎用無線システム、広帯域コグニティブ無線、MIMOなどがあります。主なハードウェア機能は次のとおりです:

•     別々の信号パスを持つ2つの完全に独立したトランシーバー。単一チップの2x2構成で使用したり、ビームフォーミングやMIMOなどのアプリケーション向けに4x4、8x8またはそれ以上のシステムで同期したりできます。各受信機には最大3つの差動入力と6つのシングルエンド入力が組み込まれています。AD9364アジャイル トランシーバーは、AD9361のシングル トランシーバー バージョンです。
•    トランシーバーが周波数分割デュプレックス (FDD) モードまたは時分割デュプレックス (TDD) モードで動作できるようにする、2つの独立したローカル発振器 (LO) が統合されています。2.5Hzの周波数チューニング解像度をサポートする統合型フラクショナルnシンセサイザー。
•    周波数範囲（70MHz～6000MHz）。
•    オンチップ12ビットADCにより、547kSPS* から61.44MSPSまでのソフトウェア設定可能なサンプリング レート。
•    AGC、DCオフセット補正、直交補正を統合。
•    優れた受信機ノイズ指数 (2dB @800MHz LO)。
•    優れた送信機ノイズフロア (-157dBm/Hz)。
•    ベースバンド プロセッサへの便利なインターフェイスを実現するCMOSおよびLVDSインターフェイス オプション。

*この番号は現在改訂中です

図2: AD9361評価ボード

(a)    Analog Devices AD-FMCOMMS2-EZBボード

 
(b)    Arrow Electronics HSMC ARRADIOボード

AD9361は完全なエコシステムに組み込まれており、AD9361の迅速な評価とSDR製品の開発を可能にします。これは、動作するハードウェア プロトタイプとソフトウェア ドライバーを事前に開発する必要がなくなるため、通信システムを開発する真に革新的な方法です。これにより、開発チームは、基盤となるアーキテクチャではなく、設計の差別化機能に集中できるようになります。SDKには包括的なソフトウェア サポートとシミュレーション モデリングが備わっています。Analog DevicesはRFとSDRの分野で長い歴史を持ち、MathWorks SimRFツールボックスをベースにしたAD9361のシミュレーション環境を提供しています。AD9361専用ではありませんが、Analog Devicesには受信機のダイナミック レンジを最大化するSDRのような技術に関する技術資料が多数あります。 これらの参考文献では、クロック ジッタの関数としてのADCノイズ指数 (NF) や信号対雑音比 (SNR) など、SDRに関連する重要な計算について説明します。AD9361は、ドライバのソース コードから評価回路ボードの実例ドキュメントのステップ バイ ステップ ガイドまですべてが含まれるAnalog Devices Wikiによって直接サポートされています。ソフトウェアの観点から見ると、AD9361およびAD9364デバイスとエコシステムの機能は次のとおりです。

•    ソフトウェア コマンドで簡単に設定できるため、使い方が簡単です。
•    完全なトランシーバー開発エコシステム - スイートにはLinuxユーザー アプリケーション、Linuxおよびベアメタル/OSなしのデバイス ドライバーが含まれており、設計を簡素化するためのリファレンス ハードウェアも利用できます。
•    の ARラジオ Arrowのハードウェア リファレンス デザイン システムが利用可能です。低コストと互換性のあるHSMCメザニンカード ソキット Cyclone V SOCデュアルARM Cortex-A9を中心に構築された開発キット。
•    AD-FMCOMMS2 – EZB EMCハードウェア リファレンス デザインが利用可能です。FMCベースのキャリア カードと互換性のあるFMCメザニン カード。
•    SDKには、あらゆるベースバンド処理システムに簡単に接続できる、非依存のFMCコネクタが搭載されています。
•    SDKには、テスト出力用の連続トーンのDDSを生成し、ストリーミング ファイルから直接送信し、受信機の出力をキャプチャして画面に表示できるユーザー アプリケーションとリファレンス デザインが含まれています。
•    Linux産業用入力出力 (IIO) オシロスコープ アプリケーション。時間領域、星座、スペクトルFFTで受信機情報を確認します。デバッグ オプションにより、AD9361内のレジスタの低レベルのピークとポークが可能になります。
•    Linuxのおかげで、デバイス特性の変更は、単純なファイルのオープン、読み取り、書き込み、クローズ操作によって行われます。
•    さまざまな電力レベルと周波数でのトランシーバーのノイズと非線形性を正確に表す、検証済みのMatlab Simulink SimRFモデルが利用可能です。これらを使用すると、設計のパフォーマンスを予測し、仮想環境で設定を微調整して実際のハードウェアに近づけることができます。MathWorks Instrument Control Toolbox™ を使用すると、RF測定を自動化し、スペクトル アナライザーや信号発生器に接続して、リファレンス ハードウェアを使用してデバイスをテストできます。

 

