多通道RF到數(shù)據(jù)開發(fā)平臺助力相控陣原型開發(fā)

簡介

未來天線設(shè)計的行業(yè)發(fā)展趨勢是采用相控陣。這種技術(shù)趨勢加上上市時間壓力，造成的開發(fā)時間縮短問題，為相控陣系統(tǒng)領(lǐng)域的RF設(shè)計人員帶來了多項挑戰(zhàn)。與RF電子相關(guān)的挑戰(zhàn)包括：

（1） 在多通道環(huán)境下驗證RF電子

（2）跨多通道驗證同步和校準(zhǔn)

（3）軟件開發(fā)與量產(chǎn)硬件開發(fā)并行

為了解決這些行業(yè)挑戰(zhàn)，新型多通道RF到數(shù)據(jù)開發(fā)平臺應(yīng)運而生。此開發(fā)平臺集成了軟件可配置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、RF分發(fā)、功率調(diào)節(jié)和時鐘，以提供一個16通道、S頻段的直接采樣解決方案。

集成RF采樣高速轉(zhuǎn)換器

ADI公司的高速轉(zhuǎn)換器在單芯片上集成了ADC、DAC和數(shù)字信號算法模塊。圖1所示的MxFE?四通道16位、12 GSPS RF DAC和四通道12位、4 GSPS RF ADC即是一個示例，包含4個ADC、4個DAC、多個數(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的采樣速率為12 GSPS，ADC的采樣速率為4 GSPS。模擬帶寬在S頻段內(nèi)提供直接采樣和波形生成，并進(jìn)入低C頻段。

轉(zhuǎn)換器處理更廣泛的RF頻譜波段并嵌入片內(nèi)DSP功能，使用戶能夠配置可編程的濾波器和數(shù)字上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換模塊，以滿足特定的射頻信號帶寬要求。與在FPGA中執(zhí)行這些功能的架構(gòu)相比，在專用芯片中實施嵌入式處理可以大幅降低功率。釋放寶貴的FPGA資源使得設(shè)計人員能夠更經(jīng)濟(jì)高效地使用FPGA，或者將FPGA資源分配給更高級別的系統(tǒng)應(yīng)用處理。

16通道、直接RF采樣開發(fā)平臺(四MxFE)

ADI公司推出的這款16通道、直接RF采樣開發(fā)平臺如圖2所示，其框圖如圖3所示。為了說明其命名約定：我們將集成式轉(zhuǎn)換器命名為混合信號前端(MxFE)，將包含4個MxFE的16通道板命名為四MxFE。4個MxFE每個包含4個DAC和4個ADC，所以共有16個發(fā)射通道和16個接收通道。

RF部分包含巴倫、放大器和濾波器，可以簡化RF接口。收發(fā)器通道上包含一個低通濾波器，用于抑制DAC鏡像，DAC輸出端則一般具有一個增益模塊。接收器通道上包含兩個增益和增益控制，以及用于進(jìn)行二階奈奎斯特采樣的帶通濾波器。濾波器采用Mini-Circuits的1206濾波器尺寸，所以用戶能夠通過替換濾波器來適配不同應(yīng)用。

通道間隔為每個發(fā)射器/接收器對600mils，支持X頻段、半波長、單極元素格點間距。采用這種尺寸時，設(shè)計顯示每個單元數(shù)字波束形成系統(tǒng)可兼容高達(dá)X頻段的頻率。在四MxFE直接生成S頻段的情況下，可以額外添加單個RF混頻器，以實現(xiàn)X頻段頻率操作。

其中包含時鐘電路，且所有時鐘都使用相同的基準(zhǔn)頻率。每個轉(zhuǎn)換器的PLL于參考頻率鎖相，并提供AD9081時鐘輸入。包含測試點注入選項，以評估備用轉(zhuǎn)換器時鐘源。數(shù)字時鐘也使用相同的基準(zhǔn)頻率。一個時鐘芯片為AD9081提供SYSREF信號用于進(jìn)行同步，為FPGA提供所需的時鐘信號，并提供為AD9081提供參考頻率的選項，以使用AD9081的內(nèi)部PLL。

功率分配和穩(wěn)壓如圖4所示。所需的所有電壓都源自單個12 V輸入。功率分配設(shè)計包含開關(guān)穩(wěn)壓器組合，其后增加低噪聲線性穩(wěn)壓器，用于提供對噪聲敏感的模擬電壓。

圖1.16通道、直接RF采樣開發(fā)平臺(四MxFE)

圖2.AD9081功能性說明 圖3.四MxFE框圖

圖4.四MxFE功率分配

軟件控制

已開發(fā)的軟件、固件和FPGA代碼，實現(xiàn)了通過更高級的處理語言來實現(xiàn)平臺控制。MATLAB®腳本和GUI使系統(tǒng)工程師能夠開發(fā)出可以在MATLAB環(huán)境中直接與硬件連接的模型。MATLAB接口支持直接在硬件中評估用戶自定義波形。接收數(shù)據(jù)捕獲接口支持用戶特定的接收數(shù)據(jù)處理。

軟件和固件都是開源的，與基于我們新的收發(fā)器或轉(zhuǎn)換器的其他ADI模塊類似。

結(jié)論

四MxFE RF至位開發(fā)平臺幫助實現(xiàn)了通用原型制作環(huán)境。其功能包括：

（1）跨多個轉(zhuǎn)換器IC和板的多通道同步的開發(fā)平臺。

（2）在客戶之前通過評估板環(huán)境驗證多通道性能，而不是以同時測試多個通道為唯一目的來開發(fā)量產(chǎn)設(shè)計。

（3）高度集成和功能，支持同時實施軟件開發(fā)和硬件生產(chǎn)。

（4）與高速轉(zhuǎn)換器相關(guān)、包含所有電路的整個參考設(shè)計，包括RF I/O、時鐘和同步電路、功率分配、高速數(shù)字I/O路由。

這些功能組合可以消除多通道RF系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)中的原型制作步驟，使RF工程師可以利用現(xiàn)有實現(xiàn)，集中精力開發(fā)系統(tǒng)解決方案。RF到數(shù)據(jù)開發(fā)平臺最初計劃用于支持相控陣開發(fā)。但是，其通用性使其能夠用于多通道RF系統(tǒng)，例如雷達(dá)、EW、5G和儀器儀表應(yīng)用。由此開發(fā)出單硬件、多應(yīng)用平臺，可以提供真正由軟件定義的多通道環(huán)境。