基于混合信號(hào)RF IC的寬帶SDR設(shè)計(jì)

在軍用和航空航天領(lǐng)域，不同且不兼容無線電的大量涌現(xiàn)構(gòu)成了一個(gè)嚴(yán)重問題，因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域，工作小組可能需要不同的裝置，以用于機(jī)載鏈路、衛(wèi)星通信、中繼 基站、緊急發(fā)射器以及特定應(yīng)用目的（如無人機(jī)操作）。 其中每一個(gè)無線電鏈路都起著生死攸關(guān)的作用，漏掉其中一個(gè)都會(huì)使運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)失去所需的資源。 然而，無線電在尺寸、重量和備用電池等方面都需要考慮成本。 隨著各種新要求和新鏈路的加入，問題變得更加復(fù)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用戶可調(diào)節(jié)帶寬以及12位轉(zhuǎn)換器分辨率

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

然而，使這種通用無線電概念變成現(xiàn)實(shí)卻比預(yù)期要困難得多。 雖然摩爾定律促使能滿足現(xiàn)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(duì)這種功能模塊的需求具有復(fù)雜、多樣和緊迫三個(gè)特點(diǎn)，而這些功能模塊位于天線與處理器之間，是現(xiàn)實(shí)信號(hào)世界與數(shù)字世界之間的接口。

直到最近，面向這類多功能無線電的實(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(biāo)信號(hào)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(tái)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(dú)立收發(fā)器通道，可用于快速增長(zhǎng)中的多路輸入、多路輸出(MIMO)細(xì)分市場(chǎng)以及非MIMO市場(chǎng)，滿足了極具 挑戰(zhàn)性的SDR要求，使SDR概念更接近現(xiàn)實(shí)。 系統(tǒng)處理器可以動(dòng)態(tài)重新配置關(guān)鍵參數(shù)（如帶寬和RF頻率），以適應(yīng)應(yīng)用需求，從而帶來最佳結(jié)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(jí)器件（圖1）采用用戶可調(diào)帶寬設(shè)計(jì)，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(gòu)建從70 MHz到6 GHz的信號(hào)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(duì)簡(jiǎn)單的電路。 它通過一個(gè)LVDS或CMOS端口與主機(jī)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(zhuǎn)換器、小數(shù)N分頻頻率合成器、數(shù)字和模擬濾波器、自動(dòng)增益控制（AGC）、發(fā)射功率監(jiān)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(hào)性能——包括接收器噪聲系數(shù)不到2.5 dB而發(fā)送器EVM（誤差矢量幅度）超過-40 dB，同時(shí)發(fā)送器噪底低于-157 dBm/Hz——同樣出色。 對(duì)于發(fā)射和接收路徑，本振步長(zhǎng)為2.5 Hz，可實(shí)現(xiàn)精密調(diào)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(tǒng)開發(fā)人員只需做少量硬件設(shè)置，便可利用AD9361 FMC板開發(fā)、調(diào)試、評(píng)估并調(diào)節(jié)Xilinx FPGA的SDR應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅僅是IC

像靈活的寬帶軟件定義無線電一樣的復(fù)雜設(shè)計(jì)涉及大量的電路設(shè)計(jì)工作，以及算法開發(fā)工作和一些權(quán)衡，正因如此，AD9361有一種配套的參考設(shè)計(jì)，專門針對(duì)Xilinx FPGA應(yīng)用而優(yōu)化過。 ADI的AD-FMCOMMS2-EBZ FMC板（FPGA夾層卡）通過一個(gè)FMC接頭與Xilinx主機(jī)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）。 該板可通過軟件完全自定義，同時(shí)無需改變?nèi)魏斡布峁┽槍?duì)各種MIMO配置的額外選項(xiàng)。

參考設(shè)計(jì)包括原理圖、布局圖、BOM、HDL、Linux驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件，包括驗(yàn)證性能、快速制作系統(tǒng)原型所需要的所有重要明細(xì)材料。 在低端軟件和固件以外，用戶還可以獲得Simulink和MATlab的支持，從而實(shí)施代碼開發(fā)以及對(duì)無線電算法和性能進(jìn)行調(diào)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，對(duì)此類分立式設(shè)計(jì)的需求已經(jīng)不復(fù)存在。 但事實(shí)不一定是這樣的，因?yàn)獒槍?duì)軟件定義無線電頻率范圍的特定頻段、格式和帶寬的分立式模擬前端設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)精良、經(jīng)仔細(xì)調(diào)試而且布局合理，其在該特定 頻段中的性能有可能超過AD9631 IC，雖然其體積較大。

但真正的問題是，在軟件定義無線電中，模擬前端擁有極寬的帶 寬，所以需要大量針對(duì)特定頻譜的此類前端，而其中每一個(gè)前端在設(shè)計(jì)和評(píng)估方面都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，結(jié)果，最終產(chǎn)品在尺寸、重量和功耗三項(xiàng)指標(biāo)排名中將名落 孫山。 因此，幾經(jīng)權(quán)衡，天平嚴(yán)重偏向AD9361 IC一端，該器件的RF性能超出了多數(shù)應(yīng)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，F(xiàn)MC板和工具也是真實(shí)的，而且已經(jīng)被設(shè)計(jì)到兩款現(xiàn)有軟件定義無線電產(chǎn)品中，即Ettus Research的通用軟件無線電外設(shè)(USRP)和Epiq Solutions的Maveriq多通道可再配置射頻收發(fā)器。

無論系統(tǒng)工程師是愿意用ADI FMC，還是用已上市的軟件定義無線電平臺(tái)，來開展軟件定義無線電的設(shè)計(jì)和開發(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巨大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。