开拓思维想法，为射频芯片增加可编程功能教程

众所周知，FPGA是从简单的胶合逻辑合并一直发展到能够实现复杂的数字功能。在这个过程中，FPGA包含了种类越来越广泛的硬逻辑内核和功能，比如处理 器和专用接口模块。一些FPGA还拥有复杂的模拟功能，如高速收发器，但总的来说，FPGA实际上才触及到模拟世界的边缘。

与此相反，现场可编程射频芯片（FPRF） 来源于无线领域，它给人们带来了令人兴奋的新的可能性。在最高的抽象层，FPRF发送器接受数字化的数据流，然后转换成无线信号。与此同时接收器执行相反 的操作。另外还有编程关键参数（如射频频率、增益和带宽）的功能。通常一个FPRF芯片包含框图1所示的几个主要部分：

图1：FPRF芯片的几个主要构成部分

当我第一次学习这种器件时，我发现它带来的射频功能有点类似于FPGA在逻辑域中提供的功能。首先，它由客户进行编程，而不是在工厂中进行编程。其次，配套的工具允许客户进行在线试验和修改参数。第三也是最重要的一点，应用范围仅受用户想象力的限制。

这款FPRF芯片是在美国国内为一家名为Lime Microsystems的英国公司制造的。器件型号是LMS6002D，但Lime公司创造了FPRF这个新的缩略词，因为这个词抓住了产品的本质。

下面让我们更深入地了解这个产品。无线传输使用了多种不同的调制方案，同时芯片接受同相（I数据）和正交（Q数据）字形式的数据。在发送路径中，数据先经一对片上数模转换器（DAC）转换成两个模拟信号。用户可以选择旁路掉这些DAC，将模拟信号直接注入器件或监视DAC的输出。

下一步操作是对信号进行滤波。这个滤波器的通带由用户编程为范围从1.5MHz至28MHz的16个不同带宽之一。滤波将信号限制为所选的带宽，并衰减掉任何带外噪声或来自DAC的混叠信号。下面是发送（TX）路径的框图：

图2：发送（TX）路径的框图

滤波器可以将信号提升6dB，随后紧跟着的可编程基带增益电路可以经过调整提供最高达31dB、增量为1dB的增益。然后信号经混频后直接提供所要求的调制 射频输出。发送PLL合成器将输入PLL时钟乘以一个可编程的比值，然后产生一个具有严格精度的稳定频率。射频增益级电路（当然是可编程的）提供从 FPRF器件输出的最终信号提升。发送功率电平无需任何进一步放大就足够用于短距离的通信，比方数十米。用户可以使用外部放大电路增加通信距离。

不出意外，接收路径也是高度可编程的。FPRF器件提供三种低噪声放大器（LNA）选择。通用的宽带输入电路设计用于处理频谱从300MHz至3.8GHz 的射频输入信号。为了增强性能，另外两个低噪声放大器分别针对300MHz至2.8GHz（Lo LNA）和1.5GHz至3.8GHz（Hi LNA）的信号进行了优化。下面给出了：

图1：FPRF芯片的几个主要构成部分

接收路径中的混频器使用与发送器相同的PLL时钟输入，但用不同的合成器提供全双工和直接下变频功能。在模拟信号被数字化并输出为I&Q数据流之前，还要经过可编程增益和滤波电路。

所有不同单元的配置都是通过简单的SPI接口编程进控制逻辑。每个单元都是通过加载一个16位的字进行编程的，这个过程可以是静态的，对更为复杂的应用来说，也可以在线修改参数。

配置是用简单的图形用户界面完成的，在这个界面上可以控制上述功能以及测试和回路模式。这个图形用户界面如下所示：

图4：用于控制FPRF器件的图形用户界面

至此我们已经考虑了器件技术性细节的简单描述——但你可以用它来做什么呢？好吧，这个芯片设计得非常灵活，因为它的关键应用之一是毫微微蜂窝和微微蜂窝，下面我来详细解释。这些盒子用作蜂窝电话的本地基站，并且链接进互联网，从而在家里或小型办公室内提供快速连接。举例来说，靠我家最近的基站是在山的另外一边，因此我的接收信号很不稳定。毫微微蜂窝可以让我不再依赖于来自基站的信号。

为这些应用设计射频芯片的挑战在于，全球的蜂窝系统是不同的，4G或LTE手机要做到真正的全球覆盖，可能需要40种以上不同的组合。因此FPRF设计师不得不做成可编程的，以免受限于单一市场。

一旦你的芯片覆盖了所有蜂窝频率，你也就覆盖了许多其它应用。例如，将电视传送从模拟改为数字可以释放一堆频谱用于新的无线服务。这些频谱被称为“空白电视信号频段”，许多公司正在努力开发各种各样的产品，范围涵盖了家用电器、智能抄表、机器到机器（M2M）和农村宽带。

频谱分析仪就是Lime公司用于演示的一个应用。芯片中的接收器在上述频段上扫描并侦听所有频率，即时输出显示为频谱图。这个应用展示了FPRF芯片快速和动态改变的能力。军用系统制造商很快抓住了这个机会，正在致力于设计软件无线电（SDR）系统。

但是只有当你把FPGA和FPRF组合在一起时事情才真正变得有趣起来。所有现代无线系统都大量欠缺用于调整信号并从噪声中恢复出数据的数字处理功能。 Myriad-RF评估板可以连接TerAsic公司的Altera DeO-Nano板和FPGA 夹层卡（FMC）赛灵思板，包括Artix整个7系列的产品、Kintex和Virtex所有可编程FPGA和Zynq所有可编程SoC。上述应用所需的 Myriad-RF接口板可以通过Azio公司定购。

将FPGA和FPRF电路板组合在一起

同时访问可编程射频和可编辑逻辑开启了全新的机会。例如，我研究过在大学教学和研究中使用FPRF器件的可能性，它将开启各种缤彩纷呈的应用。研究人员正在 考虑将这种器件用于蜂窝应用，如此便可以在逻辑域实现特定算法，并在射频输出端查看结果。另一方面，FPRF可以接收微弱信号，研究人员可以用FPGA试 验不同的纠错机制。其它可能性包括将FPRF芯片用于评估自组织网络、地面穿透雷达或车到车通信的资源管理算法。

FPRF允许专业人士和业余爱好者都能访问灵活的无线收发器，这些收发器在今后几年中将应用于许多新的产品。当然，如果想要发送无线信号，不要忘了确认当地法规允许的功率电平和频率。