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[導讀]未來天線設計的行業(yè)發(fā)展趨勢是采用相控陣。這種技術趨勢加上上市時間壓力,造成的開發(fā)時間縮短問題,為相控陣系統(tǒng)領域的RF設計人員帶來了多項挑戰(zhàn)。


未來天線設計的行業(yè)發(fā)展趨勢是采用相控陣。這種技術趨勢加上上市時間壓力,造成的開發(fā)時間縮短問題,為相控陣系統(tǒng)領域的RF設計人員帶來了多項挑戰(zhàn)。與RF電子相關的挑戰(zhàn)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

  • 軟件開發(fā)與量產硬件開發(fā)并行

為了解決這些行業(yè)挑戰(zhàn),新型多通道RF到數據開發(fā)平臺應運而生。此開發(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(jié)和時鐘,以提供一個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

新發(fā)布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即是一個示例,包含4個ADC、4個DAC、多個數字上/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,并進入低C頻段。

解決天線設計挑戰(zhàn),新型多通道RF到數據開發(fā)平臺應運而生

圖 1. AD9081 功能性說明。

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,以滿足特定的射頻信號帶寬要求。與在FPGA中執(zhí)行這些功能的架構相比,在專用芯片中實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濟高效地使用FPGA,或者將FPGA資源分配給更高級別的系統(tǒng)應用處理。

16通道、直接RF采樣開發(fā)平臺(四MxFE)

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

解決天線設計挑戰(zhàn),新型多通道RF到數據開發(fā)平臺應運而生

圖 2. 16 通道、直接 RF 采樣開發(fā)平臺(四 MxFE )。

解決天線設計挑戰(zhàn),新型多通道RF到數據開發(fā)平臺應運而生

圖 3. 四 MxFE 框圖。

RF部分包含巴倫、放大器和濾波器,可以簡化RF接口。收發(fā)器通道上包含一個低通濾波器,用于抑制DAC鏡像,DAC輸出端則一般具有一個增益模塊。接收器通道上包含兩個增益和增益控制,以及用于進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,所以用戶能夠通過替換濾波器來適配不同應用。

通道間隔為每個發(fā)射器/接收器對600mils,支持X頻段、半波長、單極元素格點間距。采用這種尺寸時,設計顯示每個單元數字波束形成系統(tǒng)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RF混頻器,以實現(xiàn)X頻段頻率操作。

其中包含時鐘電路,且所有時鐘都使用相同的基準頻率。每個轉換器的PLL于參考頻率鎖相,并提供 AD9081 時鐘輸入。包含測 試點注入選項,以評估備用轉換器時鐘源。數字時鐘也使用相同的基準頻率。一個時鐘芯片為AD9081提供SYSREF信號用于進行同步,為FPGA提供所需的時鐘信號,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(wěn)壓如圖4所示。所需的所有電壓都源自單個12 V輸入。功率分配設計包含開關穩(wěn)壓器組合,其后增加低噪聲線性穩(wěn)壓器,用于提供對噪聲敏感的模擬電壓。

解決天線設計挑戰(zhàn),新型多通道RF到數據開發(fā)平臺應運而生

圖 4. 四 MxFE 功率分配。

軟件控制

已開發(fā)的軟件、固件和FPGA代碼,實現(xiàn)了通過更高級的處理語言來實現(xiàn)平臺控制。MATLAB®腳本和GUI使系統(tǒng)工程師能夠開發(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自定義波形。接收數據捕獲接口支持用戶特定的接收數據處理。

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

結論

四MxFE RF至位開發(fā)平臺幫助實現(xiàn)了通用原型制作環(huán)境。其功能包括:

  • 跨多個轉換器IC和板的多通道同步的開發(fā)平臺。

  • 在客戶之前通過評估板環(huán)境驗證多通道性能,而不是以同時測試多個通道為唯一目的來開發(fā)量產設計。

  • 高度集成和功能,支持同時實施軟件開發(fā)和硬件生產。

  • 與高速轉換器相關、包含所有電路的整個參考設計,包括RFI/O、時鐘和同步電路、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(tǒng)產品開發(fā)中的原型制作步驟,使RF工程師可以利用現(xiàn)有實現(xiàn),集中精力開發(fā)系統(tǒng)解決方案。RF到數據開發(fā)平臺最初計劃用于支持相控陣開發(fā)。但是,其通用性使其能夠用于多通道RF系統(tǒng),例如雷達、EW、5G和儀器儀表應用。由此開發(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。

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