多通道RF至比特開(kāi)發(fā)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)相控陣的快速原型設(shè)計(jì)

作者：Peter Delos, Charles Frick, and Michael Jones

未來(lái)天線設(shè)計(jì)的行業(yè)趨勢(shì)是相控陣實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)趨勢(shì)，加上上市時(shí)間的壓力迫使開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短，給相控陣系統(tǒng)的RF設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。與射頻電子相關(guān)的一些挑戰(zhàn)包括：

在多通道環(huán)境中驗(yàn)證射頻電子器件

跨通道同步和校準(zhǔn)驗(yàn)證

軟件開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)硬件開(kāi)發(fā)并行

為了應(yīng)對(duì)這一行業(yè)挑戰(zhàn)，出現(xiàn)了基于軟件可配置高速轉(zhuǎn)換器的新型多通道RF至比特開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該開(kāi)發(fā)平臺(tái)集成了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、RF分配、功率調(diào)節(jié)和時(shí)鐘，以提供16通道直接S波段采樣解決方案。

集成射頻采樣高速轉(zhuǎn)換器

最新版本的高速轉(zhuǎn)換器在單芯片硅片上集成了ADC、DAC和數(shù)字信號(hào)處理模塊。The MxFE?圖1所示的四通道、16位、12 GSP、RF DAC和四通道、12位、4 GSP、RF等ADC就是一個(gè)例子，包括4個(gè)ADC、4個(gè)DAC和數(shù)字上/下變頻器，以及數(shù)控振蕩器（NCO）和有限脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器。DAC的額定采樣率為12 GSPS，ADC的額定采樣率為4 GSPS。模擬帶寬通過(guò)S波段和低C波段提供直接采樣和波形生成。

圖1.AD9081功能說(shuō)明

轉(zhuǎn)換器處理更多的RF頻段，并在片上嵌入DSP功能，使用戶能夠配置可編程濾波器以及數(shù)字上變頻和下變頻模塊，以滿足特定的無(wú)線電信號(hào)帶寬要求。與在FPGA中執(zhí)行這些功能的架構(gòu)相比，專用芯片中的嵌入式處理可顯著降低功耗。釋放寶貴的 FPGA 資源使設(shè)計(jì)人員能夠使用更具成本效益的 FPGA，或?qū)?FPGA 資源分配給更高級(jí)別的系統(tǒng)應(yīng)用處理。

16 通道直接射頻采樣開(kāi)發(fā)平臺(tái) （四通道 MxFE）

16通道直接RF采樣開(kāi)發(fā)平臺(tái)如圖2所示，框圖如圖3所示。為了解釋命名約定：我們將集成轉(zhuǎn)換器命名為混合信號(hào)前端（MxFE），16通道板包含四個(gè)MxFE，并被命名為四通道MxFE。四個(gè) MxFE 分別包含 4 個(gè) DAC 和 ADC，有 16 個(gè)發(fā)射通道和 16 個(gè)接收通道。

圖2.16通道直接RF采樣開(kāi)發(fā)平臺(tái)（四通道MxFE）。

圖3.四通道 MxFE 框圖。

RF部分包含巴倫、放大器和濾波器，以簡(jiǎn)化RF接口。在收發(fā)器通道上，包括一個(gè)低通濾波器來(lái)抑制DAC鏡像以及DAC輸出端的典型增益模塊。在接收器通道上，包括兩個(gè)增益級(jí)和增益控制以及用于二階奈奎斯特采樣的帶通濾波器。濾波器位于Mini-Circuits的1206濾波器封裝中，允許用戶將濾波器交換為替代應(yīng)用。

通道間距以每 T/R 對(duì) 600 mil 實(shí)現(xiàn)，支持 X 波段、半波長(zhǎng)、單極元件晶格間距。在這個(gè)尺寸上，該設(shè)計(jì)展示了每個(gè)元件數(shù)字波束成形系統(tǒng)的兼容性，最高可達(dá)X波段頻率。由于四通道 MxFE 直接生成 S 波段，因此可以添加單個(gè)額外的 RF 混頻以實(shí)現(xiàn) X 波段頻率操作。

包括時(shí)鐘電路，所有時(shí)鐘均來(lái)自一個(gè)公共參考頻率。每個(gè)轉(zhuǎn)換器提供鎖相相至基準(zhǔn)頻率的PLL，并提供AD9081時(shí)鐘輸入。包括一個(gè)測(cè)試點(diǎn)注入選項(xiàng)，用于使用備用轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘源進(jìn)行評(píng)估。數(shù)字時(shí)鐘也源自公共參考頻率。內(nèi)置一個(gè)時(shí)鐘芯片，為AD9081提供SYSREF以進(jìn)行同步，F(xiàn)PGA所需的時(shí)鐘，以及為AD9081提供基準(zhǔn)頻率的選項(xiàng)，允許使用AD9081內(nèi)部的PLL。

包括功率分配和調(diào)節(jié)，如圖4所示。所有必需的電壓均來(lái)自單個(gè) 12 V 輸入。配電設(shè)計(jì)包括開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的組合，然后是用于敏感模擬電壓的低噪聲線性穩(wěn)壓器。

圖4.四通道 MxFE 配電。

軟件控制

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了軟件、固件和FPGA代碼，以便通過(guò)更高級(jí)別的處理語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的控制。編寫了 MATLAB 腳本和 GUI，允許系統(tǒng)工程師開(kāi)發(fā)模型，以直接連接到 MATLAB 環(huán)境中的硬件。MATLAB 接口支持使用仿真中測(cè)試的自定義波形進(jìn)行評(píng)估，并直接在硬件中進(jìn)行評(píng)估。接收數(shù)據(jù)捕獲接口支持用戶對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的處理。?

軟件和固件均為開(kāi)源，類似于基于我們最新收發(fā)器或轉(zhuǎn)換器的其他ADI模塊。

結(jié)論

四通道 MxFE 射頻至位開(kāi)發(fā)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)多功能原型設(shè)計(jì)環(huán)境。這些功能包括：

開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用于顯示轉(zhuǎn)換器 IC 和跨板的多通道同步。

在客戶之前在評(píng)估板環(huán)境中驗(yàn)證多通道性能，而不是致力于生產(chǎn)設(shè)計(jì)，其唯一目的是同時(shí)測(cè)試多個(gè)通道。

集成和功能級(jí)別，支持軟件開(kāi)發(fā)與硬件產(chǎn)品化并行。

高速轉(zhuǎn)換器周圍所有電路的完整參考設(shè)計(jì)，包括 RF I/O、時(shí)鐘和同步電路、配電和高速數(shù)字 I/O 路由。

這些功能的結(jié)合可以消除多通道RF系統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的原型設(shè)計(jì)步驟，使RF工程師能夠利用實(shí)施并將精力集中在系統(tǒng)解決方案上。RF-to比特開(kāi)發(fā)平臺(tái)最初旨在實(shí)現(xiàn)相控陣開(kāi)發(fā)。然而，它提供的多功能性已經(jīng)適用于任何多通道射頻系統(tǒng)，如雷達(dá)、電子戰(zhàn)、5G 和儀器儀表應(yīng)用。其結(jié)果是一個(gè)單硬件、多應(yīng)用平臺(tái)，提供了一個(gè)真正的軟件定義的多渠道環(huán)境。

審核編輯：郭婷