Aiemmin lähinnä sotilas- ja satelliittitekniikan reaalisovelluksiin edennyt ohjelmistoradiotekniikka SDR yleistyy tulevaisuudessa muissakin langattomissa järjestelmissä kuten kännykkä- ja IoT-sovelluksissa. Puolijohdetekniikan vahva kehitystyö on tuonut suunnittelijoiden avuksi uusia tehokkaita työkaluja. Softaradio syntyy kätevästi helppokäyttöisellä kehitysalustalla.

Artikkelin ovat kirjoittaneet Avnet Silican Andreas Schugens ja Analog Devicesin Neha Baheti. Schugens toimii Avnet Memec-Silican liiketoiminnan kehitysjohtajana. Hän on saanut biolääketieteellisen insinöörikoulutuksen ja toiminut useiden lääketieteellisten yritysten ja autoteollisuuden palveluksessa. Hän siirtyi puolijohdealalle vuonna 2007 ja tuli Silican palvelukseen vuonna 2010. Neha Baheti puolestaan tuli vuonna 2015 Analog Devicesiin sovellusinsinööriksi hoitamaan yhtiön nopeiden datamuuntimien ja RF-ratkaisujen teknistä asiakastukea. Toimeen kuuluu seminaarien ja suunnittelutuen järjestämistä asiakkaille sekä laajojen markkinointikampanjoiden järjestämistä EMEA-alueella (Europe, Middle East, Africa). Hänellä on tutkinto tietoliikennetekniikassa. Ennen ADI:n palvelukseen tuloa hän työskenteli mm. 5G-järjestelmien fysikaalisen kerroksen tutkimustyön parissa Nokia Networksissa Münchenissa.

Pääasiassa ohjelmiston kautta määritellyistä laitealustoista on jo kasvava määrä reaalimaailman sovellusesimerkkejä. Hyvä esimerkki on ohjelmoitavia logiikkapiirejä hyödyntävä FPGA-laitealusta. Samalla periaatteella toimii myös idea ohjelmistopohjaisesta radiosta. SDR-konsepti (Software Defined Radio) on määritelty IEEE P1900.1-työryhmässä ’radioksi, jossa kaikki tai osa fyysisen kerroksen toiminnoista on määritelty ohjelmallisesti’.

Vaikka teollisuudessa on kehitetty SDR-ratkaisuja jo toistakymmentä vuotta, todellinen tarve ohjelmistoradion laajaan soveltamiseen on syntynyt vasta hiljattain. Viime vuosina on syntynyt nopeasti kasvava joukko erilaisia radiopohjaisia laitteita, jotka soveltavat yhä kirjavampaa joukkoa protokollia, taajuuksia, kaistaleveyksiä ja modulaatiotekniikoita. Vaikka saattaa vaikuttaa siltä, että tarve uusiin radiolaitteisiin liittyvien haasteiden ratkaisemiseen SDR-pohjalta on jo ajanut teknologian kehityksen ohi, todellisuudessa ohjelmistoradion teknologia on kaiken aikaa kehittynyt rinta rinnan tämän kysynnän kanssa – tai jopa sen edellä.

Ohjelmisto tuo joustavuutta

Perinteinen radiotekniikka perustuu laitteistoon, joka on ”viritetty” vain kutakin erityistä toteutusta varten. Sen sijaan ohjelmistoradio hyödyntää yhtä joustavaa laitteistoa, joka pystyy toimimaan miltei rajattomasti kaikilla mahdollisilla taajuusalueilla ja hyödyntämään kaikkia tarvittavia protokollia ja modulaatiotekniikoita. Avain tähän RF-teknologian ihmelääkkeeseen on nopea siirtyminen analogisen ja digitaalisen tason välillä, jolloin valtaosa järjestelmän signaalinkäsittelystä voidaan hoitaa digitaalisella tasolla ohjelmallisesti ohjattuna, mihin myös termi SDR viittaa.

Tämän käsittelyprosessin vaatima valtava nopeus lienee ollut aiemmin suurin rajoittava tekijä käytännön toteutuksille. Integroitujen sekasignaalipiirien ja yhä nopeampien digitaalipiirien jatkuva kehitystyö on kuitenkin tehnyt ajatuksen teknologian aiheuttamista rajoituksista jo vanhentuneeksi väärinkäsitykseksi.

Antennitekniikan lisäksi tehokas SDR-ratkaisu vaatii kolme keskeistä tekijää: muunnos analogisesta digitaaliseen tasoon, syntyvien signaalien digitaalinen käsittely sekä muunnos digitaalisesta tasosta takaisin analogiseen tasoon. Vaikka tämä saattaa vaikuttaa melko yksinkertaiselta, on suunnittelijoiden yllettävä huippuosaamiseen kullakin näistä osa-alueista, jotka yhdessä määräävät ohjelmistoradioalustan kokonaistehokkuuden.

