基于混合信號RF IC的寬帶SDR設計

在軍用和航空航天領(lǐng)域，不同且不兼容無(wú)線(xiàn)電的大量涌現構成了一個(gè)嚴重問(wèn)題，因為在這些領(lǐng)域，工作小組可能需要不同的裝置，以用于機載鏈路、衛星通信、中繼 基站、緊急發(fā)射器以及特定應用目的（如無(wú)人機操作）。 其中每一個(gè)無(wú)線(xiàn)電鏈路都起著(zhù)生死攸關(guān)的作用，漏掉其中一個(gè)都會(huì )使運營(yíng)團隊失去所需的資源。 然而，無(wú)線(xiàn)電在尺寸、重量和備用電池等方面都需要考慮成本。 隨著(zhù)各種新要求和新鏈路的加入，問(wèn)題變得更加復雜。

圖1：AD9361是一款2 x 2直接變頻收發(fā)器IC，工作頻率范圍為70 MHz至6 GHz，具有200 kHz至56 MHz用戶(hù)可調節帶寬以及12位轉換器分辨率

解決方案也是顯而易見(jiàn)的，至少理論上是如此： 一款通用型全雙工無(wú)線(xiàn)電模塊， 可以用于所有平臺，并能在現場(chǎng)根據需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)重配置。 如果能實(shí)現“一種無(wú)線(xiàn)電”的目標，結果將減少負擔，帶來(lái)靈活性和通用性，提高效率，用一組電池可以工作更長(cháng)時(shí)間，從而形成巨大的尺寸、重量和功耗 （SWaP）優(yōu)勢。 這正是聯(lián)合戰術(shù)無(wú)線(xiàn)電系統（JTRS）、軟件定義無(wú)線(xiàn)電（SDR）等方案的基本前提。

然而，使這種通用無(wú)線(xiàn)電概念變成現實(shí)卻比預期要困難得多。 雖然摩爾定律促使能滿(mǎn)足現實(shí)需求的高性能、低功耗處理器（包括FPGA的部署）廣泛可用，但提供合適的集成式模擬前端（AFE）的難度卻要大得多。 對這種功能模塊的需求具有復雜、多樣和緊迫三個(gè)特點(diǎn)，而這些功能模塊位于天線(xiàn)與處理器之間，是現實(shí)信號世界與數字世界之間的接口。

直到最近，面向這類(lèi)多功能無(wú)線(xiàn)電的實(shí)用模擬前端還需要一個(gè)重疊并行通道陣列，每個(gè)通道旨在覆蓋射頻頻譜的一個(gè)特定頻段，其帶寬與目標信號格式相匹配。這種方式雖然可行，但在最終電腦板占用空間、重量、功耗和成本方面的代價(jià)非常高。

高性能單芯片模擬前端解決方案

捷變收發(fā)器是平臺解決方案產(chǎn)品系列的其中一款產(chǎn)品，該系列包括 AD9364 RF收發(fā)器IC。 AD9361 RF捷變收發(fā)器是一款寬帶可編程前端，支持雙獨立收發(fā)器通道，可用于快速增長(cháng)中的多路輸入、多路輸出(MIMO)細分市場(chǎng)以及非MIMO市場(chǎng)，滿(mǎn)足了極具 挑戰性的SDR要求，使SDR概念更接近現實(shí)。 系統處理器可以動(dòng)態(tài)重新配置關(guān)鍵參數（如帶寬和RF頻率），以適應應用需求，從而帶來(lái)最佳結果。 這款器件還含有多種特性，可以支持各種頻率捷變協(xié)議。

ADI 公司的AD9361 RF這款10 x 10 mm的芯片級器件（圖1）采用用戶(hù)可調帶寬設計，范圍為200 kHz至56 MHz，擁有豐富的其他特性和性能屬性，可用于構建從70 MHz到6 GHz的信號鏈。 利用這款2 x 2直接變頻組件，可以將整個(gè)模擬前端簡(jiǎn)化成一個(gè)相對簡(jiǎn)單的電路。 它通過(guò)一個(gè)LVDS或CMOS端口與主機處理器連接，以提升速度、簡(jiǎn)化操作。 IC中集成了12位A/D和D/A轉換器、小數N分頻頻率合成器、數字和模擬濾波器、自動(dòng)增益控制（AGC）、發(fā)射功率監控、正交校正和其他關(guān)鍵功能。

