多通道RF至比特开发平台可实现相控阵的快速原型设计

作者：Peter Delos、Charles Frick 和 Michael Jones

未来天线设计的行业趋势是相控阵实现。这种技术趋势，加上上市时间的压力迫使开发时间缩短，给相控阵系统的RF设计人员带来了一些挑战。与射频电子相关的一些挑战包括：

在多通道环境中验证射频电子器件

跨通道同步和校准验证

软件开发与生产硬件开发并行

为了应对这一行业挑战，出现了基于软件可配置高速转换器的新型多通道RF至比特开发平台。该开发平台集成了数据转换器、RF分配、功率调节和时钟，以提供16通道直接S波段采样解决方案。

集成射频采样高速转换器

最新版本的高速转换器在单芯片硅片上集成了ADC、DAC和数字信号处理模块。The MxFE™图1所示的四通道、16位、12 GSP、RF DAC和四通道、12位、4 GSP、RF等ADC就是一个例子，包括4个ADC、4个DAC和数字上/下变频器，以及数控振荡器（NCO）和有限脉冲响应（FIR）数字滤波器。DAC的额定采样率为12 GSPS，ADC的额定采样率为4 GSPS。模拟带宽通过S波段和低C波段提供直接采样和波形生成。

图1.AD9081功能说明

转换器处理更多的RF频段，并在片上嵌入DSP功能，使用户能够配置可编程滤波器以及数字上变频和下变频模块，以满足特定的无线电信号带宽要求。与在FPGA中执行这些功能的架构相比，专用芯片中的嵌入式处理可显著降低功耗。释放宝贵的 FPGA 资源使设计人员能够使用更具成本效益的 FPGA，或将 FPGA 资源分配给更高级别的系统应用处理。

16 通道直接射频采样开发平台 （四通道 MxFE）

16通道直接RF采样开发平台如图2所示，框图如图3所示。为了解释命名约定：我们将集成转换器命名为混合信号前端（MxFE），16通道板包含四个MxFE，并被命名为四通道MxFE。四个 MxFE 分别包含 4 个 DAC 和 ADC，有 16 个发射通道和 16 个接收通道。

图2.16通道直接RF采样开发平台（四通道MxFE）。

图3.四通道 MxFE 框图。

RF部分包含巴伦、放大器和滤波器，以简化RF接口。在收发器通道上，包括一个低通滤波器来抑制DAC镜像以及DAC输出端的典型增益模块。在接收器通道上，包括两个增益级和增益控制以及用于二阶奈奎斯特采样的带通滤波器。滤波器位于Mini-Circuits的1206滤波器封装中，允许用户将滤波器交换为替代应用。

通道间距以每 T/R 对 600 mil 实现，支持 X 波段、半波长、单极元件晶格间距。在这个尺寸上，该设计展示了每个元件数字波束成形系统的兼容性，最高可达X波段频率。由于四通道 MxFE 直接生成 S 波段，因此可以添加单个额外的 RF 混频以实现 X 波段频率操作。

包括时钟电路，所有时钟均来自一个公共参考频率。每个转换器提供锁相相至基准频率的PLL，并提供AD9081时钟输入。包括一个测试点注入选项，用于使用备用转换器时钟源进行评估。数字时钟也源自公共参考频率。内置一个时钟芯片，为AD9081提供SYSREF以进行同步，FPGA所需的时钟，以及为AD9081提供基准频率的选项，允许使用AD9081内部的PLL。

包括功率分配和调节，如图4所示。所有必需的电压均来自单个 12 V 输入。配电设计包括开关稳压器的组合，然后是用于敏感模拟电压的低噪声线性稳压器。

图4.四通道 MxFE 配电。

软件控制

已经开发了软件、固件和FPGA代码，以便通过更高级别的处理语言实现对平台的控制。编写了 MATLAB 脚本和 GUI，允许系统工程师开发模型，以直接连接到 MATLAB 环境中的硬件。MATLAB 接口支持使用仿真中测试的自定义波形进行评估，并直接在硬件中进行评估。接收数据捕获接口支持用户对接收数据进行特定的处理。®

软件和固件均为开源，类似于基于我们最新收发器或转换器的其他ADI模块。

结论

四通道 MxFE 射频至位开发平台可实现多功能原型设计环境。这些功能包括：

开发平台，用于显示转换器 IC 和跨板的多通道同步。

在客户之前在评估板环境中验证多通道性能，而不是致力于生产设计，其唯一目的是同时测试多个通道。

集成和功能级别，支持软件开发与硬件产品化并行。

高速转换器周围所有电路的完整参考设计，包括 RF I/O、时钟和同步电路、配电和高速数字 I/O 路由。

这些功能的结合可以消除多通道RF系统产品开发中的原型设计步骤，使RF工程师能够利用实施并将精力集中在系统解决方案上。RF-to比特开发平台最初旨在实现相控阵开发。然而，它提供的多功能性已经适用于任何多通道射频系统，如雷达、电子战、5G 和仪器仪表应用。其结果是一个单硬件、多应用平台，提供了一个真正的软件定义的多渠道环境。

审核编辑：郭婷