赛灵思携手ADI打造真正系统级软件定义无线电方案

作者 张国斌
两公司的合作也开创了一种模拟数字公司合作的新模式
随着通信信号在种类、频率、模式和频宽方面的不断升级,业界渴望以一种简洁高效的方式实现通信硬件的升级,于是,自上世纪九十年代起,软件定义无线电技术(SDR)技术逐渐走热,它从军用通信走入民用通信,并随着半导体射频器件的升级而步入实用化阶段。现在赛灵思与ADI携手推出了实用化的软件定义无线电方案。

AD-FMCOMMS4-EBZ是一款收发器FMC模块(下图右侧PCB板部分),它集成了AD9364 RF收发器IC,采用经济型1 x 1 SDR快速原型制作FMC模型。AD-FMCOMMS3-EBZ同为一款收发器FMC模块,针对70 MHz至6 GHz宽带调谐应用,如手持无线电和白频段无线电。完整的软件定义无线电方案由AD-FMCOMMS2-EBZ和ZedBoard ™(左侧板)构成。

“ADI的软件定义无线电方案已经经历了四个发展阶段。”在近日赛灵思与ADI联合举办SDR发布会上,ADI公司亚洲区通信业务拓展经理解勇解释说:“第一代是分立的设备,之后集成度不断提升,在AD9361推出之前有两代产品,一个是针对WCDMA3G的,但没有集成ADC和DAC,只有射频,而且支持的带宽只有5M,所以应用很有限,是2006年左右发布的,不过一直在出货,之后一代收发器产品是全集成的但射频频宽不够宽,只针对3.5G或者2.4G,信号带宽也只有2420M。所以AD9361和AD9364的确是一个具有突破性的产品。我们内部用的是创新的零中频的架构,能够外面不用加中频滤波器,就可以支持更高不同的无线平台,实现真正的SDR架构。目前主流方案是基于Zynq的平台。” ADI公司亚洲区通信业务拓展经理解勇解释道。

软件定义无线电 (SDR) 是无线电广播通信技术,它基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。IEEE对其定义是“部分或者全部物理层功能通过软件定义完成。”换言之,频带、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级,而不用完全更换硬件。SDR针对构建多模式、多频和多功能无线通信设备的问题提供有效而安全的解决方案。SDR 能够重新编程或重新配置,从而通过动态加载新的波形和协议可使用不同的波形和协议操作。这些波形和协议包含各种不同的部分,包括调制技术、在软件中定义为波形本身的一部分的安全和性能特性。

下图介绍了软件定义无线电的功能性框图

介绍了软件定义无线电的功能性框图

软件定义无线电已经提出了20多年,为什么发展如此缓慢?以前可能是受半导体器件技术的发展制约例如缺乏支持高带宽的射频收发器,而现在,制约的瓶颈可能来自了硬件设计的协同,这也是赛灵思与ADI合作推广方案的初衷。

赛灵思ADI开创合作新模式
“目前,随着半导体产品复杂度的提升,中国工程师面临的挑战很多,例如在设计方面,模拟工程师需要需了解FPGA和嵌入式系统处理技术、而数字工程师则需要了解模拟设计基础知识,硬件工程师也需要使用软件建模工具。”ADI公司中国技术支持中心经理聂海霞指出:“此外,中国工程师还面临产品面市时间、成本控制和风险控制方面的压力。如果说风险控制不好,对研发、成本和市场都会有影响。”

她表示ADI的调查显示中国的电子设备工程师平均年龄是29岁,所相对于欧美国家来讲,中国工程师要年轻很多,他们没有很多的经验积累,在设计产品时的压力非常大,另外,他们还必须有系统的概念,“我们去年的设计峰会,有200多数字模拟设计的工程师表示他们参会是想了解FPGA数字设计和FPGA应用。而也有200多熟悉FPGA的工程师表示他们参加这个设计峰会主要是想了解模拟方面设计方面的知识和模拟应用。”她举例说,“所以有一半的参会者是想了解自己熟悉的模拟和数字之外的知识,除了数字和模拟需求以外,他们还需要懂建模软件或仿真软件,能够帮助他们在设计的最初期就能把整个系统搭建起来,并且做一些仿真。”

“ADI和赛灵思进行合作都是为了让中国的工程师能够更加轻松或者更加自如的去面对市场的挑战和设计的挑战,让我们可以提供很多设计资源,以及比较有竞争力的产品,或者是更多的参考设计,使他们能设计出有差异性的,高性能,低成本的产品,且能缩短上市时间,这是ADI和赛灵思的使命,也是我们一起合作的原因和背景。”她强调指出。

据她介绍,ADI和赛灵思战略级合作,主要体现在四点:

一、 ADI的参考设计板和评估板都全面兼容赛灵思平台,都支持FMC接口标准,“不管是我们的RF DAC,还是高速ADC,包括我们其他的无线通信用的评估板,电机控制参考设计以及软件定义无线电参考设计,我们都是根据FMC标准,跟赛灵思平台进行无缝对接。所以客户如果想评估整套方案的话,可以很容易拿过来,实现原型设计。”她强调,“对于以前不是符合FMC标准的板子,可以提供转接板对接到赛灵思平台上。”

二、除了兼容FMC的设计以外,ADI还提供Pmod接口的板子,可以直接和赛灵思平台进行无缝对接。如一些精密的传感器和数据采集模块、等。

三、 ADI针对赛灵思的FPGA提供电源的解决方案。ADI的音视频产品也应用到了赛灵思FPGA的音频和视频解决方案中。

四、由ADI和赛灵思一起合办设计研讨会,共同帮助设计工程师解决设计挑战,“例如今年我们将一起合办电机控制和软件定义无线电的研讨会。”她补充道。
解勇具体介绍了发布方案中的AD9364。

