軟件定義的直接射頻同步采樣多頻段/多業(yè)務(wù)收發(fā)器

傳統(tǒng)的射頻收發(fā)器采用的是外差式結(jié)構(gòu)（圖1）。發(fā)射（Tx）或接收（Rx）的模擬射頻（RF）信號通過帶有本地振蕩器（LO）的混頻器（Tx為上變頻，Rx為下變頻）由DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）輸出或由ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）進行數(shù)字化。Tx和Rx信號并不直接到RF，它們被稱為中頻（IF）信號。中頻信號（Tx或Rx）是RF和LO信號的和或差（RF=IF+LO或IF=RF-LO）。

外差結(jié)構(gòu)一般是為單一頻段和單一業(yè)務(wù)設(shè)計的。外差結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是成本低、方案成熟、有豐富的窄帶組件可選并支持硬件可切換的重新配置。缺點是受硬件限制，只支持單頻段（窄）和單業(yè)務(wù)，并且只能用于順序采樣/操作。

另一類微波RF收發(fā)器使用零差直接RF結(jié)構(gòu)（圖1）。5直接RF無需混頻（或上/下變頻），它直接在所需的合適RF頻段中處理Tx和Rx信號。直接RF可用天線與DAC/Tx或ADC/Rx之間的一條線表示。

圖2顯示了硬件和軟件的進步所帶來的從外差式到零差式收發(fā)器的發(fā)展。隨著技術(shù)的發(fā)展，硬件的處理帶寬越來越大，加上軟件的發(fā)展，收發(fā)器的模擬硬件越來越少，最后收發(fā)器變?yōu)檐浖x的無線電。

Teledyne e2v現(xiàn)在可提供一種直接RF同步采樣多頻段/多業(yè)務(wù)收發(fā)器方案，用于高達Ka頻段的轉(zhuǎn)換。1這種單鏈?zhǔn)瞻l(fā)器可以同時（而不是按順序）在L到Ka頻段轉(zhuǎn)換，可用于多業(yè)務(wù)操作。這種直接RF轉(zhuǎn)換方法要求Tx/Rx模塊盡可能地靠近天線，并需要相關(guān)的數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換、波束轉(zhuǎn)向、調(diào)制和解調(diào)功能的電路。

這個方案無需上/下變頻，可實現(xiàn)最佳的噪聲和頻率特性。由于無需合路器/分路器，插損也減少了。對于頻率規(guī)劃，一旦硬件實現(xiàn)固定（如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和濾波器），系統(tǒng)中唯一的設(shè)計變量（除軟件重新配置外）是采樣時鐘頻率。這是一個使用AI技術(shù)的完全由軟件定義的系統(tǒng)，支持連續(xù)動態(tài)軟件重配置。

收發(fā)器的應(yīng)用和實現(xiàn)

微波收發(fā)器在同一模塊中包括Tx和Rx功能。收發(fā)器可以在半雙工或全雙工模式下工作。半雙工意味著Tx和Rx功能必須在時間上交替進行，而全雙工允許系統(tǒng)同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

圖3顯示了在不同RF頻段工作的各種衛(wèi)星應(yīng)用。3傳統(tǒng)的收發(fā)器是針對特定應(yīng)用和特定RF頻段設(shè)計的獨立系統(tǒng)。這導(dǎo)致需對每個頻段和每項業(yè)務(wù)進行投資（對于圖3，這可能需要19個單獨的投資和開發(fā)/部署）。為了最大限度地發(fā)揮功能（多頻段和多業(yè)務(wù)）并最大限度地降低開發(fā)成本，可使用可切換的收發(fā)器通道依次切換模擬和數(shù)字通道功能，但切換時有延遲。

當(dāng)今的直接RF收發(fā)器是為每個業(yè)務(wù)的多頻段性能設(shè)計的（圖4）。不幸的是，取決于可用的ADC和DAC，多頻段操作可能會受到限制，如L和C或X和Ku頻段。多業(yè)務(wù)操作是否能完全實現(xiàn)，一般取決于數(shù)字調(diào)制器/解調(diào)器的處理和計算速度。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)路由也可能是一個重要的限制因素。

這種新的直接RF同步采樣多頻段/多業(yè)務(wù)收發(fā)器可同時管理多種業(yè)務(wù)的波形，如圖4所示。它同時（而不是按順序）處理多個頻段（L到Ka頻段）以及多種業(yè)務(wù)。這是通過使用混合信號系統(tǒng)級封裝（MiXiP SiP）技術(shù)，將Teledyne e2v的Ka頻段ADC和DAC與AMD Xilinx的先進的7納米FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）XQRVC1902數(shù)字引擎封裝在一起而實現(xiàn)的。

