Powermanagement bei Funktransceivern

Leistung und Stromaufnahme im Transceiver skalieren

25. Juli 2022, 6:00 Uhr | Michelle Tan

Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Monitor-Modus

In den vorigen Abschnitten wurden die unterschiedlichen Energiesparoptionen diskutiert. Um die größte Energieeinsparung in einem System zu erzielen, kann das Verringern der Leistungsaufnahme des ARDV9001 alleine noch nicht ausreichend sein. Idealerweise wird die höchste Energieeinsparung während der langen Ruhephase erzielt, wenn sämtliche Hauptkomponenten abgeschaltet werden können. Um dies zu erreichen ist ein Monitor-Modus vorhanden, der es sowohl dem ADRV9001 als auch dem BB-IC erlaubt, während der gesamten Ruhephase in den Tiefschlafzustand überzugehen – ausgenommen ein Empfangskanal, der optional aufwachen kann, um eine periodische Signalerkennung zu übernehmen.

Wird ein gültiges Signal gefunden, weckt der ADRV9001 den BB-IC sofort auf. Dieser übernimmt die Signalerkennung vom BB-IC und erlaubt es – und möglicherweise anderen Schaltungen im vom BB-IC gesteuerten System – während der gesamten Ruhephase zu schlafen, um damit die höchstmögliche Energieeinsparung für das gesamte System zu erzielen.

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Bild 9 zeigt ein vereinfachtes Zustandsdiagramm des ADRV9001 und wie er zwischen Normal- und Monitorbetrieb wechselt. Der ADRV9001 geht im Normalmodus automatisch in den Standby-Zustand über, nachdem er eingeschaltet wurde. In diesem kann der Entwickler Energiesparmodi auf Komponentenebene konfigurieren. Ist die Initialisierung erfolgreich, wechselt der ADRV9001 vom Standby- in den kalibrierten Zustand. Wie bereits erwähnt, können in diesem Zustand ungenutzte Kanäle – obwohl initialisiert – mit einem API-Befehl abgeschaltet werden, um aus dem kalibrierten Bereit-Zustand (calibrated ready substate) in den Ruhezustand (hibernate substate) überzugehen.

Aus dem kalibrierten Bereit-Zustand bereitet der Funktransceiver-IC auf Befehl die Kanäle für Sende- und Empfangsoperationen vor und alle Kanäle werden in den vorbereiteten Bereit-Zustand (primed ready substate) geschaltet.

Dieser Unterzustand (substate) entspricht dem standardmäßigen Energiesparmodus 0 auf Kanalebene. Ist das Kanalaktivierungssignal eingeschaltet, werden die Kanäle weiter in den HF_ON-Zustand gesetzt, um den Betrieb zu starten. Wie bereits diskutiert, können die Kanäle in Ruhe während eines TDD-Betriebs über die Energiesparmodi auf Kanalebene abgeschaltet werden. Wenn der Energiesparmodus 0 genutzt wird, dann wird der Ruhekanal (idle channel) aus dem HF_ON-Zustand in den vorbereiteten Bereit-Zustand (primed ready substate) versetzt. Werden die Energiesparmodi 1 oder 2 verwendet, wird der Ruhekanal vom HF_ON-Zustand in den vorbereiteten Abschalt-Zustand (primed power-down substate) gesetzt.

Der Übergang vom normalen Betrieb in den Monitor-Modus wird vom BB-IC initiiert, nachdem es den Beginn einer langen Ruheperiode erkannt hat. Im Monitor-Modus nutzt der BB-IC basierend auf der von ihm eingestellten Konfiguration die Energiesparmodi auf Systemebene 3, 4 oder 5. Sowohl der ADRV9001 als auch das BB-IC gehen in den Schlafzustand – außer einem ADRV9001-Empfangskanal, der optional aufwacht, um eine periodische Signalerkennung auszuführen. Wird ein gültiges Signal gefunden, weckt der ADRV9001 das BB-IC wieder auf und dieses deaktiviert dann den Monitor-Modus, um wieder in den Normalbetrieb überzugehen.

