برد FPGA ZYNQ AD9361

در این برد تراشه AD9361  از شرکت Analog Devices یک تراشه گیرنده و فرستنده رادیویی

(RF Transceiver) است که برای کاربردهای متنوع بی‌سیم طراحی شده است. این تراشه به دلیل انعطاف‌پذیری بالا و قابلیت تنظیمات گسترده، در بسیاری از پروژه‌های ارتباطات بی‌سیم، رادارها و سیستم‌های SDR (Software Defined Radio) استفاده می‌شود.

ترکیب بخش فرکانس رادیویی (RF) با قسمت سیگنال مختلط و باند پایه دیجیتال، طراحی این تراشه را ساده کرده و امکان ارتباط مستقیم با پردازنده‌های باند پایه (BBP) را فراهم می‌کند.

ویژگی‌های کلیدی مخابراتی برد FPGA ZYNQ AD9361

پوشش فرکانسی گسترده:
محدوده فرکانس کاری گیرنده از 70 مگاهرتز تا 6 گیگاهرتز و فرستنده از 47 مگاهرتز تا 6 گیگاهرتز است.

این گستره فرکانسی باعث می‌شود که تراشه بتواند در باندهای متعددی مانند GSM، LTE، Wi-Fi و موارد دیگر به کار گرفته شود.

پهنای باند قابل تنظیم برد FPGA ZYNQ AD9361:

پهنای باند کانال RF از 200 کیلوهرتز تا 56 مگاهرتز قابل تنظیم است.

این قابلیت برای بهینه‌سازی مصرف توان و کارایی سیگنال بسیار مفید است.

ساختار دوکاناله:

AD9361 دارای دو کانال مستقل فرستنده و گیرنده است که امکان ارتباط همزمان دوطرفه

(Full-Duplex) را فراهم می‌کند.

تبدیل دیجیتال و آنالوگ داخلی:

تراشه مخابراتی دارای مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ (DAC) و آنالوگ به دیجیتال (ADC) است که امکان پردازش سیگنال‌های RF در حالت دیجیتال را فراهم می‌کند.

پشتیبانی از SDR در بردFPGA ZYNQ AD9361:

این برد برای سیستم‌های رادیویی تعریف‌شده با نرم‌افزار (SDR) ایده‌آل است و امکان تغییر تنظیمات فرکانس و پهنای باند به‌صورت نرم‌افزاری را می‌دهد.

کاربردهای برد FPGA ZYNQ AD9361

• سیستم‌های مخابراتی بی‌سیم:

AD9361 در سیستم‌های 3G، 4G، LTE، WiMAX به‌عنوان یک ماژول گیرنده/فرستنده قابل اطمینان استفاده می‌شود.

• رادیو نرم‌افزار (SDR):

این تراشه در توسعه سیستم‌های SDR به‌ویژه در حوزه‌های نظامی و صنعتی محبوبیت بالایی دارد.

• رادار:

با توجه به دقت بالای AD9361، می‌توان از آن در رادارها و سیستم‌های پیشرفته شناسایی بهره گرفت.

• موقعیت یابی و GPS:

قدرت و دقت این تراشه، آن را برای موقعیت یابی و ناوبری بسیار مناسب کرده است.

• جنگ الکترونیک:
  باند فرکانسی گسترده و قابلیت‌های تنظیم دقیق این تراشه، آن را برای کاربردهای راداری، نظامی و جنگ الکترونیک ایده‌آل می‌کند.
• ارتباطات بی‌سیم:
  AD9361 در سیستم‌های LTE، WiMAX، و Wi-Fi برای انتقال داده‌های بی‌سیم با سرعت بالا استفاده می‌شود.
• اتوموبیل های خودران یا کمک راننده ADAS:
  یکی از مهمترین کاربردهای این برد میتوان سیستم کمک راننده و یا خودروهای خودران باشد.
• اینترنت اشیا (IoT):

در کاربردهای IoT که به ارتباطات بی‌سیم نیاز دارند، AD9361 یکی از گزینه‌های ایده‌آل است. البته به دلیل قیمت، ممکن است در این حوزه زیاد مورد استفاده قرار نگیرد. به جای آن از آیسی های دیگری مانند sim800 استفاده میشود.

