AFE7953 高性能多通道射频模拟前端（AFE）技术总结

该AFE7953是一款高性能、宽带宽的多通道收发器，集成了两个射频采样发射器链和两个射频采样接收器链。该器件的工作频率高达 12GHz，可在 L、S、C 和 X 波段频率范围内实现直接射频采样，而无需额外的变频级。这种密度和灵活性的提高使高通道数、多任务系统成为可能。

TX信号路径支持插值和数字上变频选项，每个TX通道可提供高达400 MHz的信号带宽。DUC的输出驱动12GSPS DAC（数模转换器），并具有混合模式输出选项，以增强二次奈奎斯特作。DAC输出包括一个可变增益放大器（TX DSA），范围为40dB，具有1dB模拟和0.125dB数字步长。
*附件：afe7953.pdf

每个接收器链包括一个 25dB 范围的 DSA（数字步进衰减器），然后是一个 3GSPS ADC（模数转换器）。每个接收器通道都有一个模拟峰值功率检测器和各种数字功率检测器，以辅助外部或内部自主自动增益控制器，以及用于器件可靠性保护的射频过载检测器。灵活的抽取选项可优化每个 RX 通道高达 400MHz 的信号带宽。

特性

• 双射频采样 12GSPS 发射 DAC
• 双射频采样3GSPS接收ADC
• 最大射频信号带宽：400MHz
• 射频频率范围：600MHz - 12GHz
• 数字步进衰减器 （DSA）：
  • TX：40dB范围，0.125dB步长
  • 接收：25dB 范围，0.5dB 步长
• 单频或双频 DUC 或 DDC
• 每个 TX 或 RX 16 个 NCO
• 可选内部PLL或VCO，用于DAC或ADC时钟，或DAC或ADC采样率的外部时钟
• SerDes 数据接口：
  • JESD204B和JESD204C兼容
  • 8 个高达 29.5Gbps 的 SerDes 收发器
  • 子类 1 多设备同步
• 封装：17mm × 17mm FCBGA，0.8mm 间距

参数

方框图

AFE7953 是德州仪器（Texas Instruments）推出的 高性能多通道射频模拟前端（AFE） ，专为高带宽、高频率射频信号处理设计，集成 8 路接收（RX）通道、8 路发射（TX）通道及灵活的时钟与锁相环（PLL）模块，支持 600MHz-9.6GHz 超宽射频频率范围，满足 5G 基站、雷达系统、卫星通信等对高动态范围、低噪声与高集成度的严苛需求。以下从核心特性、性能参数、功能架构、应用设计及订购信息等方面展开总结。

一、核心特性与产品定位

1. 基础参数与架构

• 通道与分辨率 ：
  • 通道配置：8 路接收通道（RX）+ 8 路发射通道（TX），支持多输入多输出（MIMO）架构，适配大规模天线系统（如 5G Massive MIMO 基站）。
  • 分辨率：发射端 14 位 DAC（数模转换器），接收端 16 位 ADC（模数转换器），兼顾高分辨率与高采样率，平衡信号精度与处理速度。
• 频率与带宽 ：
  • 射频频率范围：600MHz-9.6GHz，覆盖 Sub-6GHz（5G 主流频段）、毫米波（部分频段）及卫星通信频段，支持多标准射频信号处理。
  • 采样率：DAC 最高 12GSPS（吉采样 / 秒），ADC 最高 2.94912GSPS，支持超宽信号带宽（如 100MHz 5G NR 信号）。
• 供电与功耗 ：
  • 供电电压：多组供电域，涵盖 0.9V（数字核心）、1.2V（模拟电路）、1.8V（射频与 GPIO），适配不同模块功耗需求。
  • 功耗：正常工作模式（2T2R FDD）典型功耗 3374mW，休眠模式低至 649mW，兼顾高性能与低功耗需求。
• 封装与可靠性 ：
  • 封装：17mm×17mm 400 引脚 FC-BGA（球栅阵列），带散热焊盘，结到板热阻 4.85°C/W，优化高温环境散热。
  • 工业级标准：工作温度 - 40°C 至 + 85°C（环境温度）、结温最高 125°C，ESD 防护（人体放电模型 HBM±2000V、带电设备模型 CDM±500V），满足工业与通信系统可靠性要求。

