数字收发组件的关键技术 RF-FPGA芯片在窄带系统设计中的优势

对于通信、雷达等无线电行业相关的朋友，我相信大家对于窄带系统的设计，必然是轻车熟路，如数家珍。尤其是围绕FPGA+AD/DA的数字收发的架构设计，那估计更是心中有笔，信手拈来了。 传统的FPGA+AD/DA独立器件搭建的数字系统我就不过多的介绍，今天我主要给大家讲讲RF-FPGA芯片给整个窄带系统带来的诸多优势，真的是不用不知道，用了都说好!!!

1)高速数字处理

早先的无线电接收系统，利用模拟混频器和级联数字下变频器(DDC)的设计结构，将信号降频至基带以供处理，该系统中会涉及到大量硬件(模拟混频)和电源(模拟域和ASIC/FPGA中的DDC域)。 RF-FPGA的出现，使得DDC可以在RF-FPGA内部的RFADC硬核高速运行，处理的功效要高得多。

2)通过AXI-STEAM接口互联

国产新一代RF-FPGA集成了RFADC，不需要ADC和FPGA之间的高速JESD204或者LVDS接口。直接通过内部并行接口AXI-STEAM接口互联，最大500MHz时钟周期，256位的并行接口。 整个数字接收系统节省了大量的功耗和PCB面积，同时也减小了JESD204的接口的延时。

3)可扩展的硬件设计平台

在硬件设计方面，数字DDC的使用提供了更高的灵活性。系统设计人员现在可以平台化ADC和FPGA相关硬件设计，然后只需进行细微的变更，重新配置系统软件便可适应不同的带宽，这也是未来软件无线电的主要方向。 例如，一个无线电系统既可设计为全带宽射频直采ADC系统，也可设计为中频采样ADC系统。唯一的系统变更将是在RF侧，针对IF ADC可能需要增加极少的混频。 上述绝大部分系统变更都可以在软件中进行，ADC + FPGA硬件设计可以基本保持不变，FPGA工程师配置ADC以支持新的带宽。这就形成了一个标准平台化硬件设计，其可以适用于许多平台，软件要求是其唯一变数。

4)通信接收机设计更加灵活

一个非常常见的ADC使用案例是通信接收机系统设计。关于软件定义无线电(SDR)和采用ADC的通信接收机已有许多文献，小弟这里就不展开讨论。图1为较早一代无线电接收机的功能框：

图1-用于无线电的宽带数字接收机 无线电接收机的一般规格要求ADC的噪声频谱密度(NSD)至少为153 dBFS/Hz或更佳。众所周知，NSD与ADC的SNR存在如下关系： NSD = SNR + 10 log10 (Fs ÷ 2) 其中：NSD为ADC噪声谱密度、SNR的单位为dBFS、Fs为ADC采样率

4.1 常规软件无线电设计

为了正确地对50MHz频段进行数字化，ADC 将需要至少5倍的采样带宽，即至少约250MHz。将这些数值代入上式，ADC达到–153dBFS/Hz NSD要求所需的SNR约为72dBFS。 图2显示了利用250MSPS ADC对50MHz频段有效采样所采用的频率规划，该图还显示了二次和三次谐波频段的位置。

图2-采用250MSPS ADC的50MHz宽带无线电的频率规划

ADC采样的频率都会落在ADC的第一奈奎斯特(DC–125MHz)频段。这种现象称为混叠，因此这些频率包括目标频段、折回或混叠到第一奈奎斯特频段的二次和三次谐波，如图3所示，说明如下：

图3-显示在第一奈奎斯特区中的可用频段，含二次和三次谐波

除NSD规格外，GSM、LTE和LTE-A等蜂窝通信标准还对SFDR (无杂散动态范围)有其它严格要求，这给前端设计带来了很大压力。对目标频段中的信号进行采样时，前端能够衰减干扰信号。 常规无线电前端设计的SFDR规格，即抗混叠滤波器要求很难达到。满足SFDR要求的最佳抗混叠滤波器(AAF)解决方案是采用带通滤波器。 通常，此类带通滤波器为五阶或更高阶。一款可以满足此类应用的SNR (或NSD)和SFDR要求的合适ADC是16位250 MSPS模数转换器AD9467，采用AD9467的蜂窝无线电应用前端设计将图4所示：

图4-包括放大器、抗混叠滤波器和250 MSPS ADC的前端设计

满足SFDR要求的AAF的频率响应如图5所示：

图5-包括放大器、抗混叠滤波器和250 MSPS ADC的带通响应

此系统的实现不是不可能，但存在很多设计难题。因为带通滤波器涉及到大量器件，是最难实现的滤波器之一。而且相关器件的选择非常重要，任何不匹配都会导致ADC输出中出现不需要的杂散(SFDR)。 除了非常复杂以外，任何阻抗不匹配都会影响滤波器的增益平坦度。为了优化该滤波器设计以满足带通平坦度和阻带抑制要求，需要做相当多的设计工作。 虽然这种无线电设计的前端实现很复杂，但它确实有效，然而，系统实现因为下列原因而变得复杂：

滤波器设计;

FPGA必须提供专用JESD204B/LVDS端口来捕捉数据，这会使PCB设计复杂化;

FPGA还需要留出一些处理能力来进行数字信号处理。

4.2 RF-FPGA简化并加速设计

RF-FPGA中RFADC硬核采样频率最大能到4.6GHz，对于50MHz带宽信号，利用过采样技术，然后抽取平均降低底噪，以改善动态范围。 对系统设计人员来说，这意味着实现起来很简单，并可获得其它灵活性。由于该ADC的采样频率(1GHz)是上述例子(250MHz)的4倍，RF采样ADC奈奎斯特区的频率规划要简单得多，如图6所示：

图6-采用1GSPS ADC的50MHz宽带无线电的频率规划

从频率规划可知，它实现起来要比图2所示的设计简单得多。AAF要求也有所降低，如图7所示。这种方法的思想是使用简单的模拟前端设计，而把数字处理模块留在RF直采ADC内以执行繁重的信号处理。

图7-1GSPS ADC的AAF

过采样的好处是将该频率规划扩展到整个奈奎斯特区，即比250MSPS奈奎斯特区大4倍的区域。这样就大大降低了滤波要求，一个简单的三阶低通滤波器就足够，而无需250MSPS ADC方案所用的带通滤波器。采用RF采样ADC的简化AAF实现方案如图8所示：

图8-包括放大器、抗混叠滤波器和1GSPS ADC的前端设计

图9所示为上述系统低通滤波器响应性能，同时显示了带通滤波器以作比较。

图9-250MSPS ADC和1GSPS ADC的AAF比较

从上述AAF对比结果来看，低通滤波器的带通平坦度更佳，而且就器件不匹配而言，1GSPS ADC系统更容易管理，其阻抗匹配也更容易实现。 此外，由于器件数量更少，系统成本也更低，简化的前端设计可缩短设计时间。同时每4倍过采样率时，通过平均还可以获得6dB的额外处理增益，提高一位有效位数。

战术总结

随着RF-FPGA的到来，必然会给传统的窄带、宽带的收发系统设计带来变革，小弟私以为，对于新技术和新产品的到来，我们要时刻保持谦虚包容的态度，积极地去学习和接纳。毕竟身处在这么卷的行业赛道里，不努力学习，可能明天就要到别人的厂子里应聘保安了。

审核编辑：汤梓红