多通道射頻至位元開發平台協助用戶針對相位陣列應用快速開發原型

作者:

ADI 技術部主管Peter Delos, 系統應用工程師Charles Frick及首席電子設計工程師 Mike Jones

介紹

未來天線設計的產業趨勢直指相位陣列。這項技術趨勢加上上市時程的壓力,使得開發時間持續縮減,進而對相位陣列系統的射頻研發業者形成許多挑戰。其中和射頻電子有關的挑戰包括:

  • 驗證多通道環境中的射頻電子元件
  • 驗證同步化作業以及跨通道的校正
  • 同時進行軟體開發與產品硬體開發

為因應這方面的產業挑戰,業界已經發展出一種全新的多通道射頻至位元開發平台,以軟體可設定的高速轉換器為基礎。此開發平台整合了資料轉換器、射頻分配、電源調節、以及時脈等元件,提供一款16通道的直接S頻段採樣解決方案。

整合式射頻採樣高速轉換器

最新發表的高速轉換器將ADC、DAC、以及數位訊號處理模塊全部整合在一顆晶片。圖1顯示的MxFE 4通道、16位元、12 GSPS的射頻DAC,以及4通道、12位元、4 GSPS的射頻ADC就是其中一個例子,其內部含有4個ADC、4個DAC、數位上行/下行轉換器、以及數值控振盪器(NCO)與有限脈衝響應濾波器(FIR)數位濾波器。DAC的採樣率為12 GSPS,而ADC的採樣率為4 GSPS。充裕的類比頻寬提供直接採樣的能力,以及從S頻段覆蓋到低C頻段的波形產生功能。

AD9081 functional description

圖1. 16通道射頻直接採樣開發平台 (quad MxFE).

這些轉換器能處理大部分的射頻頻段並將DSP功能嵌入在晶片內,讓使用者能設定各種可程式化濾波器以及數位上行與下行轉換模塊,以滿足特定無線電訊號頻寬的需求。相較於在FPGA中執行這些功能的架構,專屬晶片內嵌的處理機制能大幅降低耗電。騰出寶貴的FPGA資源便可讓研發業採用較低廉的FPGA,或是把FPGA資源挪用到較高階的系統應用處理作業。

16通道射頻直接採樣開發平台(Quad MxFE)

圖2顯示此16通道射頻直接採樣開發平台,圖3則是其模塊圖。先說明命名規則:整合轉換器為混合訊號前端(MxFEs),16通道機板內含4個MxFE,名為quad MxFE。這4個MxFE各自含有4個DAC與ADC,共有16個傳送通道和16個接收通道。

The 16-channel

圖2. AD9081 功能描述

Quad MxFE block diagram

圖3. Quad MxFE 模塊圖

射頻部分含有換衡器(balun)、放大器、以及濾波器,能簡化射頻介面的結構。在接收器通道部分,納入一個低通濾波器,用來抑制DAC映像,另外還有在DAC輸出端經常配置的增益模塊。在接收器通道方面,納入兩個增益級與增益控制機制,連同帶通濾波器,用來執行二階奈斯奎特採樣。濾波器則是配置在Mini-Circuits的1206濾波器,讓使用者能將濾波器切換執行不同的應用。

通道間隔(spacing)方面,每對傳送/接收配置為600 mils,藉以支援X頻段、半波長、以及單極元素格狀間隔等配置。在這個區域的電路,這樣的設計展現的相容性涵蓋到X頻段中每種元素數位波束成型系統。由於4個 MxFE就能直接產生S頻段,因此只須額外加入一個射頻元件就能執行X頻段的作業。

解決方案已內含時脈電路,所有時脈都來自一個共用參考頻率。系統為每個轉換器提供鎖相迴路(PLL),而相位則鎖定參考頻率,並提供AD9081 時脈輸入訊號。另外還包含一個測試點注入選項,讓用戶運用替代轉換器時脈源進行評測。數位時脈也是從共用參考頻率獲得。此外,內含的時脈晶片能為AD9081提供SYSREF訊號,用來執行同步化以及提供FPGA所需的時脈,另外還提供一個選項,用來為AD9081提供參考頻率,藉以在AD9081內部運用鎖相迴路。

圖4顯示解決方案內含的電源分佈與調節。所有需要的電壓都取自於一個12伏輸入電源。電源分佈設計包含交換式調整器的組合,後面連接低雜訊線性調整器,用來處理敏感的類比電壓。

Quad MxFE power distribution

圖4. Quad MxFE 電源分配

軟體控制

用戶可藉由開發軟體、韌體、以及FPGA程式碼,透過這類高階處理語言來控制平台。MATLAB® s描述式語言以及圖形介面讓系統工程師著手開發模型,在MATLAB環境直接連結硬體。MATLAB介面讓用戶能評測模擬作業中測試的各種客制化波形,並直接在硬體中進行評測。接收資料擷取介面則允許使用者指定接收資料的處理方法。

軟體與韌體都是開放原始碼,類似其他Analog Devices模組,皆是採用最新收發器或轉換器為基礎。

總結

四MxFE 射頻至位元開發平台促成多元化的原型開發環境。這方面的功能包括:

  • 開發平台展現跨越轉換器IC與機板的多通道同步化能力
  • 評測機板環境中多通道效能的驗證都在客戶之前進行,而不是在產品設計之前,唯一目的就是同時測試多重通道。
  • 整合度與功能達到一定層級,使得軟體開發工作能與硬體產品化的工作同步進行。
  • 完整的參考設計,包含高速轉換器週圍的所有電路,其中包括射頻I/O/、時脈與同步電路、電源分配、以及高速數位I/O繞線

結合上述這些功能,即可省去多通道射頻系統產品開發中的原型製作步驟,射頻工程師可利用這種建置方案,專注執行系統解決方案的工作。射頻至位元的開發平台最初目的是支援相位陣列的開發。然而這種平台的多元功能使其應用版圖逐漸拓展到多通道射頻系統,如雷達、電子戰、5G、以及量測儀錶等應用。而最終的結果,就是單一化硬體、多重應用的平台,同時提供真正軟體定義的多通道環境。