2. 核心增强功能

• 超宽频率覆盖与灵活模式 ：
  • 频率适配：支持 600MHz-9.6GHz 射频频率，通过 “交织模式（Interleave）”“混合模式（Mixed Mode）” 适配不同奈奎斯特频段，例如 12GSPS DAC 在 1st Nyquist 支持 0-6GHz，2nd Nyquist 支持 6-12GHz，覆盖毫米波低段频段。
  • 时钟模式：6GHz 以下支持 PLL 时钟模式（参考时钟 491.52MHz），6GHz 以上支持外部时钟模式（11.79648GHz），确保全频段时钟稳定性。
• 高动态范围与低噪声 ：
  • 发射端（TX）：14 位 DAC 输出功率最高 4.6dBm（850MHz），三阶互调失真（IMD3）低至 - 88dBc（850MHz，-13dBFS 输入），杂散抑制比（SFDR）最高 79.4dBc，减少信号失真，保障射频信号纯度。
  • 接收端（RX）：16 位 ADC 噪声谱密度（NSD）低至 - 156dBFS/Hz（800MHz，DSA=4dB），噪声系数（NF）最小 19dB（830MHz），高动态范围（SFDR）最高 100dBFS，精准捕获微弱射频信号。
• 灵活的增益与衰减控制 ：
  • 数字步进衰减器（DSA）：发射与接收通道均集成 40dB 范围 DSA，步进 1dB，衰减精度（DNL）±0.1dB（校准后），支持实时调整信号增益，适配不同链路损耗场景（如基站天线距离变化）。
  • 增益平坦度：600MHz 带宽内增益平坦度 ±1.2dB，确保宽频段内信号幅度一致性。
• 时钟与 PLL 模块 ：
  • 集成 PLL/VCO：支持 9.7-12.08GHz VCO（压控振荡器），闭环相位噪声低至 - 146dBc/Hz（100MHz 偏移，9.6GHz 输出），确保时钟信号低抖动，减少相位噪声对射频信号的影响。
  • 时钟输入：支持外部参考时钟（REFCLK）与系统同步信号（SYSREF），SYSREF 频率最高 40MHz，支持多芯片同步，适配大规模多通道系统。

3. 典型应用场景

• 5G 基站 ：作为 Massive MIMO 基站的射频前端，处理多通道 5G NR 信号（如 20MHz LTE、100MHz NR），支持 Sub-6GHz 与毫米波频段，满足高带宽、低延迟的通信需求。
• 雷达系统 ：适配车载雷达、航空航天雷达，处理 600MHz-9.6GHz 雷达信号，高动态范围特性确保目标检测精度，多通道支持波束成形。
• 卫星通信 ：支持卫星通信 L/S/C/Ku 频段信号处理，低噪声与高杂散抑制比保障卫星微弱信号的精准接收与发射。

二、关键性能参数

1. 核心电气性能（典型值，TA ​ =25**∘**C， nominal 供电）

性能类别	参数	规格（典型值）	单位
TX（发射端）	DAC 分辨率	14 位	bit
	DAC 最高采样率	12 GSPS	GSPS
	输出功率（850MHz）	4.6 dBm（-0.5dBFS 输入）	dBm
	三阶互调失真（IMD3）	-88 dBc（850MHz，-13dBFS 双音）	dBc
	杂散抑制比（SFDR）	79.4 dBc（1.8GHz）	dBc
	DSA 衰减范围	0-40 dB（步进 1dB）	dB
RX（接收端）	ADC 分辨率	16 位	bit
	ADC 最高采样率	2.94912 GSPS	GSPS
	噪声谱密度（NSD）	-156 dBFS/Hz（800MHz，DSA=4dB）	dBFS/Hz
	噪声系数（NF）	19 dB（830MHz，DSA=3dB）	dB
	三阶互调失真（IMD3）	-90 dBc（800MHz，-7dBFS 双音）	dBc
	输入电压范围	0-VDD/3（需外部衰减器扩展）	V
PLL / 时钟	VCO 频率范围	9.7-12.08 GHz	GHz
	闭环相位噪声	-146 dBc/Hz（9.6GHz，100MHz 偏移）	dBc/Hz
	参考时钟范围	491.52 MHz（典型）	MHz

