開(kāi)拓思維想法，為射頻芯片增加可編程功能教程

眾所周知，FPGA是從簡(jiǎn)單的膠合邏輯合并一直發(fā)展到能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字功能。在這個(gè)過(guò)程中，F(xiàn)PGA包含了種類(lèi)越來(lái)越廣泛的硬邏輯內(nèi)核和功能，比如處理 器和專(zhuān)用接口模塊。一些FPGA還擁有復(fù)雜的模擬功能，如高速收發(fā)器，但總的來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA實(shí)際上才觸及到模擬世界的邊緣。

與此相反，現(xiàn)場(chǎng)可編程射頻芯片（FPRF） 來(lái)源于無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域，它給人們帶來(lái)了令人興奮的新的可能性。在最高的抽象層，F(xiàn)PRF發(fā)送器接受數(shù)字化的數(shù)據(jù)流，然后轉(zhuǎn)換成無(wú)線(xiàn)信號(hào)。與此同時(shí)接收器執(zhí)行相反 的操作。另外還有編程關(guān)鍵參數(shù)（如射頻頻率、增益和帶寬）的功能。通常一個(gè)FPRF芯片包含框圖1所示的幾個(gè)主要部分：

圖1：FPRF芯片的幾個(gè)主要構(gòu)成部分

當(dāng)我第一次學(xué)習(xí)這種器件時(shí)，我發(fā)現(xiàn)它帶來(lái)的射頻功能有點(diǎn)類(lèi)似于FPGA在邏輯域中提供的功能。首先，它由客戶(hù)進(jìn)行編程，而不是在工廠中進(jìn)行編程。其次，配套的工具允許客戶(hù)進(jìn)行在線(xiàn)試驗(yàn)和修改參數(shù)。第三也是最重要的一點(diǎn)，應(yīng)用范圍僅受用戶(hù)想象力的限制。

這款FPRF芯片是在美國(guó)國(guó)內(nèi)為一家名為L(zhǎng)ime Microsystems的英國(guó)公司制造的。器件型號(hào)是LMS6002D，但Lime公司創(chuàng)造了FPRF這個(gè)新的縮略詞，因?yàn)檫@個(gè)詞抓住了產(chǎn)品的本質(zhì)。

下面讓我們更深入地了解這個(gè)產(chǎn)品。無(wú)線(xiàn)傳輸使用了多種不同的調(diào)制方案，同時(shí)芯片接受同相（I數(shù)據(jù)）和正交（Q數(shù)據(jù)）字形式的數(shù)據(jù)。在發(fā)送路徑中，數(shù)據(jù)先經(jīng)一對(duì)片上數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換成兩個(gè)模擬信號(hào)。用戶(hù)可以選擇旁路掉這些DAC，將模擬信號(hào)直接注入器件或監(jiān)視DAC的輸出。

下一步操作是對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。這個(gè)濾波器的通帶由用戶(hù)編程為范圍從1.5MHz至28MHz的16個(gè)不同帶寬之一。濾波將信號(hào)限制為所選的帶寬，并衰減掉任何帶外噪聲或來(lái)自DAC的混疊信號(hào)。下面是發(fā)送（TX）路徑的框圖：

圖2：發(fā)送（TX）路徑的框圖

濾波器可以將信號(hào)提升6dB，隨后緊跟著的可編程基帶增益電路可以經(jīng)過(guò)調(diào)整提供最高達(dá)31dB、增量為1dB的增益。然后信號(hào)經(jīng)混頻后直接提供所要求的調(diào)制 射頻輸出。發(fā)送PLL合成器將輸入PLL時(shí)鐘乘以一個(gè)可編程的比值，然后產(chǎn)生一個(gè)具有嚴(yán)格精度的穩(wěn)定頻率。射頻增益級(jí)電路（當(dāng)然是可編程的）提供從 FPRF器件輸出的最終信號(hào)提升。發(fā)送功率電平無(wú)需任何進(jìn)一步放大就足夠用于短距離的通信，比方數(shù)十米。用戶(hù)可以使用外部放大電路增加通信距離。

不出意外，接收路徑也是高度可編程的。FPRF器件提供三種低噪聲放大器（LNA）選擇。通用的寬帶輸入電路設(shè)計(jì)用于處理頻譜從300MHz至3.8GHz 的射頻輸入信號(hào)。為了增強(qiáng)性能，另外兩個(gè)低噪聲放大器分別針對(duì)300MHz至2.8GHz（Lo LNA）和1.5GHz至3.8GHz（Hi LNA）的信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化。下面給出了：

圖1：FPRF芯片的幾個(gè)主要構(gòu)成部分

接收路徑中的混頻器使用與發(fā)送器相同的PLL時(shí)鐘輸入，但用不同的合成器提供全雙工和直接下變頻功能。在模擬信號(hào)被數(shù)字化并輸出為I&Q數(shù)據(jù)流之前，還要經(jīng)過(guò)可編程增益和濾波電路。