除 了具有高集成度，其RF、模擬和混合信號性能——包括接收器噪聲系數不到2.5 dB而發(fā)送器EVM（誤差矢量幅度）超過(guò)-40 dB，同時(shí)發(fā)送器噪底低于-157 dBm/Hz——同樣出色。 對于發(fā)射和接收路徑，本振步長(cháng)為2.5 Hz，可實(shí)現精密調諧。 盡管IC中集成了諸多功能，其功耗卻非常低，一般為1 W左右。

圖2：系統開(kāi)發(fā)人員只需做少量硬件設置，便可利用AD9361 FMC板開(kāi)發(fā)、調試、評估并調節Xilinx FPGA的SDR應用

系統設計不僅僅是IC

像靈活的寬帶軟件定義無(wú)線(xiàn)電一樣的復雜設計涉及大量的電路設計工作，以及算法開(kāi)發(fā)工作和一些權衡，正因如此，AD9361有一種配套的參考設計，專(zhuān)門(mén)針對Xilinx FPGA應用而優(yōu)化過(guò)。 ADI的AD-FMCOMMS2-EBZ FMC板（FPGA夾層卡）通過(guò)一個(gè)FMC接頭與Xilinx主機板相連，提供電源和帶寬，為采用2 x 2通道配置的AD9361提供支持（圖2）。 該板可通過(guò)軟件完全自定義，同時(shí)無(wú)需改變任何硬件，提供針對各種MIMO配置的額外選項。

參考設計包括原理圖、布局圖、BOM、HDL、Linux驅動(dòng)程序和應用軟件，包括驗證性能、快速制作系統原型所需要的所有重要明細材料。 在低端軟件和固件以外，用戶(hù)還可以獲得Simulink和MATlab的支持，從而實(shí)施代碼開(kāi)發(fā)以及對無(wú)線(xiàn)電算法和性能進(jìn)行調整等。

由于這款靈活的小型高性能IC取代了大量分立式電路，所以表面看起來(lái)，對此類(lèi)分立式設計的需求已經(jīng)不復存在。 但事實(shí)不一定是這樣的，因為針對軟件定義無(wú)線(xiàn)電頻率范圍的特定頻段、格式和帶寬的分立式模擬前端設計，如果設計精良、經(jīng)仔細調試而且布局合理，其在該特定 頻段中的性能有可能超過(guò)AD9631 IC，雖然其體積較大。

但真正的問(wèn)題是，在軟件定義無(wú)線(xiàn)電中，模擬前端擁有極寬的帶 寬，所以需要大量針對特定頻譜的此類(lèi)前端，而其中每一個(gè)前端在設計和評估方面都是一個(gè)巨大的挑戰，結果，最終產(chǎn)品在尺寸、重量和功耗三項指標排名中將名落 孫山。 因此，幾經(jīng)權衡，天平嚴重偏向AD9361 IC一端，該器件的RF性能超出了多數應用場(chǎng)景的需求，而其缺點(diǎn)也要少得多。

這款I(lǐng)C是真實(shí)的，FMC板和工具也是真實(shí)的，而且已經(jīng)被設計到兩款現有軟件定義無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品中，即Ettus Research的通用軟件無(wú)線(xiàn)電外設(USRP)和Epiq Solutions的Maveriq多通道可再配置射頻收發(fā)器。

無(wú)論系統工程師是愿意用ADI FMC，還是用已上市的軟件定義無(wú)線(xiàn)電平臺，來(lái)開(kāi)展軟件定義無(wú)線(xiàn)電的設計和開(kāi)發(fā)工作，使用AD9361而取得的整體產(chǎn)品封裝和性能都將給他們帶來(lái)巨大的領(lǐng)先優(yōu)勢。