Tämä tuo tietysti kehitystyöhön omat haasteensa, ja siksi SDR-konseptin käyttöönotto on edennyt nopeimmin muutamilla erityisillä sovellusalueilla, joilla on todistettavasti saavutettu jo myönteisiä tuloksia. Näitä ovat esimerkiksi sotilaslaitteiden, matkapuhelinverkkojen ja satelliittijärjestelmien modeemitekniikat. Mutta SDR-teknologian mahdollisuuksia muilla sovellusalueilla, kuten IoT-järjestelmissä, ei pidä sivuuttaa tai väheksyä. Valmistajat kehittävät jatkuvasti uusia ratkaisuja, jotka tarjoavat entistä enemmän toiminnallisuuksia yhä pienemmin kustannuksin, mikä on koko puolijohdeteollisuutta eteenpäin ajava voima.

Jotta tämän kehityksen jatkumista voidaan edesauttaa, alan johtavat yritykset tarjoavat entistä helpomman pääsyn omiin teknologioihinsa kehittämällä yhteistyössä avoimia alustoja ja standardoituja rakenteita. Näitä ratkaisuja tukevat yhtenäisin tavoin lukuisat eri valmistajat tarjoamalla riittävästi tukipalveluja ja teknisiä resursseja.

Edistyneitä lähetin-vastaanottimia

Käsittelemällä SDR-konseptin avaintekijöitä erikseen mutta johdonmukaisesti puolijohdepiirien valmistajat Xilinx ja Analog Devices ovat onnistuneet luomaan rakenteeltaan modulaarisen, täydellisen ratkaisun SDR-järjestelmien kehittämiseen ja evaluointiin. Kehitysalusta pohjautuu ADI:n FMC-tytärkorttiin (FPGA Mezzanine Connector). Tämä moduuli (AD-FMCOMMS2-EBZ) perustuu lähetin-vastaanotinpiiriin AD9361, joka on toiminnoiltaan erityisen joustava. Moduulin on tarkoitus tarjota RF-alusta kaikille radiojärjestelmille 2,4 GHz taajuusalueella. Näitä ovat esimerkiksi jo vakiintuneet Bluetooth, ZigBee ja WiFi sekä uudet nousevat RF-tekniikat kuten Thread ja muut omia protokolliaan samalla ISM-kaistalla hyödyntävät järjestelmät. Tämä on mahdollista moduuliin sijoitetun 2,45 gigahertsin symmetrointielimen (balun) ansiosta, joka ADI:n mukaan voidaan tarpeen vaatiessa myös vaihtaa toisen tyyppiseksi.

Kehitysalusta on tarkoitettu ensisijaisesti laitepuolen ja RF-piirien suunnittelijoille, mutta sen ’sisarkortti’ (AD-FMCOMMS3-EBZ) soveltuu valmistajan mukaan paremmin ohjelmistonkehittäjille. Molemmat ovat sinänsä ominaisuuksiltaan hyvin samankaltaisia. Suurin ero on siinä, että sisarkortin RX/TX-lohkossa sovelletaan differentiaalisia signaaleja yksinapaisiksi (epäsymmetrisiksi) muuntavaa symmetrointielintä, joka tekee siitä helpommin sovellettavan laajoja taajuudensäätöalueita vaativiin kohteisiin (kuva 1).

Kuva 1: HDL-laitekaavio sisältää kaikki IP-lohkot, jotka tarvitaan datan siirtämiseksi AD9361-lähetin-vastaanottimelle ja takaisin SDR-kehtiysalustaksi tarkoitetulla AD-FMCOMMS3-EBZ-kortilla.

AD9361-piirin lisäksi kehityskortit sisältävät joitakin ADI:n tehopiirejä. ADP1755 on vähäisen jännitepudotuksen omaava (LDO) lineaariregulaattori, ADP7104 on 500 milliampeerin tarkkuusregulaattori ja ADP190 on yläpuolisen kuorman kytkentään tarkoitettu MOSFET-tehokytkin. Kaikki kortin tarvitsema teho on tarkoitettu syötettäväksi moduuliin liitetystä FPGA-levystä FMC-liittimen kautta, joka välittää myös SPI- ja ohjaus/valvontasignaalit.

Pääkomponentti AD9361 integroi datapolun. Vastaanottopolku tukee kahta suoramuunnosta RF-vastaanottokanaville. Datapolku käsittää pienikohinaisen vahvistimen (LNA), demodulaattorin, alipäästösuotimen (LPF), AD-muuntimen ja digitaaliset suotimet. Lisäksi siihen kuuluvat automaattinen vahvistuksen säätö (AGC), kvadratuurikalibrointi ja DC-offsetin kalibrointi. Piiriin on integroitu jatkuvatoiminen, sigma-delta-tyyppinen AD-muunnin, joka yltää 640 meganäytteen sekuntinopeuteen.

