多通道RF到數據開(kāi)發(fā)平臺助力相控陣原型開(kāi)發(fā)

簡(jiǎn)介

未來(lái)天線(xiàn)設計的行業(yè)發(fā)展趨勢是采用相控陣。這種技術(shù)趨勢加上上市時(shí)間壓力，造成的開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短問(wèn)題，為相控陣系統領(lǐng)域的RF設計人員帶來(lái)了多項挑戰。與RF電子相關(guān)的挑戰包括：

■   在多通道環(huán)境下驗證RF電子

■   跨多通道驗證同步和校準

■   軟件開(kāi)發(fā)與量產(chǎn)硬件開(kāi)發(fā)并行

為了解決這些行業(yè)挑戰，新型多通道RF到數據開(kāi)發(fā)平臺應運而生。此開(kāi)發(fā)平臺集成了軟件可配置的數據轉換器、RF分發(fā)、功率調節和時(shí)鐘，以提供一個(gè)16通道、S頻段的直接采樣解決方案。

集成RF采樣高速轉換器

ADI公司的高速轉換器在單芯片上集成了ADC、DAC和數字信號算法模塊。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(gè)示例，包含4個(gè)ADC、4個(gè)DAC、多個(gè)數字上/下變頻器，以及數控振蕩器(NCO)和有限脈沖響應(FIR)數字濾波器。DAC的采樣速率為12 GSPS，ADC的采樣速率為4 GSPS。模擬帶寬在S頻段內提供直接采樣和波形生成，并進(jìn)入低C頻段。

轉換器處理更廣泛的RF頻譜波段并嵌入片內DSP功能，使用戶(hù)能夠配置可編程的濾波器和數字上轉換和下轉換模塊，以滿(mǎn)足特定的射頻信號帶寬要求。與在FPGA中執行這些功能的架構相比，在專(zhuān)用芯片中實(shí)施嵌入式處理可以大幅降低功率。釋放寶貴的FPGA資源使得設計人員能夠更經(jīng)濟高效地使用FPGA，或者將FPGA資源分配給更高級別的系統應用處理。

16通道、直接RF采樣開(kāi)發(fā)平臺（四MxFE）

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

RF部分包含巴倫、放大器和濾波器，可以簡(jiǎn)化RF接口。收發(fā)器通道上包含一個(gè)低通濾波器，用于抑制DAC鏡像，DAC輸出端則一般具有一個(gè)增益模塊。接收器通道上包含兩個(gè)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(hù)能夠通過(guò)替換濾波器來(lái)適配不同應用。

通道間隔為每個(gè)發(fā)射器/接收器對600mils，支持X頻段、半波長(cháng)、單極元素格點(diǎn)間距。采用這種尺寸時(shí)，設計顯示每個(gè)單元數字波束形成系統可兼容高達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(gè)RF混頻器，以實(shí)現X頻段頻率操作。

其中包含時(shí)鐘電路，且所有時(shí)鐘都使用相同的基準頻率。每個(gè)轉換器的PLL于參考頻率鎖相，并提供AD9081時(shí)鐘輸入。包含測試點(diǎn)注入選項，以評估備用轉換器時(shí)鐘源。數字時(shí)鐘也使用相同的基準頻率。一個(gè)時(shí)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(shí)鐘信號，并提供為AD9081提供參考頻率的選項，以使用AD9081的內部PLL。

功率分配和穩壓如圖4所示。所需的所有電壓都源自單個(gè)12 V輸入。功率分配設計包含開(kāi)關(guān)穩壓器組合，其后增加低噪聲線(xiàn)性穩壓器，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(kāi)發(fā)平臺（四MxFE）

圖2 AD9081功能性說(shuō)明

圖3 四MxFE框圖

圖4 四MxFE功率分配

軟件控制

已開(kāi)發(fā)的軟件、固件和FPGA代碼，實(shí)現了通過(guò)更高級的處理語(yǔ)言來(lái)實(shí)現平臺控制。MATLAB?腳本和GUI使系統工程師能夠開(kāi)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(hù)自定義波形。接收數據捕獲接口支持用戶(hù)特定的接收數據處理。

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

結論

四MxFE RF至位開(kāi)發(fā)平臺幫助實(shí)現了通用原型制作環(huán)境。其功能包括：

■   跨多個(gè)轉換器IC和板的多通道同步的開(kāi)發(fā)平臺。

■   在客戶(hù)之前通過(guò)評估板環(huán)境驗證多通道性能，而不是以同時(shí)測試多個(gè)通道為唯一目的來(lái)開(kāi)發(fā)量產(chǎn)設計。

■   高度集成和功能，支持同時(shí)實(shí)施軟件開(kāi)發(fā)和硬件生產(chǎn)。

■   與高速轉換器相關(guān)、包含所有電路的整個(gè)參考設計，包括RF I/O、時(shí)鐘和同步電路、功率分配、高速數字I/O路由。

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