一個多頻段/多業(yè)務(wù)的微波收發(fā)器，除了需要超高性能的元器件外，還需要尖端的封裝和互連技術(shù)，以最小化模擬和數(shù)字干擾的方式來劃分系統(tǒng)。2圖5展示了幾種收發(fā)器的分區(qū)技術(shù)：1）普通的多芯片模塊，其數(shù)據(jù)集中在FPGA周圍，最大限度地減少了數(shù)字路由；2）SoC（片上系統(tǒng)）；3）用數(shù)字光纖互連的SiP，將ADC和DAC放在天線附近，同時將數(shù)字功能與模擬隔開。

技術(shù)1已經(jīng)使用了幾十年，但需要對ADC和DAC的模擬信號進行復(fù)雜的路由。隨著系統(tǒng)頻率的提高，模擬信號的路由會變成一個大問題。

技術(shù)2使用SoC，這需要使用單片工藝技術(shù)，并且器件的幾何形狀必須滿足收發(fā)器所需的微波模擬和數(shù)字功能的需求。這項方案難度很大，成本很高，并且需要相當(dāng)長的開發(fā)時間。

技術(shù)3結(jié)合了技術(shù)1和2的優(yōu)點，但需要光學(xué)數(shù)據(jù)鏈路驅(qū)動能力，Teledyne e2v不提供這種技術(shù)。它特別適合使用連接到獨立天線的獨立發(fā)射器和接收器。

直接RF同步采樣多頻段/多業(yè)務(wù)收發(fā)器的架構(gòu)

圖6是軟件定義的直接RF同步采樣收發(fā)器的框圖，該收發(fā)器封裝在一個封閉的收發(fā)天線模塊（TAM）中，直接連接到L到Ka頻段的天線。TAM的核心是Tx/Rx MiXiP SiP，它包含Teledyne e2v的EV12DD700（DAC）、兩個EV10AS940（ADC）和AMD Xilinx的XQRVC1902 7nm FPGA數(shù)字引擎。TAM還包括輔助元器件，如低通濾波器（LPF）、帶通濾波器/多帶通（n）濾波器（BPFn）、低噪聲放大器（LNA）、高功率放大器（HPA）和環(huán)行器。1,2,5

TAM的封裝和分區(qū)取決于所需的業(yè)務(wù)頻段、功率傳輸水平、物理尺寸和每個輔助部件的熱要求。例如，將MiXiP SiP、LNA、LPF和BPFn放在一塊PCB上，直接與HPA和環(huán)行器相連，再依次與天線相連，這可能是最佳的方案。

這種TAM使用L到Ka頻段的MiXiP SiP核心，優(yōu)點是系統(tǒng)不再受硬件限制。由于MiXiP SiP的DAC、ADC和FPGA能夠工作到Ka頻段，而且系統(tǒng)被包含在一個SiP封裝中，開發(fā)人員只需從大量可選的輔助器件中選擇滿足系統(tǒng)性能要求的器件即可。

一旦選定了輔助器件，TAM就變成了完全由軟件定義的（動態(tài)軟件重配置）系統(tǒng)，具有同步采樣、切換和無縫連接的功能。一旦確定了TAM的硬件實現(xiàn)方案，系統(tǒng)中唯一的設(shè)計變量（除了軟件重新配置）是采樣時鐘頻率。TAM的同步采樣多頻段和多業(yè)務(wù)操作能力為用戶提供了更大的系統(tǒng)級靈活性，并支持獨立的本地/地面/空間EM基礎(chǔ)設(shè)施和自動切換。這也使其他功能得以實現(xiàn)，如系統(tǒng)監(jiān)控、加密操作和避免天線阻塞。3

發(fā)射器DAC

EV12DD700是一款支持Ka頻段的耐輻射、雙電流舵12位DAC，其采樣率高達12GSps。它可以合成頻率超過21GHz的信號，而不需要上變頻（圖7）。它還嵌入了數(shù)字功能，如插值、數(shù)字上變頻、直接數(shù)字合成、啁啾、波束賦形、波束跳動和超快速跳頻。1,2,8

sinc(x)=sin(x)/x的DAC輸出響應(yīng)可以通過反正弦函數(shù)（A-SINC）進行補償。除了經(jīng)典的非歸零輸出模式（NRZ）外，DAC核心還支持嵌入式RF模式和2RF模式，并要求時鐘的速度是其他模式的兩倍。這些輸出模式使DAC能夠直接合成超過21GHz的頻率，而不需要外部上變頻器，從而支持Ka頻段的操作。