Wie in Bild 9 dargestellt, kennt der Monitor Modus drei Zustände: Schlafen (sleep), Erkennen (detect) und Erkannt (detected). Die Schlafen- und Erkennen-Zyklen werden über Timer gesteuert. Ist die Zeit abgelaufen und wird kein gültiges Signal erkannt, geht ein Zustand in einen anderen über. Das BB-IC bestimmt dabei den Timer und in welchem Zustand der Monitor-Modus beginnen soll.

Wird während des Erkennen-Zustands ein gültiges Signal erkannt, geht der ADRV9001 sofort in den Erkannt-Zustand über und weckt das BB-IC auf. Das BB-IC deaktiviert daraufhin den Monitor-Modus und der ADRV9001 geht wieder zurück in den Normalbetrieb. Der Start des Monitor-Modus wird wie im Energiesparmodus auf Systemebene von einem DGPIO-Pin getriggert, da diese beiden grundsätzlich sehr ähnlich sind, außer dass der Monitor-Modus auch eine Signalerkennungsfunktion hat. Tatsächlich kann der ADRV9001 mit einem API-Befehl dynamisch zwischen dem Energiesparmodus auf Systemebene und dem Monitor-Modus umschalten.

Bild 10 zeigt den detaillierten Timing-Ablauf im Monitor-Modus sowohl für den ADRV9001 als auch das BB-IC. Wenn der DGPIO-Pin des Monitor-Modus vom BB-IC aktiviert ist, geht das BB-IC in den Schlafzustand über und der ADRV9001 wartet für eine konfigurierbare Anfangsverzögerung, bevor er zum Schlafen-Erkennen-Muster übergeht, indem er die konfigurierten Timer nutzt.

Der ADRV9001 kann während der Anfangsverzögerung die Signalerkennung ausführen, um sicherzustellen, dass kein Signal vorhanden ist, bevor er in den Schlafzustand übergeht. Das Schlafen-Ekennen-Muster des ADRV9001 bleibt so lange aktiv, bis ein gültiges Signal erkannt wird. Dann weckt der ADRV9001 das BB-IC wieder auf und beginnt die empfangenen, gültigen Daten zwischenzuspeichern, um sicherzustellen, dass das BB-IC während des Schlafzustands keine gültigen Daten verliert. Nachdem das BB-IC wieder vollständig erwacht ist, aktiviert es den Empfangskanal, um zunächst alle zwischengespeicherten Daten mit einer vorkonfigurierten höheren Interface-Datenrate zu empfangen. Dann deaktiviert es den Monitor-Modus, um wieder in den Normalbetrieb überzugehen.

Das BB-IC kann den Erkennungs-Timer auf 0 setzen, so dass der ADRV9001 keine Signalerkennung ausführt, sondern das BB-IC die Signalerkennung übernimmt und es beendet den Monitor-Modus, durch deaktivieren des DGPIO-Pins, immer wenn ein gültiges Signal gefunden wird.

Der ADRV9001 bietet mehrere Signalerkennungsmethoden, um unterschiedliche Funkstandards wie RSSI (receive signal strength indicator), SYNC (synchronization) und FFT (fast Fourier transformation) abzudecken. Um ein gültiges Signal zu bestimmen vergleicht RSSI den empfangenen Signalpegel mit einem Schwellwert, so dass es für jede Art von Funkstandard verwendet werden kann. Die SYNC-Methode erkennt spezifische vom DMR-Standard definierte synchronisierte Signalmuster. FFT ist nur für Standards nutzbar, die FSK-Modulationsverfahren verwendet. Deshalb gibt es auch keine Einschränkung den Monitor-Modus auch neben DMR für weitere Standards einzusetzen.