三、核心功能架构

1. 发射（TX）模块

（1）DAC 与信号调理

• DAC 核心特性 ：
  • 14 位分辨率，支持 1.5×-4× 增益配置，输出电压范围 0-4.84V（1.21V 内部参考 ×4× 增益），适配不同射频功率放大器（PA）驱动需求。
  • 交织模式与混合模式：1st Nyquist（交织模式）支持 600MHz-6GHz，2nd Nyquist（混合模式）支持 6-12GHz，通过多 DAC 交织提升有效采样率，扩展频率覆盖。
• 数字上变频（DUC） ：
  • 集成数字上变频器，支持基带信号到射频频段的直接变频，减少外部混频器需求，降低系统复杂度。
  • 支持插值滤波（最高 24× 插值），将基带低采样率信号提升至射频高采样率，适配宽频段信号输出。
• DSA 与功率控制 ：
  • 40dB 范围数字步进衰减器，1dB 步进，校准后衰减精度 ±0.1dB，实时调整发射功率，适配不同链路损耗（如基站与终端距离变化）。
  • 输出功率平坦度：600MHz 带宽内 ±1.2dB，确保全带宽内信号功率稳定，避免频段间功率波动。

（2）射频输出与线性度

• 输出阻抗匹配 ：默认 50Ω 输出阻抗，支持外部匹配网络优化，适配不同射频负载（如功率放大器输入阻抗）。
• 线性度优化 ：通过内置预失真电路（PD）减少三阶互调失真（IMD3），在 - 13dBFS 输入时 IMD3 低至 - 88dBc（850MHz），满足 5G NR 对信号线性度的严苛要求。

2. 接收（RX）模块

（1）ADC 与信号采集

• ADC 核心特性 ：
  • 16 位分辨率，最高 2.94912GSPS 采样率，支持 4 次平均模式，数据率 1406-2008SPS，平衡采样率与噪声性能。
  • 参考选择：支持内部 1.21V 参考（温度漂移 60ppm/°C）、外部 1.7V-VDD 参考或电源（VDD）参考，适配不同精度需求。
• 数字下变频（DDC） ：
  • 集成数字下变频器，支持 6×-24× 抽取滤波，将射频高采样率信号降至基带低采样率，减少后端数字信号处理器（DSP）负载。
  • 支持多频段信号同时采集，适配多标准射频系统（如同时处理 LTE 与 5G NR 信号）。
• 低噪声放大与衰减 ：
  • 前置低噪声放大器（LNA）：噪声系数（NF）最小 19dB（830MHz），减少信号采集噪声，提升微弱信号检测能力。
  • DSA 衰减控制：25dB 范围 DSA，0.5dB 步进，适配不同输入信号强度，避免强信号饱和（如近距离射频信号）。

（2）线性化与动态范围

• 非线性校正 ：通过 3 组（x,y）坐标配置对 NTC 热敏电阻非线性曲线分段线性化，同时支持 ADC 输入信号线性化处理，提升宽温度范围与宽信号幅度下的采集精度。
• 高动态范围 ：SFDR 最高 100dBFS（800MHz，-3dBFS 输入），有效抑制杂散信号干扰，适配强干扰环境（如多用户同时通信的 5G 基站）。

3. 时钟与 PLL 模块

（1）PLL/VCO 时钟生成

• VCO 频率范围 ：集成多组 VCO，覆盖 9.7-12.08GHz，支持分频系数 2/3/4/6，适配不同射频频段时钟需求（如 6GHz 以下分频至 1GHz 时钟，6GHz 以上直接使用高频时钟）。
• 相位噪声优化 ：闭环相位噪声低至 - 146dBc/Hz（9.6GHz，100MHz 偏移），通过环路滤波器优化，减少时钟噪声对射频信号的影响（如避免相位噪声导致的通信误码率上升）。

（2）时钟同步与分发

• SYSREF 同步 ：支持最高 40MHz SYSREF 信号，实现多片 AFE7953 时钟同步，适配大规模多通道系统（如 5G Massive MIMO 基站的多 AFE 级联）。
• 时钟输入输出 ：支持外部参考时钟（REFCLK）输入（491.52MHz 典型），并可通过 CLKOUT 引脚分发时钟至其他芯片，简化系统时钟架构。

