AD9371軟件無線電硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊新宇

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

軟件無線電(Software Defined Radio，SDR)是一個(gè)巨大的新興領(lǐng)域，需要設(shè)計(jì)諸多種技術(shù)，如天線、RF、IF和數(shù)字基帶子系統(tǒng)。在所有這些技術(shù)中，在模擬域和數(shù)字域之間轉(zhuǎn)換信號(hào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是非常關(guān)鍵的。另一方面，基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGAs)的平臺(tái)由于其可編程性和可重構(gòu)性而成為評(píng)估和實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信概念的首選平臺(tái)。因此，它們非常適合于SDR技術(shù)的設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)的軟件無線電平臺(tái)由以AD9371為核心的射頻板和以FPGA為核心的基帶板組成，兩板通過FMC接口相連。射頻板主要功能是進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換、濾波、混頻和功率放大等信號(hào)處理，基帶板主要進(jìn)行基帶信號(hào)處理，包括信號(hào)的調(diào)制及解調(diào)，電路控制等功能[1-2]。

1 AD9371的軟件無線電技術(shù)簡(jiǎn)介

AD9371是一款寬帶射頻收發(fā)器，提供雙通道發(fā)射器和接收器、集成合成器和數(shù)字信號(hào)處理功能。該器件系列提供3G/4G微基站和宏基站設(shè)備在頻分雙工和時(shí)分雙工應(yīng)用中所需的高性能和低功耗的多功能組合。AD9371的工作頻率為300MHz至6GHz，涵蓋大多數(shù)許可和未許可的蜂窩頻段。集成電路支持高達(dá)100兆赫的接收機(jī)帶寬。它還支持高達(dá)250MHz的觀測(cè)接收機(jī)和發(fā)射合成帶寬，以適應(yīng)數(shù)字校正算法[3]。

AD9371軟件無線電技術(shù)由寬帶直接轉(zhuǎn)換信號(hào)路徑組成，具有最先進(jìn)的噪聲系數(shù)和線性度。每個(gè)完整的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)子系統(tǒng)都包括DC偏移校正、正交誤差校正和可編程數(shù)字濾波器，無需數(shù)字基帶中的這些功能。集成了多個(gè)輔助功能，如輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換器(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、輔助數(shù)模轉(zhuǎn)換器(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)和通用輸入/輸出(GPIOs)，以提供額外的監(jiān)控能力[4]。

2 AD9731軟件無線電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

AD9731軟件無線電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下：

第一，便利性。AD9731軟件無線電技術(shù)的第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是便利性，這主要體現(xiàn)在它具有高性能和高集成度上。這款平臺(tái)具有片上系統(tǒng)解決方案，能夠替代20多個(gè)高性能分立式無線電元件。通過這種簡(jiǎn)單、可靠的連接，使其在在各種環(huán)境和工作條件下都能具備直接變頻、高線性度和自校準(zhǔn)特性，進(jìn)而保持最佳的性能水平。同時(shí)，大規(guī)模集成度和零IF支持寬頻率范圍，可消除互聯(lián)損耗，減少寬帶匹配問題[5]。

第二，多功能性。向各種應(yīng)用提供一個(gè)通用平臺(tái)，可減少開發(fā)時(shí)間和庫存成本。（1）工作頻率范圍：300MHz至6GHz。支持最高接收器帶寬：100MHz。支持最高發(fā)送帶寬：100MHz；支持最高觀測(cè)接收器和發(fā)送頻率合。帶寬：250MHz(數(shù)字校正算法)；（2）尺寸、重量和功耗(SWa P)；較少的元件數(shù)，便于將無線電安裝在樓宇、燈柱和辦公室墻壁等位置。在正常工作條件下功耗水平低于5W，可減少冷卻需求，提高可靠性并降低運(yùn)營(yíng)成本。（3）XJESD204B數(shù)據(jù)接口最大限度地減少輸入/輸出線路，從而使遠(yuǎn)程部署無線電變得更加可行。易于使用 利用ADI無線電技術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)降低開發(fā)成本，縮短上市時(shí)間(TTM)；（4）完整的API(應(yīng)用程序接口)、軟件用戶指南和標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口(SPI)可簡(jiǎn)化開發(fā)過程。（5）片內(nèi)跟蹤校準(zhǔn)能以較少的用戶控制保持性能[6]。

第三，降低噪聲。AD9731軟件無線電技術(shù)設(shè)計(jì)出一種工作頻率為2.2～2.8GHz的連續(xù)可調(diào)低噪聲放大器(LNA)。在輸入匹配階段，通過射頻阻抗變壓器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。該電路由變壓器級(jí)、調(diào)諧級(jí)、移相器和增益級(jí)四部分組成。頻率調(diào)諧是通過調(diào)諧級(jí)的偏置電壓來改變輸出電流來實(shí)現(xiàn)的。該電路在放大器的反饋路徑中包括一個(gè)有源移相器，用于移動(dòng)被放大信號(hào)的相位。通過變壓器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可調(diào)性需要移相。LNA達(dá)到最大模擬增益18dB。該LNA獲得了一個(gè)完美的阻抗匹配的調(diào)諧范圍與穩(wěn)定的運(yùn)作。此外，它達(dá)到了最小噪聲值1.4dB。

