多通道RF到数据开发平台助力相控阵原型开发

Multichannel RF-to-Bits Development Platform Enables Rapid Prototyping for Phased Arrays

作者：ADI公司  |  Peter Delos 技术主管，Charles Frick  系统应用工程师，Mike Jones  首席电气设计工程师

简介

未来天线设计的行业发展趋势是采用相控阵。这种技术趋势加上上市时间压力，造成的开发时间缩短问题，为相控阵系统领域的RF设计人员带来了多项挑战。与RF电子相关的挑战包括：

[*]在多通道环境下验证RF电子
[*]跨多通道验证同步和校准
[*]软件开发与量产硬件开发并行


为了解决这些行业挑战，新型多通道RF到数据开发平台应运而生。此开发平台集成了软件可配置的数据转换器、RF分发、功率调节和时钟，以提供一个16通道、S频段的直接采样解决方案。

集成RF采样高速转换器

ADI公司的高速转换器在单芯片上集成了ADC、DAC和数字信号算法模块。图1所示的MxFE™四通道16位、12 GSPS RF DAC和四通道12位、4 GSPS RF ADC即是一个示例，包含4个ADC、4个DAC、多个数字上/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的采样速率为12 GSPS，ADC的采样速率为4 GSPS。模拟带宽在S频段内提供直接采样和波形生成，并进入低C频段。

转换器处理更广泛的RF频谱波段并嵌入片内DSP功能，使用户能够配置可编程的滤波器和数字上转换和下转换模块，以满足特定的射频信号带宽要求。与在FPGA中执行这些功能的架构相比，在专用芯片中实施嵌入式处理可以大幅降低功率。释放宝贵的FPGA资源使得设计人员能够更经济高效地使用FPGA，或者将FPGA资源分配给更高级别的系统应用处理。

16通道、直接RF采样开发平台（四MxFE）

ADI公司推出的这款16通道、直接RF采样开发平台如图2所示，其框图如图3所示。为了说明其命名约定：我们将集成式转换器命名为混合信号前端(MxFE)，将包含4个MxFE的16通道板命名为四MxFE。4个MxFE每个包含4个DAC和4个ADC，所以共有16个发射通道和16个接收通道。

RF部分包含巴伦、放大器和滤波器，可以简化RF接口。收发器通道上包含一个低通滤波器，用于抑制DAC镜像，DAC输出端则一般具有一个增益模块。接收器通道上包含两个增益和增益控制，以及用于进行二阶奈奎斯特采样的带通滤波器。滤波器采用Mini-Circuits的1206滤波器尺寸，所以用户能够通过替换滤波器来适配不同应用。

通道间隔为每个发射器/接收器对600mils，支持X频段、半波长、单极元素格点间距。采用这种尺寸时，设计显示每个单元数字波束形成系统可兼容高达X频段的频率。在四MxFE直接生成S频段的情况下，可以额外添加单个RF混频器，以实现X频段频率操作。

其中包含时钟电路，且所有时钟都使用相同的基准频率。每个转换器的PLL于参考频率锁相，并提供AD9081时钟输入。包含测试点注入选项，以评估备用转换器时钟源。数字时钟也使用相同的基准频率。一个时钟芯片为AD9081提供SYSREF信号用于进行同步，为FPGA提供所需的时钟信号，并提供为AD9081提供参考频率的选项，以使用AD9081的内部PLL。

功率分配和稳压如图4所示。所需的所有电压都源自单个12 V输入。功率分配设计包含开关稳压器组合，其后增加低噪声线性稳压器，用于提供对噪声敏感的模拟电压。


图1.16通道、直接RF采样开发平台（四MxFE）


图2.AD9081功能性说明


图3.四MxFE框图


图4.四MxFE功率分配

软件控制

已开发的软件、固件和FPGA代码，实现了通过更高级的处理语言来实现平台控制。MATLAB®脚本和GUI使系统工程师能够开发出可以在MATLAB环境中直接与硬件连接的模型。MATLAB接口支持直接在硬件中评估用户自定义波形。接收数据捕获接口支持用户特定的接收数据处理。

软件和固件都是开源的，与基于我们新的收发器或转换器的其他ADI模块类似。

结论

四MxFE RF至位开发平台帮助实现了通用原型制作环境。其功能包括：

[*]跨多个转换器IC和板的多通道同步的开发平台。
[*]在客户之前通过评估板环境验证多通道性能，而不是以同时测试多个通道为唯一目的来开发量产设计。
[*]高度集成和功能，支持同时实施软件开发和硬件生产。
[*]与高速转换器相关、包含所有电路的整个参考设计，包括RF I/O、时钟和同步电路、功率分配、高速数字I/O路由。


这些功能组合可以消除多通道RF系统产品开发中的原型制作步骤，使RF工程师可以利用现有实现，集中精力开发系统解决方案。RF到数据开发平台最初计划用于支持相控阵开发。但是，其通用性使其能够用于多通道RF系统，例如雷达、EW、5G和仪器仪表应用。由此开发出单硬件、多应用平台，可以提供真正由软件定义的多通道环境。