4. 数字接口与控制

• JESD204B/C 接口 ：
  • 支持 JESD204B/C 高速串行接口，最高 24.33Gbps 速率，实现 ADC/DAC 与后端 FPGA/DSP 的高速数据传输，减少并行数据线数量，降低 PCB 复杂度。
  • 支持 8b/10b 编码与扰码，提升数据传输可靠性，适配长距离高速信号传输（如基站中 AFE 与 FPGA 的板间连接）。
• SPI 配置接口 ：
  • 支持 SPI 接口配置寄存器，实现 DAC/ADC 增益、DSA 衰减、PLL 频率等参数的灵活配置，适配系统调试与动态参数调整。

四、应用设计要点

1. 电源与布局设计

• 供电配置 ：
  • 去耦电容：各供电引脚（如 DVDD0P9、VDD1P2RX、VDD1P8TX）需外接 0.1μF 陶瓷电容（靠近引脚）与 1.5μF 钽电容，降低电源噪声耦合；不同供电域需独立布线，避免串扰。
  • 电源时序：外部参考电压（如 VREF）需滞后 VDD 上电，避免反向电压损坏器件；建议使用电源管理芯片（PMIC）实现多组供电的时序控制。
• 布局规范 ：
  • 分区布局：射频部分（RX/TX 引脚）、模拟部分（ADC/DAC）、数字部分（JESD204C/SPI）需分区布局，减少数字噪声对射频 / 模拟信号的干扰；射频引脚需短路径、低寄生电感设计，避免信号衰减。
  • 接地设计：模拟地（AGND）与数字地单点连接，FC-BGA 散热焊盘需焊接至 PCB 地平面（建议≥20mm×20mm 铜皮），优化散热（结到板热阻 4.85°C/W）；射频通道需单独接地，减少地弹噪声。
  • 阻抗匹配：射频输入输出引脚需匹配 50Ω 阻抗，通过微带线阻抗计算（如 PCB 介电常数 4.4，线宽 1.2mm 对应 50Ω）确保阻抗连续，避免信号反射。

2. 典型应用：5G NR 基站 2T2R FDD 系统

以 AFE7953 实现 5G NR 基站 2T2R（2 发 2 收）频分双工（FDD）系统为例，设计步骤如下：

1. 硬件连接 ：

• 发射链路：2 路 TX 通道（1TX、3TX）输出连接功率放大器（PA），PA 输出接基站天线；TX 通道 FB0 引脚与 OUT0 短接形成闭环，避免开环饱和。
• 接收链路：2 路 RX 通道（1RX、3RX）输入连接低噪声放大器（LNA），LNA 输入接基站天线；AIN0 引脚通过衰减器（R1=100kΩ、R2=3.6kΩ）采集射频信号，适配 ADC 输入范围（0-VDD/3）。
• 时钟与同步：REFCLK 引脚输入 491.52MHz 参考时钟，SYSREF 引脚输入 10MHz 同步信号，实现多片 AFE 同步；JESD204C 接口连接 FPGA，传输 ADC/DAC 数据。

2. 参数配置 ：

• 发射参数：DAC 采样率 12GSPS，通过 DUC 实现 24× 插值，将 491.52MSPS 基带信号上变频至 3.5GHz（5G NR 频段）；DSA 衰减设置 10dB，输出功率控制为 2dBm，适配 PA 输入需求。
• 接收参数：ADC 采样率 2.94912GSPS，通过 DDC 实现 6× 抽取，将射频信号下变频至 491.52MSPS 基带信号；DSA 衰减设置 4dB，噪声系数优化至 20dB，提升微弱信号接收能力。
• PLL 配置：VCO 频率设置为 11.79648GHz，分频系数 4，生成 2.94912GHz ADC 时钟；闭环相位噪声优化至 - 140dBc/Hz（1MHz 偏移），确保时钟稳定性。

3. 性能验证 ：

• 发射端：3.5GHz 100MHz 5G NR 信号，IMD3≤-65dBc，ACPR（邻道功率比）≤-50dBc，满足 3GPP 规范；
• 接收端：3.5GHz -90dBm 输入信号，SNR≥60dB，SFDR≥80dBc，确保信号精准采集。