Myös lähetyspuoli tukee kahta suoramuunnosta RF-kanaville kahden täysin integroidun taajuussynteesilohkon avulla (silmukkasuotimet mukana). Lisäksi lähetyspuolella on 320 meganäytteen sekuntinopeuteen yltävä DA-muunnin sekä digitaalisuotimet, jotka tarjoavat 128 suodinkerrointa ja interpoloinnin välillä 2-48 (kuva 2).

Kuva 2: AD9361 on integroitu 2x2-muotoinen lähetin-vastaanotin, joka kattaa taajuusalueen 70 MHz – 6 GHz.

Tämä joustava suorituskykyinen mikropiiri on mukana ADI:n kehityskortilla AD-FMCOMMS2-EBZ, joka tarjoaa saumattoman yhteyden Xilinxin FPGA-kehitysympäristöön ja helpottaa näin SDR-prototyyppien ja -järjestelmien nopeaa kehitystyötä.

FPGA-laskentatehoa

AD-FMCOMMS2/3-EBZ-moduulit on suunniteltu käytettäväksi liitettyinä FPGA-pohjakorttiin, joka täyttää kaikki digitaalisen prosessoinnin tarpeet SDR-järjestelmän toteuttamiseksi. Moduulit on erityisesti suunniteltu liitettäviksi Xilinxin kehittämään evaluointijärjestelmään Virtex-7 FPGA VC707. Kyseessä on joustava, kaikki toiminnot kattava ja erittäin nopea sarjamuotoinen kehitysalusta, joka perustuu yhtiön kehittämään pohjakorttiin Virtex-7 XC7VX485T-2FFG1761C (kuva 3).

Kuva 3: Xilinxin evaluointialusta Virtex-7 FPGA VC707.

Evaluointialusta sisältää piirikortin lisäksi suunnittelutyökalut täydellisenä pakettina (Vivado Design Suite: Design Edition) sekä tarvittavat IP-lohkot. Kortilla on kaksi FMC-liitintä (FPGA Mezzanine Connector), joiden avulla pohjakorttia voidaan laajentaa ja räätälöidä tytärkorteilla (esim. AD-FMCOMMS2/3-EBZ). FMC1-HPC-liitin tarjoaa 160 yksinapaista/80 differentiaalista liitäntää ja FMC2-liitin vastaavasti 116/58 liitäntää. Siinä on myös HDMI-videolähtö sekä liitännät 2x16-kokoiselle nestekidenäytölle ja kahdeksalle ledille.

Evaluointikortin kytkentänopeus yltää 40 gigabittiin sekunnissa. Muistiliitäntä puolestaan kykenee toimimaan yhden gigatavun kokoisen DDR3 SODIM -muistin kanssa enimmillään 800 MHz/1600 Mb/s nopeudella. Sarjamuotoista liikennettä hoitavat PCIe Gen2x8-, SFP+-, SMA-, UART- ja IIC-liitännät. Kortilla käytettävät FPGA-piirit tukevat myös Xilinxin 32-bittiseen RISC-arkkitehtuuriin perustuvia MicroBlaze-prosessorilohkoja. Kehitysalustaa voidaan käyttää sovelluksiin, jotka hyödyntävät 10-100-1000 Mb/s Ethernet-verkkoja (GMII, RGMII ja SGMII).

Eriasteisia SDR-ratkaisuja

Ohjelmistoradiotekniikan tärkein yhteistyöelin on Wireless Innovation Forum (vuoteen 2009 asti SDR Forum), joka on alan epäkaupallinen kehitysyhteisö. Sen tavoitteena on tukea vahvasti SDR-teknologian käyttöönottoa eriasteisina konsepteina. Näitä ovat esimerkiksi adaptiivinen radio, kognitiivinen radio ja älykäs radio.

Adaptiivinen radio on järjestelmä, joka kykenee sopeutumaan vaihtuviin oloihin valvomalla ja muuttamalla omaa suorituskykyään. Kognitiivinen radio puolestaan osaa havainnoida omaa RF-ympäristöään ja tehdä päätöksiä tämän informaation perusteella. Älykäs radio taas määritellään kognitiiviseksi radiojärjestelmäksi, joka kykenee ympäristötietoisuuden lisäksi oppimaan.

Vaikka ohjelmistoradioon liittyviä tekniikoita on tutkittu ja kehitetty jo suhteellisen pitkään, SDR on kaikkea muuta kuin taantumassa. Markkinoiden luoma kasvava kysyntä ja alueen nopea tekninen kehitys takaavat käyttöönoton yleistymisen myös tulevaisuudessa. Konseptin taustalla vahvasti etenevä puolijohde- ja laitevalmistajien kehitystyö, josta tässäkin artikkelissa on hyviä esimerkkejä, takaa sen, että SDR-teknologian käyttöönotto kaikenlaisissa radiotekniikkaa soveltavissa järjestelmissä on entistä helpompaa myös uusille soveltajille.