図3: AD-FMCOMMS2とARRadio評価システム

AD9361 SDR信号パス

デュアル受信機セクションは、RF信号をデジタル データに変換してから、ベースバンド プロセッサ (BBP) に渡します。2つの独立したチャネルにより、共通の周波数シンセサイザーを共有しながら、複数入力、複数出力 (MIMO) システムが可能になります。受信機ごとに3つの入力を多重化できるため、複数のアンテナが必要な受信機ダイバーシティ システムでAD9361を使用できます。ダイレクトコンバージョン受信機はアンテナからデータを入力し、それを 低ノイズアンプ (LNA) に渡します。これに続いて、整合された直交増幅器とミキサー要素が続きます。バンドパス フィルターは、RFがベースバンドにデシメートされる際に信号を整形し、エイリアシング スペクトルを除去します。追加の増幅または選択性が必要な場合は、デバイスの前に外部LNAまたはフィルタリングを組み込むことができます。自動ゲイン制御 (AGC) は、信号レベルを自動またはBBP制御によって調整できます。受信信号強度表示 (RSSI)、DCオフセット追跡、および自己キャリブレーションに必要な回路も組み込まれています。12ビットADCのサンプル レートを調整できます。デジタル化された信号は、一連のフィルターと128タップのFIRフィルターによってさらにデシメーションできます。デュアル ダイレクト コンバージョン トランスミッタは、BBPからデジタル データを受信し、プログラム可能な128タップFIRフィルタと一連の補間フィルタを通じて補間します。調整可能なサンプリング レートを備えた12ビットDAC がデジタル信号をアナログ信号に変換します。結果として得られる直交チャネルは、ミキサーによってRFにアップコンバートされます。直交信号は結合され、整形のためにバンドパス フィルターを通過します。RF信号は送信のために出力アンプに送られます。各チャンネルには調整可能な 減衰器、リアルタイムの自己校正、および送信電力モニターが備わっています。

コグニティブ無線 - 現在と将来の軍事用SDR

兵士は現在、Thales社のAN/PRC-154 RiflemanなどのJTSR SDR無線を使用しています。

 

これらは、アドホックの同時音声およびデータ ネットワークを自己形成および自己修復する機能を備えた優れた無線であり、アップグレード性と相互運用性のためのソフトウェア定義機能を備えています。他の無線機のリピーターとしても機能します。軍用SDR無線は、さまざまなプロトコルに適応し、軍と民間の組織間で相互運用できます。将来的には、SDR機能により、軍事通信は混雑した妨害スペクトル環境に動的に適応し、利用可能な最良の接続であるコグニティブ無線を利用して効率と帯域幅を向上させることができます。最良の接続は、現在使用されていないスペクトルを使用することです。これは動的に変化する条件です。携帯電話ネットワーク や狭帯域トランキング無線システムと同様に、民間防衛当局や政府当局はサービスを確保するためにユーザーをシステムから締め出すことができます。これは民間防衛の緊急事態においては極めて重要です。軍用コグニティブ無線は、単に受動的にスペクトルを利用するだけでなく、必要に応じて積極的にスペクトルを獲得する可能性もあります。コグニティブ無線がスペクトル環境と相互作用する方法は、エチケットと呼ばれます。

SDRは、ブロードバンド接続を最適化することで状況認識に大きな利点をもたらすと考えられています。軍がSDRの実現に重要だと考えているもう1つの分野は、更新とアップグレードです。最新のコーディング、機能セット、データベースを使用して無線をアップグレードできるため、システムは新しい要件や機能に適応できるようになります。これにより、無線システムの寿命も延びるはずです。軍はコグニティブ無線を、OODAループ（観察、方向付け、決定、行動）と呼ばれるプロセスの延長と見なしています。これらはこのプロセスの不可欠な部分です

現代のワイヤレス ネットワーク接続に関連する機能が戦場での通信にとってますます重要になるにつれて、軍隊は戦術的な携帯電話のコンセプトに向かっています。すべての歩兵装備と同様に、重量とサイズを削減しながらバッテリー寿命を延ばすという大きなプレッシャーがあり、より高度な統合の必要性が高まっています。これらのニーズは、AD9361をベースにしたSDRトランシーバーによって満たすことができます。この将来の戦術的携帯電話には、コグニティブ無線機能が必要になります。パフォーマンスを動的に最適化するために、機械学習を組み込んだインテリジェント無線が必要になる可能性もあります。民生用電子機器と同様に、兵士もタブレット、ラップトップ、カメラなどのさまざまな接続デバイスを利用できる必要があります。スマート車両、航空機および ドローンやロボットなどの自律システム – 将来的には、戦場で相互運用しネットワーク化するために、外骨格でも認知型（つまりSDR）無線機能が必要になるかもしれません。妨害などの電子対抗手段を実行できる軍用SDR無線機を実現するための研究が進められています。また、ロボット工学やセンサーデータの監視のための制御リンクの追加も検討しています。コグニティブ無線ネットワークによるバックグラウンド センサー モニタリングにより、化学、生物、さらには放射線レベルに関する動的な地形データが提供され、戦場の全体像をより正確に把握できるようになります。

SDRテクノロジーの未来

限られた混雑したスペクトルをより有効に活用するよりスマートなデバイスの必要性が高まるにつれて、SDRは急速に進化し続けています。AD9361と、その低コストのシングルトランシーバーであるAD9364は、現在のおよび次世代のSDRのニーズを満たすのに最適です。AD9361は、コグニティブ無線システムを実現する優れたデバイスです。高度な統合性と柔軟性により、コンポーネント数、サイズ、消費電力を削減できます。包括的で使いやすい開発キットと十分に文書化されたリファレンス デザインにより、トランシーバー製品の開発がこれまでになく容易になりました。XilinxおよびAltera FPGA SOC開発キットの両方と互換性のあるハードウェア リファレンス デザインが利用可能です。これにより、デュアルARM Cortex A9を搭載した低コストのFPGAベースのSOCに基づいて、RFとBBPの両方の迅速な開発パスが提供されます。実績のあるLinuxドライバーにより設計スイートが完成し、ソフトウェア開発プロセスが簡素化されます。

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