与2013年10月发布的两收两发AD9361相比, AD9364是一收一发,“AD9364给客户提供更多的选择和设计的灵活性,另外也是提供一个低成本的方案。”他解释说,“软件无线电随着3G和4G的大规模部署需求强劲增长,软件无线电有两个特性,第一个是硬件平台的统一性。也就是说现在工程师需要共平台设计,一个硬件平台支持不同的频段、不同的制式和标准。第二个是其可重构性,可以通过软件编程方式支持不同的通信制式,而不需要去更改它的硬件。”

据他介绍,目前现有市场上的软件无线电的方案有两种,一种是基于分立元器件搭建成的平台,其缺点是外围电路复杂,需要较多的阻容,电感元器件,成本也较高,最突出的是其灵活性比较差,很难支持所有技术频段。

另外一种就是全集成的收发器,但除了AD936x系列之外,其他方案射频频带不够宽,信号带宽也不够宽,所以应用非常受限。“AD9364是一个全集成的射频的收发器,里面包含了有一个发射电路,一个接收电路,其中每个发射和接收都有模拟的滤波器,有混频器,有ADC和DAC,分别还有一个锁相环以及集成了VCO和传统滤波器。另外除了模拟这些功能之外,我们里面还集成了其他的一些系统级的数字功能如AGC自动增益控制,还有零中频带来的直流偏置校准以及正交误差校准等都集成进去了。”他强调,“AD9364既可以满足平台统一性,也可以满足灵活性和可重构性需求。初步统计相比分立方案,外围器件可以减少一半以上!”
AD9364的功耗700毫瓦左右。其频带范围从70MHz到6GHz,基本覆盖了现有所有通信标准,几乎所有通信制式。信号的通道带宽是从200KHz到56MHz,可以支持主流通信协议。

ADI方案和竞争对手产品对比

ADI方案和竞争对手产品对比

“客户不需要去一个一个研究寄存器定义,只需要通过我们提供的驱动软件、驱动程序去编程,去改参数就可以了。这套评估版包括两块,一个是我们AD9364的FMC射频板,另外一个是赛灵思Zynq的FPGA开发版,通过FMC接口无缝连在一起,在ADI的WiKi网站上可以下载到硬件的原理图,PCB布局图,物料清单以及HDL和ADI的驱动软件。”解勇解释道,“对于用户来说最大的好处是可以简化用户设计,然后加快用户产品的开发进度。针对AD9361和AD9364这两款产品,我们提供了单通道和双通道的FMC的射频板卡,对单通道来说我们有两块,一个是基于AD9364,叫做FMCOMMS4,这个板子可以通过软件来配置,可以让它优化工作在2.4-2.5G这个频段,也可以让它实现70MHz到60GHz很宽的频率范围。另外一个板子是支持我们基于分立器件做的S1板,频率范围是从400MHz到4GHz,对于双通道来说是基于AD9361开发的两块板卡,S2是优化在2.4G和2.5G频段范围内。如果追求最佳性能可以用这个板来进行评估。另外一个就是FMCOMMS3,这是一个宽带从70MHz到60GHz范围,是真正适合软件定义无线电的公共平台评估板于。FMCOMMS2和赛灵思Zedboard配合,是一个完整的SDR套件, FMCOMMS3和赛灵思ZC706配合组成一个完整的SDR套件。”

他表示ADI和安富利的团队也提供SDR套件系统级的技术支持。

赛灵思亚太区Zynq业务开发经理罗霖分析了FPGA在开发SDR系统方面的优势,他认为SDR系统面临五大挑战,分别是高速模拟、高速接口、SoC系统、DSP实现和嵌入式软件。分别要求了五种不同设计能力!


“你可以看到这要求工程师有五个方面的设计能力,但是一个工程师很难做到掌握这么全面的能力。所以我们要强调,这是一个系统级的合作,这是为什么今天我们跟ADI一起合作,ADI负责射频部分设计,我们来负责后面的包括从接口到嵌入式软件系统到DSP处理设计,帮大家解决这方面的挑战。”罗霖强调,“我分析下Zynq 7000 SoC在SDR系统里给大家带来的价值,我们在I/O灵活性很高,另外我们的可编程逻辑可以做出高速性能的处理,以前SDR系统里是在AD后面加上一个DSP,如果要运行嵌入式操作系统还要加入一个处理器,这样三个芯片构成一个解决方案。通过Zynq我们集成度提高了,可以使板子面积更小,功耗更低。同时,Zynq器件的DSP相比一般的多核DSP,其处理能力提升四倍!”



“刚才解勇也提到,其实在AD936X里面有1千多个寄存器,这个寄存器完全用手动去配置是很耗时也很容易出错的。所以ADI专门针对此提供了linux驱动,你可以在操作系统中通过调用FPGA的I/O实现寄存器的配置。也可以通过I/O去优化前面的RF部分。”他表示,“赛灵思与ADI提供给工程师的是软件无线电的整体解决方案,硬件层有我们的基础开发板,如ZC702或ZC706或者是安富利的Zedboard, 配上ADI做的FMC子卡,加上赛灵思的开发工具以及相关的IP,目的是要简化工程师系统的设计,降低难度。”

罗霖还进行了现场配置演示,据他称客户几天时间就可以完成一个比较复杂系统的设计。“我们一个Simulink客户如果是用HLS工具的话,可以带来10倍的开发效率提升!” 他指出,“AD+Zynq器件就可以完成一个小基站设计,好处也是不言而喻,一个面积可以很小,一个是功耗可以很低。”

解勇指出软件定义无线电有望在测试仪器、通信尤其是4G微蜂窝基站、通用无线电平台、军用通信、手持通信中获得更多应用。

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