作者：Peter Delos、Charles Frick 和 Michael Jones

未來天線設計的行業(yè)趨勢是相控陣實現。這種技術趨勢，加上上市時間的壓力迫使開發(fā)時間縮短，給相控陣系統(tǒng)的RF設計人員帶來了一些挑戰(zhàn)。與射頻電子相關的一些挑戰(zhàn)包括：

在多通道環(huán)境中驗證射頻電子器件

跨通道同步和校準驗證

軟件開發(fā)與生產硬件開發(fā)并行

為了應對這一行業(yè)挑戰(zhàn)，出現了基于軟件可配置高速轉換器的新型多通道RF至比特開發(fā)平臺。該開發(fā)平臺集成了數據轉換器、RF分配、功率調節(jié)和時鐘，以提供16通道直接S波段采樣解決方案。

集成射頻采樣高速轉換器

最新版本的高速轉換器在單芯片硅片上集成了ADC、DAC和數字信號處理模塊。The MxFE?圖1所示的四通道、16位、12 GSP、RF DAC和四通道、12位、4 GSP、RF等ADC就是一個例子，包括4個ADC、4個DAC和數字上/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的額定采樣率為12 GSPS，ADC的額定采樣率為4 GSPS。模擬帶寬通過S波段和低C波段提供直接采樣和波形生成。

圖1.AD9081功能說明

轉換器處理更多的RF頻段，并在片上嵌入DSP功能，使用戶能夠配置可編程濾波器以及數字上變頻和下變頻模塊，以滿足特定的無線電信號帶寬要求。與在FPGA中執(zhí)行這些功能的架構相比，專用芯片中的嵌入式處理可顯著降低功耗。釋放寶貴的 FPGA 資源使設計人員能夠使用更具成本效益的 FPGA，或將 FPGA 資源分配給更高級別的系統(tǒng)應用處理。

16 通道直接射頻采樣開發(fā)平臺 （四通道 MxFE）

16通道直接RF采樣開發(fā)平臺如圖2所示，框圖如圖3所示。為了解釋命名約定：我們將集成轉換器命名為混合信號前端（MxFE），16通道板包含四個MxFE，并被命名為四通道MxFE。四個 MxFE 分別包含 4 個 DAC 和 ADC，有 16 個發(fā)射通道和 16 個接收通道。

圖2.16通道直接RF采樣開發(fā)平臺（四通道MxFE）。

圖3.四通道 MxFE 框圖。

RF部分包含巴倫、放大器和濾波器，以簡化RF接口。在收發(fā)器通道上，包括一個低通濾波器來抑制DAC鏡像以及DAC輸出端的典型增益模塊。在接收器通道上，包括兩個增益級和增益控制以及用于二階奈奎斯特采樣的帶通濾波器。濾波器位于Mini-Circuits的1206濾波器封裝中，允許用戶將濾波器交換為替代應用。

通道間距以每 T/R 對 600 mil 實現，支持 X 波段、半波長、單極元件晶格間距。在這個尺寸上，該設計展示了每個元件數字波束成形系統(tǒng)的兼容性，最高可達X波段頻率。由于四通道 MxFE 直接生成 S 波段，因此可以添加單個額外的 RF 混頻以實現 X 波段頻率操作。

包括時鐘電路，所有時鐘均來自一個公共參考頻率。每個轉換器提供鎖相相至基準頻率的PLL，并提供AD9081時鐘輸入。包括一個測試點注入選項，用于使用備用轉換器時鐘源進行評估。數字時鐘也源自公共參考頻率。內置一個時鐘芯片，為AD9081提供SYSREF以進行同步，FPGA所需的時鐘，以及為AD9081提供基準頻率的選項，允許使用AD9081內部的PLL。

包括功率分配和調節(jié)，如圖4所示。所有必需的電壓均來自單個 12 V 輸入。配電設計包括開關穩(wěn)壓器的組合，然后是用于敏感模擬電壓的低噪聲線性穩(wěn)壓器。

圖4.四通道 MxFE 配電。

軟件控制

已經開發(fā)了軟件、固件和FPGA代碼，以便通過更高級別的處理語言實現對平臺的控制。編寫了 MATLAB 腳本和 GUI，允許系統(tǒng)工程師開發(fā)模型，以直接連接到 MATLAB 環(huán)境中的硬件。MATLAB 接口支持使用仿真中測試的自定義波形進行評估，并直接在硬件中進行評估。接收數據捕獲接口支持用戶對接收數據進行特定的處理。?

軟件和固件均為開源，類似于基于我們最新收發(fā)器或轉換器的其他ADI模塊。

結論

四通道 MxFE 射頻至位開發(fā)平臺可實現多功能原型設計環(huán)境。這些功能包括：

開發(fā)平臺，用于顯示轉換器 IC 和跨板的多通道同步。

在客戶之前在評估板環(huán)境中驗證多通道性能，而不是致力于生產設計，其唯一目的是同時測試多個通道。

集成和功能級別，支持軟件開發(fā)與硬件產品化并行。

高速轉換器周圍所有電路的完整參考設計，包括 RF I/O、時鐘和同步電路、配電和高速數字 I/O 路由。

這些功能的結合可以消除多通道RF系統(tǒng)產品開發(fā)中的原型設計步驟，使RF工程師能夠利用實施并將精力集中在系統(tǒng)解決方案上。RF-to比特開發(fā)平臺最初旨在實現相控陣開發(fā)。然而，它提供的多功能性已經適用于任何多通道射頻系統(tǒng)，如雷達、電子戰(zhàn)、5G 和儀器儀表應用。其結果是一個單硬件、多應用平臺，提供了一個真正的軟件定義的多渠道環(huán)境。

審核編輯：郭婷