مزایای استفاده از AD9361 در برد FPGA ZYNQ AD9361

انعطاف‌پذیری بالا:

آیسی مخابراتی در این برد، به دلیل داشتن تنظیمات بسیار زیاد و ارتباط گیری با پروتوکل SPI میتواند به راحتی با نرم افزار به صورت کاملا انعطاف پذیری به کار گرفته شود.

کاهش هزینه‌های طراحی:

با استفاده از AD9361، نیاز به مدارهای RF پیچیده کاهش می‌یابد، چرا که بسیاری از عملکردهای RF به صورت داخلی پیاده‌سازی شده‌اند. البته در صورتی که نیاز به طراحی پروژه RF خاص باشد، میتوان از مدارات بخصوص آن استفاده کرد.

اندازه کوچک:

AD9361 شامل دو فرستنده (TX) و دو گیرنده (RX) است که همه در یک تراشه جمع شده‌اند. این طراحی باعث کاهش اندازه و البته پیچیدگی سیستم شده است.

مصرف انرژی بهینه:

با قابلیت تنظیم توان و دامنه سیگنال فرستنده، این تراشه برای دستگاه‌های قابل حمل که از باتری تغذیه میکنند، ایده‌آل است.

رابط دیجیتال: پشتیبانی از رابط CMOS/LVDS برای ارتباط با پردازنده‌های پایه‌باند.

معایب و چالش‌های AD9361 در برد FPGA ZYNQ AD9361

پیچیدگی طراحی:

استفاده از برد FPGA ZYNQ AD9361 نیازمند دانش فنی بالا در زمینه RF و طراحی سیستم‌های بی‌سیم است.

این تراشه دارای تنظیمات بسیار زیادی است که فقط متخصصین میتوانند با آن ارتباط بگیرند.

هزینه نسبتا بالا:

به دلیل امکانات پیشرفته، هزینه این برد ممکن است برای پروژه‌های کوچک مناسب نباشد.

نیاز به پردازنده‌های کمکی:

برای استفاده بهینه از AD9361 معمولاً به پردازنده‌های FPGA برای کنترل و پردازش سیگنال نیاز است.

ساختار داخلی تراشه در برد FPGA ZYNQ AD9361

AD9361 از بخش‌های مختلفی تشکیل شده است که هر یک نقش خاصی در عملکرد تراشه دارند:

گیرنده (RX): شامل تقویت‌کننده کم‌نویز (LNA)، میکسرهای I/Q، و مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) 12 بیتی برای دریافت سیگنال‌های RF از 70مگاهرتز تا 6 گیگاهرتز میباشد.
این گیرنده ها از سیستم تبدیل مستقیم استفاده می‌کنند که از تقویت‌کننده کم نویز (LNA)، میکسرها، و فیلترها تشکیل شده است.

• کنترل دستی و خودکار دامنه: در برد FPGA ZYNQ AD9361، دامنه گیرنده از طریق یک جدول دامنه پیش‌برنامه‌ریزی شده تنظیم می‌شود. این تنظیمات می‌تواند به صورت دستی یا خودکار (AGC) انجام شود.
• اندازه‌گیری RSSI: هر کانال دارای قابلیت اندازه‌گیری مستقل RSSI است. RSSI به معنای اندازه گیری قدرت سیگنال دریافتی است.
• کالیبراسیون خودکار: مدارهای لازم برای کالیبراسیون خودکار در شرایط مختلف محیطی مخصوصا با تغییر دما در این تراشه تعبیه شده‌اند.
• ADC‌های 12 بیتی: تبدیل سیگنال‌های I و Q به داده‌های دیجیتال.