圖8展示了同時使用L和C頻段（DAC通道A（NRZ模式））以及X和Ku頻段（DAC通道B（RF模式））輸出信號時器件的頻譜輸出。

接收器ADC

EV10AS940是一款10位Ka頻段單通道ADC，采樣率高達12.8GSps。它具有數(shù)字下變頻（DDC）和跳頻（FH）功能，并通過集成多個數(shù)字控制振蕩器實現(xiàn)了多個數(shù)字通道，并包含其他的廣泛的數(shù)字功能（圖9）。

它的高模擬輸入帶寬（35 GHz）使其成為Ka頻段直接RF架構(gòu)的最佳選擇，且無需使用任何集成的專用混頻器。它的功耗只有2.5W。它還包含11條ESIstream串行鏈路，這些鏈路與采樣時鐘同步運行，以實現(xiàn)確定性的數(shù)據(jù)傳輸。

DDC功能支持多種抽取率，最多有四個獨立的NCO，以支持多頻段操作中的跳頻。由于每個NCO上有多個相位累加器，專用跳變觸發(fā)I/O也是確定的，因此可實現(xiàn)相干的跳頻。數(shù)字整數(shù)和小數(shù)延遲可實現(xiàn)相控陣應(yīng)用中的波束賦形。

其他功能包括背景和溫度校準(zhǔn)、溫度監(jiān)測、具有2至1024的抽取率的DDC、4個DDC通道、專用的FH I/O、具有歸零功能的確定性FH、連續(xù)和相干模式、ESIstream 62/64b、高速串行鏈路（HSSL）到達選擇和HSSL阻抗控制（2×50Ω±20%）。

表1是無雜散動態(tài)范圍（SFDR），表2是噪聲功率比（NPR），這些參數(shù)有助于評估ADC的多頻段/多頻率的性能。

Tx/Rx MiXiP SiP

圖10展示了TAM的Tx/Rx MiXiP SiP核心，其中包含EV12DD700、2個EV10AS940和XQRVC1902。完整的MiXiP SiP收發(fā)器具有63×50毫米的緊湊外形尺寸，SiP球矩陣為52×47毫米。SiP（基板專利申請中）使用已知可靠性的耐輻射DAC和ADC進行預(yù)構(gòu)建。

ADC也有單端輸入，這對于選擇LNA驅(qū)動器非常有幫助，并且無需使用任何變壓器/巴倫。MiXiP將XQRVC1902放置在DAC和ADC旁邊，從而最大限度地減少數(shù)字路由，降低干擾。

AMD Xilinx VC1902（7納米）基于Versal的AI內(nèi)核和自適應(yīng)計算加速平臺（ACAP）AI推理引擎。VersalAI內(nèi)核提供突破性的AI推理，其性能比服務(wù)器級CPU高出100倍以上。

Versal ACAP是一個綜合的SoC，它將CPU、DSP、I/O和RAM控制與可編程的硬件邏輯結(jié)合在一起。XQRVC1902使Tx/Rx MiXiP SiP支持動態(tài)頻率規(guī)劃，具有軟件可控性、靈活性，并支持多頻段、多業(yè)務(wù)和跨頻段（在多個頻段接收，同時在其他頻段發(fā)射）的功能。

TAM輔助部件

為了使軟件定義的直接RF同步采樣多頻段/多業(yè)務(wù)收發(fā)器可在L到Ka頻段運行，每個系統(tǒng)組件都是關(guān)鍵的因素。除了使用具有Ka頻段能力的Tx/Rx MiXiP外，還必須從同步采樣多頻段性能的角度評估和理解其他每個系統(tǒng)組件。6,7

例如，6個同步的Tx/Rx RF頻段/頻率將由天線、HPA、LNA、濾波器和環(huán)行器處理。傳統(tǒng)上，這些組件是通過變化的單頻和/或雙頻測試來評估的。然而，現(xiàn)在需要的是對每個組件進行多頻段性能評估的方法。

這就是NPR測試的有用之處。NPR測試通常反映了一個多頻段系統(tǒng)中的一個特定頻段的“安靜性”。其他頻段的噪聲和互調(diào)失真結(jié)果會落入一個特定的頻段。因此，NPR測試有助于評估輔助部件的多頻段/多頻性能。選擇TAM輔助部件的一些考慮因素是：

