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多通道RF到數據開發平臺助力相控陣原型開發

2021年06月11日 11:59 ? 次閱讀

作者:ADI公司 | Peter Delos 技術主管,Charles Frick 系統應用工程師,Mike Jones 首席電氣設計工程師

簡介

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

  • 在多通道環境下驗證RF電子
  • 跨多通道驗證同步和校準
  • 軟件開發與量產硬件開發并行

為了解決這些行業挑戰,新型多通道RF到數據開發平臺應運而生。此開發平臺集成了軟件可配置的數據轉換器、RF分發、功率調節和時鐘,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

ADI公司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。

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應用處理。

16通道、直接RF采樣開發平臺(四MxFE)

ADI公司推出的這款16通道、直接RF采樣開發平臺如圖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個發射通道和16個接收通道。

RF部分包含巴倫、放大器和濾波器,可以簡化RF接口。收發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壓器組合,其后增加低噪聲線性穩壓器,用于提供對噪聲敏感的模擬電壓。

圖1.16通道、直接RF采樣開發平臺(四MxFE)

圖2.AD9081功能性說明

圖3.四MxFE框圖

圖4.四MxFE功率分配

軟件控制

已開發的軟件、固件和FPGA代碼,實現了通過更高級的處理語言來實現平臺控制。MATLAB?腳本和GUI使系統工程師能夠開發出可以在MATLAB環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器或轉換器的其他ADI模塊類似。

結論

四MxFE RF至位開發平臺幫助實現了通用原型制作環境。其功能包括:

  • 跨多個轉換器IC和板的多通道同步的開發平臺。
  • 在客戶之前通過評估板環境驗證多通道性能,而不是以同時測試多個通道為唯一目的來開發量產設計。
  • 高度集成和功能,支持同時實施軟件開發和硬件生產。

這些功能組合可以消除多通道RF系統產品開發中的原型制作步驟,使RF工程師可以利用現有實現,集中精力開發系統解決方案。RF到數據開發平臺最初計劃用于支持相控陣開發。但是,其通用性使其能夠用于多通道RF系統,例如雷達、EW、5G和儀器儀表應用。由此開發出單硬件、多應用平臺,可以提供真正由軟件定義的多通道環境。

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