基于混合信號RF芯片AD9361的寬帶SDR設(shè)計

　　在軍用和航空航天領(lǐng)域，不同且不兼容無線電的大量涌現(xiàn)構(gòu)成了一個嚴(yán)重問題，因為在這些領(lǐng)域，工作小組可能需要不同的裝置，以用于機載鏈路、衛(wèi)星通信、中繼基站、緊急發(fā)射器以及特定應(yīng)用目的（如無人機操作）。 其中每一個無線電鏈路都起著生死攸關(guān)的作用，漏掉其中一個都會使運營團隊失去所需的資源。 然而，無線電在尺寸、重量和備用電池等方面都需要考慮成本。 隨著各種新要求和新鏈路的加入，問題變得更加復(fù)雜。

　　圖1：AD9361是一款2 x 2直接變頻收發(fā)器IC，工作頻率范圍為70 MHz至6 GHz，具有200 kHz至56 MHz用戶可調(diào)節(jié)帶寬以及12位轉(zhuǎn)換器分辨率

　　解決方案也是顯而易見的，至少理論上是如此： 一款通用型全雙工無線電模塊，可以用于所有平臺，并能在現(xiàn)場根據(jù)需要進行動態(tài)重配置。 如果能實現(xiàn)“一種無線電”的目標(biāo)，結(jié)果將減少負(fù)擔(dān)，帶來靈活性和通用性，提高效率，用一組電池可以工作更長時間，從而形成巨大的尺寸、重量和功耗（SWaP）優(yōu)勢。 這正是聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）、軟件定義無線電（SDR）等方案的基本前提。

　　然而，使這種通用無線電概念變成現(xiàn)實卻比預(yù)期要困難得多。 雖然摩爾定律促使能滿足現(xiàn)實需求的高性能、低功耗處理器（包括FPGA的部署）廣泛可用，但提供合適的集成式模擬前端（AFE）的難度卻要大得多。 對這種功能模塊的需求具有復(fù)雜、多樣和緊迫三個特點，而這些功能模塊位于天線與處理器之間，是現(xiàn)實信號世界與數(shù)字世界之間的接口。

　　直到最近，面向這類多功能無線電的實用模擬前端還需要一個重疊并行通道陣列，每個通道旨在覆蓋射頻頻譜的一個特定頻段，其帶寬與目標(biāo)信號格式相匹配。這種方式雖然可行，但在最終電腦板占用空間、重量、功耗和成本方面的代價非常高。

　　高性能單芯片模擬前端解決方案

　　捷變收發(fā)器是平臺解決方案產(chǎn)品系列的其中一款產(chǎn)品，該系列包括AD9364 RF收發(fā)器IC。 AD9361 RF捷變收發(fā)器是一款寬帶可編程前端，支持雙獨立收發(fā)器通道，可用于快速增長中的多路輸入、多路輸出（MIMO）細(xì)分市場以及非MIMO市場，滿足了極具挑戰(zhàn)性的SDR要求，使SDR概念更接近現(xiàn)實。 系統(tǒng)處理器可以動態(tài)重新配置關(guān)鍵參數(shù)（如帶寬和RF頻率），以適應(yīng)應(yīng)用需求，從而帶來最佳結(jié)果。 這款器件還含有多種特性，可以支持各種頻率捷變協(xié)議。

　　ADI公司的AD9361 RF這款10 x 10 mm的芯片級器件（圖1）采用用戶可調(diào)帶寬設(shè)計，范圍為200 kHz至56 MHz，擁有豐富的其他特性和性能屬性，可用于構(gòu)建從70 MHz到6 GHz的信號鏈。 利用這款2 x 2直接變頻組件，可以將整個模擬前端簡化成一個相對簡單的電路。 它通過一個LVDS或CMOS端口與主機處理器連接，以提升速度、簡化操作。 IC中集成了12位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、小數(shù)N分頻頻率合成器、數(shù)字和模擬濾波器、自動增益控制（AGC）、發(fā)射功率監(jiān)控、正交校正和其他關(guān)鍵功能。

　　除了具有高集成度，其RF、模擬和混合信號性能——包括接收器噪聲系數(shù)不到2.5 dB而發(fā)送器EVM（誤差矢量幅度）超過-40 dB，同時發(fā)送器噪底低于-157 dBm/Hz——同樣出色。 對于發(fā)射和接收路徑，本振步長為2.5 Hz，可實現(xiàn)精密調(diào)諧。 盡管IC中集成了諸多功能，其功耗卻非常低，一般為1 W左右。

　　圖2：系統(tǒng)開發(fā)人員只需做少量硬件設(shè)置，便可利用AD9361 FMC板開發(fā)、調(diào)試、評估并調(diào)節(jié)Xilinx FPGA的SDR應(yīng)用

??????? 系統(tǒng)設(shè)計不僅僅是IC

　　像靈活的寬帶軟件定義無線電一樣的復(fù)雜設(shè)計涉及大量的電路設(shè)計工作，以及算法開發(fā)工作和一些權(quán)衡，正因如此，AD9361有一種配套的參考設(shè)計，專門針對Xilinx FPGA應(yīng)用而優(yōu)化過。 ADI的AD-FMCOMMS2-EBZ FMC板（FPGA夾層卡）通過一個FMC接頭與Xilinx主機板相連，提供電源和帶寬，為采用2 x 2通道配置的AD9361提供支持（圖2）。 該板可通過軟件完全自定義，同時無需改變?nèi)魏斡布峁┽槍Ω鞣NMIMO配置的額外選項。

　　參考設(shè)計包括原理圖、布局圖、BOM、HDL、Linux驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件，包括驗證性能、快速制作系統(tǒng)原型所需要的所有重要明細(xì)材料。 在低端軟件和固件以外，用戶還可以獲得Simulink和MATlab的支持，從而實施代碼開發(fā)以及對無線電算法和性能進行調(diào)整等。

　　由于這款靈活的小型高性能IC取代了大量分立式電路，所以表面看起來，對此類分立式設(shè)計的需求已經(jīng)不復(fù)存在。 但事實不一定是這樣的，因為針對軟件定義無線電頻率范圍的特定頻段、格式和帶寬的分立式模擬前端設(shè)計，如果設(shè)計精良、經(jīng)仔細(xì)調(diào)試而且布局合理，其在該特定頻段中的性能有可能超過AD9631 IC，雖然其體積較大。

　　但真正的問題是，在軟件定義無線電中，模擬前端擁有極寬的帶寬，所以需要大量針對特定頻譜的此類前端，而其中每一個前端在設(shè)計和評估方面都是一個巨大的挑戰(zhàn)，結(jié)果，最終產(chǎn)品在尺寸、重量和功耗三項指標(biāo)排名中將名落孫山。 因此，幾經(jīng)權(quán)衡，天平嚴(yán)重偏向AD9361 IC一端，該器件的RF性能超出了多數(shù)應(yīng)用場景的需求，而其缺點也要少得多。

　　這款I(lǐng)C是真實的，F(xiàn)MC板和工具也是真實的，而且已經(jīng)被設(shè)計到兩款現(xiàn)有軟件定義無線電產(chǎn)品中，即Ettus Research的通用軟件無線電外設(shè)（USRP）和Epiq Solutions的Maveriq多通道可再配置射頻收發(fā)器。

　　無論系統(tǒng)工程師是愿意用ADI FMC，還是用已上市的軟件定義無線電平臺，來開展軟件定義無線電的設(shè)計和開發(fā)工作，使用AD9361而取得的整體產(chǎn)品封裝和性能都將給他們帶來巨大的領(lǐng)先優(yōu)勢。