فرستنده (TX): شامل مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ (DAC) 12 بیتی، میکسرهای I/Q، و تقویت‌کننده‌های خروجی. فرکانس سیگنال ارسالی میتواند از 47 مگاهرتز تا 6 گیگاهرتز باشد.

• فیلتر FIR: دارای فیلتر FIR با قابلیت 128 ضریب و قابلیت تنظیم نرخ نمونه‌برداری.
• DAC با دقت 12 بیت: برای تبدیل سیگنال‌های دیجیتال به آنالوگ با نرخ نمونه‌برداری قابل تنظیم.
• کالیبراسیون خودکار: تنظیم خودکار در زمان واقعی برای بهبود دقت ارسال داده.
• مانیتورینگ توان خروجی: شامل بلوک TX Monitor برای اندازه‌گیری دقیق توان خروجی.

سوال: برای افزایش توان ارسالی و یا دریافت سیگنال های ضعیف چه باید کرد؟ راه حل استفاده از تقویت کننده مخابراتی است.

رابط SPI برد FPGA ZYNQ AD9361

رابط SPI چهار سیمه، جهت کنترل AD9361 مورد استفاده قرار میگیرد. این رابط امکان پیکربندی تنظیمات مختلف از جمله دامنه، فرکانس‌ و دیگر مشخصه های عملیاتی را فراهم می‌کند.

پین‌های ورودی/خروجی کنترل‌پذیر نیز برای کنترل دستی دامنه و تنظیم فرستنده/گیرنده وجود دارند.

پردازش دیجیتال:

AD9361 دارای بخش‌های پردازش دیجیتال داخلی است که شامل فیلترهای دیجیتال، میکسرها، تنظیم پهنای باند، فرکانس و تقویت‌کننده‌های قابل تنظیم می‌باشد.

کنترل نرم‌افزاری: تراشه مخابراتی در برد FPGA ZYNQ AD9361 از طریق SPI قابل برنامه‌ریزی و کنترل است. این ارتباط به بخش PS پردازنده زینک کنترل میشود.

کنترل گین اتوماتیک: بخش AGC(automatic gain control) که به صورت اتوماتیک میتواند در گیرنده، گین را کنترل کند. مخصوصا زمانی که با تغییر دما، کالیبراسیون سیستم تغییر میکند.

پشتیبانی از MIMO:

پشتیبانی از تکنولوژی چند ورودی و چند خروجی MIMO (Multiple Input Multiple Output) که برای افزایش ظرفیت و کیفیت سیستم‌های ارتباطی ضروری است.

مبدل‌های کمکی AUXADC AUXDAC (AUXILIARY CONVERTERS)

AUXADC: مبدل کمکی آنالوگ به دیجیتال 12 بیتی برای اندازه‌گیری ولتاژهای خارجی و قابلیت گسترش عملکرد توسط سیگنال آنالوگ خارجی.

AUXDAC: دارای دو مبدل دیجیتال به آنالوگ 10 بیتی با ولتاژ و جریان خروجی قابل تنظیم. که میتوانند برای توسعه سیستم بسیار مفید باشند.

سوالات متداول

1. آیا تراشه AD9361 از هر دو مد TDD و FDD پشتیبانی می‌کند؟

بله، این تراشه از هر دو مد TDD و FDD پشتیبانی می‌کند و برای سیستم‌های مختلف قابل برنامه‌ریزی است.

2. حداکثر پهنای باند برد FPGA ZYNQ AD9361 چقدر است؟

حداکثر پهنای باند کانال قابل پشتیبانی توسط تراشه 56 مگاهرتز است.

3. مصرف توان تراشه در حالت خواب چقدر است؟

مصرف توان تراشه در حالت خواب تنها 180 میکروآمپر است.

4. آیا برد FPGA ZYNQ AD9361 برای سیستم‌های MIMO مناسب است؟

بله، این تراشه با داشتن دو کانال گیرنده و فرستنده مستقل، برای سیستم‌های MIMO ایده‌آل است.