所有不同單元的配置都是通過(guò)簡(jiǎn)單的SPI接口編程進(jìn)控制邏輯。每個(gè)單元都是通過(guò)加載一個(gè)16位的字進(jìn)行編程的，這個(gè)過(guò)程可以是靜態(tài)的，對(duì)更為復(fù)雜的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，也可以在線(xiàn)修改參數(shù)。

配置是用簡(jiǎn)單的圖形用戶(hù)界面完成的，在這個(gè)界面上可以控制上述功能以及測(cè)試和回路模式。這個(gè)圖形用戶(hù)界面如下所示：

圖4：用于控制FPRF器件的圖形用戶(hù)界面

至此我們已經(jīng)考慮了器件技術(shù)性細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)單描述——但你可以用它來(lái)做什么呢？好吧，這個(gè)芯片設(shè)計(jì)得非常靈活，因?yàn)樗年P(guān)鍵應(yīng)用之一是毫微微蜂窩和微微蜂窩，下面我來(lái)詳細(xì)解釋。這些盒子用作蜂窩電話(huà)的本地基站，并且鏈接進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)，從而在家里或小型辦公室內(nèi)提供快速連接。舉例來(lái)說(shuō)，靠我家最近的基站是在山的另外一邊，因此我的接收信號(hào)很不穩(wěn)定。毫微微蜂窩可以讓我不再依賴(lài)于來(lái)自基站的信號(hào)。

為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)射頻芯片的挑戰(zhàn)在于，全球的蜂窩系統(tǒng)是不同的，4G或LTE手機(jī)要做到真正的全球覆蓋，可能需要40種以上不同的組合。因此FPRF設(shè)計(jì)師不得不做成可編程的，以免受限于單一市場(chǎng)。

一旦你的芯片覆蓋了所有蜂窩頻率，你也就覆蓋了許多其它應(yīng)用。例如，將電視傳送從模擬改為數(shù)字可以釋放一堆頻譜用于新的無(wú)線(xiàn)服務(wù)。這些頻譜被稱(chēng)為“空白電視信號(hào)頻段”，許多公司正在努力開(kāi)發(fā)各種各樣的產(chǎn)品，范圍涵蓋了家用電器、智能抄表、機(jī)器到機(jī)器（M2M）和農(nóng)村寬帶。

頻譜分析儀就是Lime公司用于演示的一個(gè)應(yīng)用。芯片中的接收器在上述頻段上掃描并偵聽(tīng)所有頻率，即時(shí)輸出顯示為頻譜圖。這個(gè)應(yīng)用展示了FPRF芯片快速和動(dòng)態(tài)改變的能力。軍用系統(tǒng)制造商很快抓住了這個(gè)機(jī)會(huì)，正在致力于設(shè)計(jì)軟件無(wú)線(xiàn)電（SDR）系統(tǒng)。

但是只有當(dāng)你把FPGA和FPRF組合在一起時(shí)事情才真正變得有趣起來(lái)。所有現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)都大量欠缺用于調(diào)整信號(hào)并從噪聲中恢復(fù)出數(shù)據(jù)的數(shù)字處理功能。 Myriad-RF評(píng)估板可以連接TerAsic公司的Altera DeO-Nano板和FPGA 夾層卡（FMC）賽靈思板，包括Artix整個(gè)7系列的產(chǎn)品、Kintex和Virtex所有可編程FPGA和Zynq所有可編程SoC。上述應(yīng)用所需的 Myriad-RF接口板可以通過(guò)Azio公司定購(gòu)。

將FPGA和FPRF電路板組合在一起

同時(shí)訪問(wèn)可編程射頻和可編輯邏輯開(kāi)啟了全新的機(jī)會(huì)。例如，我研究過(guò)在大學(xué)教學(xué)和研究中使用FPRF器件的可能性，它將開(kāi)啟各種繽彩紛呈的應(yīng)用。研究人員正在 考慮將這種器件用于蜂窩應(yīng)用，如此便可以在邏輯域?qū)崿F(xiàn)特定算法，并在射頻輸出端查看結(jié)果。另一方面，F(xiàn)PRF可以接收微弱信號(hào)，研究人員可以用FPGA試 驗(yàn)不同的糾錯(cuò)機(jī)制。其它可能性包括將FPRF芯片用于評(píng)估自組織網(wǎng)絡(luò)、地面穿透雷達(dá)或車(chē)到車(chē)通信的資源管理算法。

FPRF允許專(zhuān)業(yè)人士和業(yè)余愛(ài)好者都能訪問(wèn)靈活的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，這些收發(fā)器在今后幾年中將應(yīng)用于許多新的產(chǎn)品。當(dāng)然，如果想要發(fā)送無(wú)線(xiàn)信號(hào)，不要忘了確認(rèn)當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)允許的功率電平和頻率。