多通道RF到数据开发平台助力相控阵原型开发
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。
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。
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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。
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。
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