معرفی پردازنده ZYNQ 7000 در برد FPGA ZYNQ AD9361

تراشه‌های Zynq 7000  که توسط شرکت Xilinx تولید می‌شوند، در خانواده‌ای از پردازنده‌های قابل برنامه‌ریزی و سیستم‌های بر پایه FPGA (Field Programmable Gate Array) قرار دارند.

این تراشه‌ها ترکیبی از پردازنده‌های ARM Cortex-A9 (در اکثر مدل‌ها) و FPGA هستند که به‌طور هم‌زمان قابلیت‌های پردازش نرم‌افزاری و سخت‌افزاری را ارائه می‌دهند. زینک ۷۰۰۰ این امکان را به توسعه‌دهندگان می‌دهد که از مزایای هر دو بخش پردازش استفاده کرده و سیستم‌های پیچیده‌تری را طراحی کنند.

پردازنده برد FPGA ZYNQ AD9361 به دلیل انعطاف‌پذیری بالا، کارایی و قابلیت اطمینان در صنایع مختلف به‌ویژه در کاربردهای صنعتی، خودرویی، ارتباطات، نظامی و پزشکی کاربرد دارند.

نوشته مرتبط با این موضوع : کاربرد FPGA در مخابرات

از آنجا که انجام پروژه FPGA قابلیت‌های طراحی سخت‌افزاری مجدد را فراهم می‌کنند، زینک ۷۰۰۰ در پیاده‌سازی الگوریتم‌های پیچیده و زمان واقعی بسیار کارآمد است.

مشخصات فنی پردازنده برد FPGA ZYNQ AD9361

1. پردازنده ARM Cortex-A9 تراشه‌های زینک ۷۰۰۰ معمولاً دو یا چهار هسته ARM Cortex-A9 را شامل می‌شوند که به‌طور مستقل یا هم‌زمان می‌توانند کار کنند. این پردازنده‌ها عملکرد بالا و مصرف توان پایین را برای سیستم‌های پردازشی پیچیده فراهم می‌کنند.
2. FPGA (Field-Programmable Gate Array): زینک ۷۰۰۰ در حقیقت یک تراشه ترکیبی است که پردازنده ARM را با FPGA ترکیب می‌کند. این FPGA با توجه به ویژگی‌های آن مانند تعداد و نوع بلوک‌های منطقی، حافظه‌های قابل برنامه‌ریزی، و رابط‌های پرسرعت، انعطاف‌پذیری بی‌نظیری در طراحی سخت‌افزار فراهم آورده است.
3. پهنای باند بالا به‌واسطه‌ استفاده از High-Speed Transceivers، این تراشه‌ها می‌توانند ارتباطات پرسرعت را پشتیبانی کنند. این ویژگی برای ارتباط های پرسرعت، از جمله شبکه اترنت و USB بسیار مفید هستند.
4. پشتیبانی از I/Oهای مختلف: تراشه‌های زینک ۷۰۰۰ قابلیت‌های گسترده‌ای برای ورودی و خروجی‌های دیجیتال دارند که می‌توانند برای ارتباط با حسگرها و دستگاه‌های جانبی استفاده شوند. این قابلیت‌ها شامل SPI، I2C، UART، و USB و GPIO هستند.

همچنین در برد FPGA ZYNQ AD9361، پنجاه عدد پایه ورودی خروجی برای پشتیبانی از این قابلیتها در نظر گرفته شده است.

5. پشتیبانی از قابلیت چند پردازشی (MPSoC): زینک ۷۰۰۰ به‌ویژه برای پیاده‌سازی سیستم‌های پردازش موازی و بهینه‌سازی عملکرد طراحی شده‌اند.

امکان پردازش موازی و اختصاصی کردن هر بخش از سیستم به واحدهای مختلف پردازشی و سخت‌افزاری این تراشه را برای کاربردهای پیچیده مانند پردازش تصویر پرسرعت، مناسب می‌سازد.