天線和工作頻率/極化

如果所有的Tx和Rx信號都在同一平面，則使用線性極化天線；如果不是，則使用圓形極化天線。寬帶（圓形極化）天線一般由國防/衛(wèi)星通信供應(yīng)商和少數(shù)商業(yè)供應(yīng)商提供。

寬帶天線設(shè)計需要在天線增益、天線尺寸、多波束能力、波束賦形/整形和轉(zhuǎn)向性之間進行權(quán)衡。請注意，Ka頻段的帶寬比低頻段大4倍，因此使用多個聚焦點波束進行頻率重用操作，可以在同一頻率上同時進行不同信號的Tx/Rx。4

Ka頻段容易受到惡劣天氣的影響，因此需要交替或附加頻段來實現(xiàn)無縫操作。它有更多的軌道槽（orbital slot），可以較小的可轉(zhuǎn)向波束實現(xiàn)高容量/密度。Ka頻段的靈活性很高，可在較小的終端上使用較高的數(shù)據(jù)率，并采用了比其他頻段更小的天線尺寸（大約1/4的大小）。

HPA

HPA將低功率的RF信號（來自DAC）轉(zhuǎn)換為驅(qū)動發(fā)射天線的高功率信號。要求的指標(biāo)包括增益、功率輸出、輸出驅(qū)動配置（如A類、AB類）、帶寬、效率、線性度（額定輸出時的低信號壓縮）、輸入/輸出阻抗匹配和散熱。每個HPA組件都必須從多頻段同步采樣性能的角度進行評估和理解（如前所述）。

LNA

LNA轉(zhuǎn)換和放大來自天線的功率非常低的RF信號，不顯著降低信噪比，并驅(qū)動接收器ADC。RFLNA必須噪聲低、增益高并有足夠大的互調(diào)壓縮點（IP3和P1db）。RFLNA必須有功率限制器的保護，以便從雙工切換期間（從Tx到Rx的轉(zhuǎn)換）可能出現(xiàn)的大輸入信號瞬態(tài)中恢復(fù)。

環(huán)行器/開關(guān)（雙工器）

RF雙工器通過單一路徑實現(xiàn)雙向信號傳輸（將接收器與發(fā)射器隔離，允許它們共享同一天線）。RF環(huán)行器實現(xiàn)了全雙工收發(fā)器的操作（在不同的頻率上用單一的共享天線同時進行發(fā)射和接收）。端口通過波導(dǎo)傳輸線以及微帶線或同軸電纜連接。

波導(dǎo)/濾波器

波導(dǎo)是用作發(fā)射器和接收器與天線的傳輸線的空心金屬管。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的幾何形狀也可以作為一個濾波器，決定哪些頻率可以通過，哪些頻率被濾除。

時鐘發(fā)生器

時鐘發(fā)生器是一個電子振蕩器，產(chǎn)生用于同步系統(tǒng)級操作的時鐘信號。時鐘發(fā)生器必須是可編程的，并為分布在整個系統(tǒng)中的多個時鐘提供足夠的驅(qū)動。

光學(xué)數(shù)字線束

一個可選的光學(xué)數(shù)字線束也可能是有用的。它將系統(tǒng)的互連進行了電氣隔離，并使天線進一步數(shù)字化并減輕重量。

測量的性能

圖11和12展示了EV12DD700 DAC的SFDR和相位噪聲性能。

圖13和14展示了EV10AS940 ADC的SFDR和未校準(zhǔn)/校準(zhǔn)的性能。

總結(jié)

微波RF收發(fā)器開發(fā)商在堅持SWaP-C約束的同時，面臨著同步采樣、多頻段和多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)。此外，下一代ADC、DAC和FPGA的不斷發(fā)布促進了硬件設(shè)計的發(fā)展和新設(shè)計的誕生。

現(xiàn)在，Tx和Rx數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器件可支持L到Ka頻段，先進的SiP組裝技術(shù)可將它們和FPGA集成在一個封裝里。這些技術(shù)的發(fā)展使Teledyne e2v的Tx/Rx MiXiP SiP能夠為微波RF收發(fā)器系統(tǒng)提供軟件定義的靈活性和多頻段/多業(yè)務(wù)能力。MixSiP SiP通過軟件定義的直接RF同步采樣多頻段/多業(yè)務(wù)收發(fā)器，為TAM提供了最高的性能（高達Ka頻段）和價值。

文章來源：actMWJC

審核編輯：湯梓紅