3 軟件無線電硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案

AD9371是一款高集成度的射頻收發(fā)器，能夠配置用于廣泛應(yīng)用。雙通道差分發(fā)送器(Tx)X雙通道差分接收器(Rx)X帶2路輸入的觀測(cè)接收器(ORx)X帶3路輸入的嗅探接收器(SnRx)X可調(diào)諧范圍：300MHz至6GHz X發(fā)射器合成帶寬：最高可達(dá)250MHz X接收器帶寬：7.5MHz至100MHz X支持頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)工作模式X全集成式獨(dú)立小數(shù)N分頻射頻(RF)頻率合成器，可用于Tx、Rx、ORx和時(shí)鐘生成XJESD204B數(shù)字接口RadioVerse技術(shù)和設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)ADI認(rèn)識(shí)到與RF設(shè)計(jì)和集成相關(guān)的挑戰(zhàn)以及將高性能無線電解決方案快速推向市場(chǎng)所需的條件。評(píng)估選項(xiàng)AD9371集成式RF收發(fā)器提供多種評(píng)估選項(xiàng)。窄調(diào)諧(ADRV9371-N-EBZ)或?qū)捳{(diào)諧(ADRV9371-W-EBZ)范圍選項(xiàng)同時(shí)提供完整的產(chǎn)品評(píng)估系統(tǒng)和原型制作平臺(tái)[7]。

由于DPD系統(tǒng)從FPGA劃分到收發(fā)器，故JESD204B串行數(shù)據(jù)接口通道數(shù)減半，使得系統(tǒng)功耗大幅降低，尤其是Pre-5G massive MIMO這種無線電通道密度需求很高的應(yīng)用場(chǎng)景（天線數(shù)量從原先的2天線增加到128天線）帶來的功耗降低是非常明顯的。其他優(yōu)勢(shì)包括更緊湊的無線電電路布局，這可以簡(jiǎn)化布線和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，縮減基站尺寸，并允許設(shè)計(jì)人員使用較低成本和復(fù)雜度的FPGA。在小基站系統(tǒng)中，利用這些優(yōu)勢(shì)可讓每個(gè)設(shè)備支持更多頻段，從而提高網(wǎng)絡(luò)容量，同時(shí)最大程度地減少對(duì)系統(tǒng)功耗和尺寸的影響[8]。

AD9361增益控制：（1）發(fā)送功率控制：由一個(gè)程控衰減器決定，衰減范圍為（0～89.75dB）步進(jìn)為0.25dB。（2）接收增益控制：由模擬增益（由低噪放、混頻器、跨阻放大器和低通濾波器等增益組成）和數(shù)字增益決定。（3）控制方式為：自動(dòng)控制和手動(dòng)控制（SPI控制和管腳控制）。（4）增益范圍：0～90dB，模擬增益最大為76dB，數(shù)字增益最大為31dB。（5）增益分配：由查表決定，有單表模式和多表模式。

AD9371狀態(tài)機(jī)控制方式：通過SPI寫寄存器控制、通過管腳控制(分為電平模式和脈沖模式)。狀態(tài)機(jī)模式：FDD模式、TDD模式[9]。

AD9371控制編程：（1）SPI接口：通過AD9371的SPI接口對(duì)AD9371進(jìn)行初始化配置，難點(diǎn)在于初始化寄存器，而初始化寄存器可以通過ADI的寄存器配置軟件生成。（2）數(shù)據(jù)接口：接口形式為L(zhǎng)VDS和COMS，難點(diǎn)在于速率較高的情況下，需要加合適的約束或者調(diào)解AD9371的時(shí)延調(diào)整寄存器0x06和0x07。（3）狀態(tài)機(jī)：需要正確控制狀態(tài)機(jī)，否則AD9371會(huì)工作你不知道的狀態(tài)里，可以通過讀取狀態(tài)寄存器判斷。（4）校準(zhǔn)時(shí)間：注意AD9371的校準(zhǔn)時(shí)間需要給足夠，否則會(huì)影響性能，同時(shí)ADI的寄存器配置軟件生成的配置能夠滿足基本功能，但是想要性能更好，需要自己去優(yōu)化[10-14]。

4 結(jié)語

AD9371收發(fā)器可用于常見無線電平臺(tái)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)300MHz至6GHz的射頻頻率范圍，JESD204B接口最高支持6Gbps，功耗低于5W。AD9371內(nèi)置兩個(gè)100MHz接收器、兩個(gè)250MHz發(fā)射器、一個(gè)雙路輸入觀測(cè)接收器和一個(gè)三路輸入sniffer接收器。該收發(fā)器的集成DPD解決方案支持3G和4G信號(hào)，瞬時(shí)信號(hào)帶寬最高可達(dá)40MHz。除此以外，AD9371收發(fā)器硬件組合還有適用于宏蜂窩到微微蜂窩、毫微微蜂窩基站架構(gòu)的寬帶器件，以及適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的超低功耗窄帶收發(fā)器。