高級RF收發(fā)器滿足SDR應(yīng)用的需求教程

令人驚訝、有時撲朔迷離的一系列無線標準，具有不同的頻率、帶寬、協(xié)議和格式，為用戶帶來了前所未有的連接性和訪問性。但是同時，它也意味著無線系統(tǒng)工程師在設(shè)計或調(diào)查問題、性能和選項等過程中面臨著嚴峻的考驗。

解決途徑似乎很明確：盡可能減少專用硬件的使用，并且以軟件定義無線電（SDR）方案取而代之，以便盡可能實現(xiàn)與管理更多的發(fā)送和接收功能。目前市場上的高性能、低功耗處理器（包括FPGA）以及它們高速執(zhí)行復(fù)雜算法的能力，使這類實時方案得以實現(xiàn)。

但該解決方案有一個現(xiàn)實的阻礙：很難為接收器和發(fā)送器信號路徑設(shè)計寬帶模擬電路。因此，大部分寬帶SDR使用了一組重疊、平行的模擬通道，每通道均針對整體 頻段內(nèi)的特定片段優(yōu)化，同時每個片段內(nèi)的帶寬與目標信號相匹配。雖然這種方法在技術(shù)上是可行的，但實現(xiàn)該技術(shù)所需的硬件、PC板面積、功耗都十分可觀—— 當然還有成本。

這便是Epiq Solutions公司（伊利諾伊州紹姆堡鎮(zhèn)）開發(fā)其最新SDR單元——Maveriq多通道可重配置RF收發(fā)器（見圖1）——時所面臨的窘?jīng)r。該收發(fā)器 是一款結(jié)合了多個RF收發(fā)器，用于數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)置固態(tài)硬盤（SSD），板載運行Linux的Intel x86 CPU，以及用于高速數(shù)據(jù)訪問的千兆以太網(wǎng)接口的先進平臺。它以小封裝提供出色的SDR能力，并且覆蓋100MHz至6GHz調(diào)諧范圍。作為針對任務(wù)關(guān)鍵 型應(yīng)用的先進、可重配置無線電系統(tǒng)的設(shè)計者和構(gòu)建者，該公司目標是提供比現(xiàn)有Matchstiq SDR更強大的多通道版本產(chǎn)品。

圖1：Maveriq多通道可重新配置RF收發(fā)器。

盡 管具有先進的特性和功能，Maveriq卻是一款便攜式低功耗平臺，而之前的解決方案都需要大量繁重的硬件配置。Maveriq結(jié)合了可立即運行的專業(yè)軟 件應(yīng)用庫，能夠即刻投入使用，解決棘手的信號處理要求。這些要求包括：掃描和解碼來自基站及手機的蜂窩無線電信號；在內(nèi)部硬盤（SSD）上記錄寬帶RF以 及RF回放信號；實現(xiàn)2×2多輸入多輸出（MIMO）波形。

提供新的設(shè)計方法

專為SDR應(yīng)用量身定制的全新IC——ADI的RF捷變收發(fā)器AD9361——得以讓 Epiq公司的工程師將如此多的功能封裝在一個小型、低功耗單元中。Epiq CEO兼系統(tǒng)架構(gòu)師John Orlando表示：“AD9361為我們提供了新一代SDR平臺所需的RF靈活性與集成度?！?/p>

這款10mm×10mm芯片 級器件集成了雙獨立通道（如圖2所示），具有200kHz至56MHz用戶可調(diào)諧帶寬，以及工作速率高達61.44MSPS的12位ADC與DAC，另外 還提供建立70MHz至6GHz信號鏈所需的其他特性與性能。用戶可實時調(diào)節(jié)關(guān)鍵的工作參數(shù)，以便盡量匹配應(yīng)用要求。使用該器件可縮小整個模擬前端（AFE）的整體尺寸，同時將這部分設(shè)計的功耗保持在1W范圍內(nèi)，即保持在產(chǎn)品功耗預(yù)算范圍內(nèi)。

圖2：ADI公司AD9361 RF捷變收發(fā)器IC框圖。

整個Maveriq單元（如圖3所示）采用一對AD9361即可支持2×2 MIMO或4通道接收器配置，RF調(diào)諧范圍為100MHz至6GHz，步進大小為1kHz，調(diào)諧時間為2ms。該單元包括：性能為1PPS的集成式GPS 接收器，支持100MB/s以上（持續(xù)）數(shù)據(jù)記錄速率、容量高達1TB的內(nèi)部SSD，以及與外部系統(tǒng)接口的千兆以太網(wǎng)。

圖3：Maveriq單元簡化系統(tǒng)框圖

處理功能集中在運行Linux的雙核Intel x86 CPU和用于信號處理任務(wù)的FPGA，連同實時可加載/可執(zhí)行軟件應(yīng)用程序，所有這些都由針對應(yīng)用定制的軟件開發(fā)套件（SDK）提供支持。整個單元尺寸僅 為9.1“×6.6”×1.7“（23cm×16.7cm×4.3cm），重1.9lb（0.9kg），功耗為15W（取決于FPGA和I/O使用情 況）。

當然，合適的RF性能才可充分發(fā)揮處理能力。接收器的典型噪聲系數(shù)低于8dB，典型IIP3為–10dBm。發(fā)送端性能參數(shù)（如帶寬、調(diào)諧和速度）可補償接收端數(shù)目，并且輸出功耗為+5dBm。

雖然AD9361 IC是實現(xiàn)該設(shè)計的關(guān)鍵，但總能實現(xiàn)進一步的性能改善。某些應(yīng)用要求將RF性能向下延展至20MHz及更低的范圍，這超出了AD9361能夠處理的范圍。另外，選擇可在低至20MHz工作的RF元器件（比如低噪聲放大器，LNA） 同樣有一定的難度，尤其是尺寸和功耗受限型設(shè)計。通常，人們會認為，低功耗處理技術(shù)的進步配合大容量存儲器產(chǎn)品，再加上高速數(shù)字I/O和連接（全部由摩爾 定律所推動）對于小型、高性能SDR而言已經(jīng)足夠。而事實上，用于接收路徑和發(fā)送路徑的前端通道具有同等的重要性，并且，兼有模擬處理、濾波和轉(zhuǎn)換的RF IC的發(fā)展不僅最大程度降低了算法的負擔(dān)，同時還能實現(xiàn)大部分SDR的實際性能。