Tabelle 8 präsentiert die Leistungsaufnahme im Schlaf- und Erkennen-Zustand des Monitor-Modus bei Einsatz unterschiedlicher Energiesparmodi auf Systemebene und während der Ruheperiode für den in Bild 7 gezeigten DMR-Anwendungsfall.

Energiesparmodus auf Systemebene	Leistungsaufnahme [mW]
	Schlafen	Erkennen
Mode 3	100	240
Mode 4	65	240
Mode 5	35	225

Abhängig von der Timer-Konfiguration für die Schlaf- und Erkennen-Zustände kann die durchschnittliche Leistungsaufnahme im Monitor-Modus bestimmt werden. Obwohl der ADRV9001 für die Signalerkennung im Erkennen-Zustand mehr Leistung benötigt als im Schlafzustand, erlaubt er es dem BB-IC während der gesamten Ruhephase zu schlafen, was zu größeren Energieeinsparungen für das gesamte System führt.

Untersuchen der Energieaufnahme mit der Transceiver Evaluation Software (TES)

Alle in diesem Beitrag vorgestellten Messungen der Leistungsaufnahme wurden mit ADRV9001-TES und dem ADRV9001-EVB (evaluation board) durchgeführt.

Weitere Informationen über die Transceiver Evaluation Software (TES) und das Evaluationsmodul (EVB) finden Entwickler auf der ADRV9002-Produktwebseite. Sowohl die FPGA-Baugruppen Xilinx-ZC706 als auch ZCU-102 werden von TES [3] unterstützt. Sämtliche Energiesparoptionen einschließlich des Monitor-Modus können, wie in Bild 11 dargestellt, in TES konfiguriert werden.

Die selbsterklärenden Seiten zur Konfiguration der Energieeinsparungen sind sehr einfach anzuwenden. Um den Anwendern dabei zu helfen, die Leistungsaufnahme ausführlich zu untersuchen ist das ADRV9001-EVB mit einem Chip zur Leistungsüberwachung ausgerüstet.

Damit können Entwickler die Leistungsaufnahme überwachen und messen. Detaillierte Werte des Leistungsbedarfs in unterschiedlichen Leistungsbereichen können in TES, wie Bild 12 zeigt, in 30-Sekunden-Intervallen angezeigt werden. Dies ist ein leistungsstarkes Visualisierungswerkzeug, um den Leistungsbedarf im Betrieb bei unterschiedlichen Kanalzuständen zu untersuchen. Dabei wird eine gute Messgenauigkeit mit einer Abweichung von weniger ±2,5 % vom Messwert erreicht.

Literatur

[1] Two-Way Radios and Battery Life. Hytera Communications, Website, 7. Dezember 2016, https://hytera-europe.com/news/two-way-radios-and-battery-life.

[2] ADRV9002 Dual Narrow-Band and Wideband RF Transceiver. Analog Devices, Datenblatt, April 202, www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adrv9002.pdf.

[3] ADRV9001 System Development User Guide. Analog Devices, UG-1828, Oktober 2021, www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/adrv9001-system-development-user-guide-ug-1828.pdf.

Die Autorin

Mizhou (Michelle) Tan

ist Product Applications Engineer bei Analog Devices. Sie arbeitet jetzt seit rund 3 Jahren in der Entwicklung von HF-Transceiver-ICs und deren Anwendungen. Bevor sie zu Analog Devices kam, studierte sie an der Sichuan University in China, die sie mit einem Titel als B. Sc. und M. Sc. in Elektrotechnik abschloss.

2004 erwarb sie ihren Titel als Ph.D. in Elektro- und Computertechnik am New Jersey Institute of Technology. Von 2004 bis 2018 war sie als Algorithm-, System- und Software-Engineer bei Agere Systems, LSI Logic und Intel beschäftigt. Sie hat über 15 Vorträge und Fachaufsätze bei technischen Konferenzen gehalten sowie in Zeitschriften veröffentlicht und hält neun Patente im Bereich Funkkommunikation und digitale Signalverarbeitung.

mizhou.tan@analog.com