6. پشتیبانی از سیستم‌های عامل های مختلف: تراشه‌های زینک ۷۰۰۰ می‌توانند با سیستم‌عامل‌های مختلف از جمله لینوکس، FreeRTOS، و دیگر سیستم‌عامل‌های زمان واقعی (RTOS) کار کنند.

کاربردهای زینک ۷۰۰۰

تراشه‌های زینک ۷۰۰۰ که پردازنده اصلی برد FPGA ZYNQ AD9361 است، به دلیل ویژگی‌های برجسته‌ای که دارند، در انواع مختلفی از کاربردهای صنعتی و تجاری به کار می‌روند:

1. ارتباطات و شبکه: زینک ۷۰۰۰ به دلیل پشتیبانی از پهنای باند بالا و قابلیت‌های پردازش سریع داده‌ها، در ارتباطات مخابراتی، شبکه‌های 4G/5G، اینترنت اشیا (IoT) به‌طور گسترده استفاده می‌شود. این تراشه‌ها می‌توانند به‌عنوان واحدهای پردازشی در نودهای شبکه یا به‌عنوان تقویت‌کننده‌های سیگنال در سیستم‌های ارتباطی عمل کنند.
2. اتوماسیون صنعتی: در زمینه اتوماسیون صنعتی، زینک ۷۰۰۰ برای کنترل و پردازش داده‌ها در سیستم‌های نظارت و کنترل استفاده می‌شود. ترکیب پردازنده ARM و FPGA امکان پردازش داده‌های سنسور در زمان واقعی را فراهم می‌آورد و به‌طور ویژه برای سیستم‌های کنترل پیچیده که نیاز به پردازش دقیق و سریع دارند، مناسب است.
3. خودروهای هوشمند تراشه‌های زینک ۷۰۰۰ در صنعت خودروسازی برای توسعه سیستم‌های کمک‌راننده پیشرفته (ADAS)، موقعیت یابی و ناوبری، پردازش داده سنسورهای مختلف و کنترل خودروهای خودران به صورت یک سیستم نهفته کار می‌روند. توانایی پردازش همزمان داده‌های متعدد و اجرای الگوریتم‌های پیچیده در زمان واقعی برای صنعت حمل و نقل بسیار مهم است.
4. سنسورها و پردازش سیگنال: زینک ۷۰۰۰ در کاربردهایی مانند پردازش سیگنال‌های رادیویی، پردازش تصویر و صوت، و تحلیل داده سنسورها، به‌ویژه در دستگاه‌های پزشکی و پژوهشی استفاده می‌شود.

استفاده از FPGA در برد FPGA ZYNQ AD9361 امکان تطبیق سریع و بهینه‌سازی الگوریتم‌های پردازش سیگنال را فراهم می‌آورد.

1. سیستم‌های دفاعی و نظامی: در صنایع دفاعی و نظامی، تراشه‌های زینک ۷۰۰۰ برای سیستم‌های راداری، ارتباط امن، کنترل پرواز و سیستم‌های شبیه‌سازی به‌کار می‌رود.

قابلیت‌های پردازشی پیچیده و امنیت بالای این تراشه‌ها در شرایط بحرانی و زمان‌های واقعی باعث شده تا در این صنعت نیز به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند.

1. کاربردهای FPGA چیست؟ کاربردهای FPGA

پردازنده برد FPGA ZYNQ AD9361  با ترکیب پردازنده‌های ARM Cortex-A9 و FPGA، یک پردازنده قدرتمند و انعطاف‌پذیر برای توسعه‌دهندگان است.

این تراشه‌ها در بسیاری از صنایع مانند ارتباطات، اتوماسیون صنعتی، خودروهای هوشمند، سنسورها و سیستم‌های دفاعی کاربرد دارند.

زینک، با ارائه قابلیت پردازش همزمان نرم‌افزاری و سخت‌افزاری، امکان پیاده‌سازی سیستم‌های پیچیده و زمان واقعی را فراهم می‌آورند.