软件定义的直接射频同步采样多频段/多业务收发器

传统的射频收发器采用的是外差式结构（图1）。发射（Tx）或接收（Rx）的模拟射频（RF）信号通过带有本地振荡器（LO）的混频器（Tx为上变频，Rx为下变频）由DAC（数模转换器）输出或由ADC（模数转换器）进行数字化。Tx和Rx信号并不直接到RF，它们被称为中频（IF）信号。中频信号（Tx或Rx）是RF和LO信号的和或差（RF=IF+LO或IF=RF-LO）。

外差结构一般是为单一频段和单一业务设计的。外差结构的优点是成本低、方案成熟、有丰富的窄带组件可选并支持硬件可切换的重新配置。缺点是受硬件限制，只支持单频段（窄）和单业务，并且只能用于顺序采样/操作。

另一类微波RF收发器使用零差直接RF结构（图1）。5直接RF无需混频（或上/下变频），它直接在所需的合适RF频段中处理Tx和Rx信号。直接RF可用天线与DAC/Tx或ADC/Rx之间的一条线表示。

图2显示了硬件和软件的进步所带来的从外差式到零差式收发器的发展。随着技术的发展，硬件的处理带宽越来越大，加上软件的发展，收发器的模拟硬件越来越少，最后收发器变为软件定义的无线电。

Teledyne e2v现在可提供一种直接RF同步采样多频段/多业务收发器方案，用于高达Ka频段的转换。1这种单链收发器可以同时（而不是按顺序）在L到Ka频段转换，可用于多业务操作。这种直接RF转换方法要求Tx/Rx模块尽可能地靠近天线，并需要相关的数字频率转换、波束转向、调制和解调功能的电路。

这个方案无需上/下变频，可实现最佳的噪声和频率特性。由于无需合路器/分路器，插损也减少了。对于频率规划，一旦硬件实现固定（如数据转换器和滤波器），系统中唯一的设计变量（除软件重新配置外）是采样时钟频率。这是一个使用AI技术的完全由软件定义的系统，支持连续动态软件重配置。

收发器的应用和实现

微波收发器在同一模块中包括Tx和Rx功能。收发器可以在半双工或全双工模式下工作。半双工意味着Tx和Rx功能必须在时间上交替进行，而全双工允许系统同时发送和接收数据。

图3显示了在不同RF频段工作的各种卫星应用。3传统的收发器是针对特定应用和特定RF频段设计的独立系统。这导致需对每个频段和每项业务进行投资（对于图3，这可能需要19个单独的投资和开发/部署）。为了最大限度地发挥功能（多频段和多业务）并最大限度地降低开发成本，可使用可切换的收发器通道依次切换模拟和数字通道功能，但切换时有延迟。

当今的直接RF收发器是为每个业务的多频段性能设计的（图4）。不幸的是，取决于可用的ADC和DAC，多频段操作可能会受到限制，如L和C或X和Ku频段。多业务操作是否能完全实现，一般取决于数字调制器/解调器的处理和计算速度。数字数据路由也可能是一个重要的限制因素。

这种新的直接RF同步采样多频段/多业务收发器可同时管理多种业务的波形，如图4所示。它同时（而不是按顺序）处理多个频段（L到Ka频段）以及多种业务。这是通过使用混合信号系统级封装（MiXiP SiP）技术，将Teledyne e2v的Ka频段ADC和DAC与AMD Xilinx的先进的7纳米FPGA（现场可编程门阵列）XQRVC1902数字引擎封装在一起而实现的。

一个多频段/多业务的微波收发器，除了需要超高性能的元器件外，还需要尖端的封装和互连技术，以最小化模拟和数字干扰的方式来划分系统。2图5展示了几种收发器的分区技术：1）普通的多芯片模块，其数据集中在FPGA周围，最大限度地减少了数字路由；2）SoC（片上系统）；3）用数字光纤互连的SiP，将ADC和DAC放在天线附近，同时将数字功能与模拟隔开。

技术1已经使用了几十年，但需要对ADC和DAC的模拟信号进行复杂的路由。随着系统频率的提高，模拟信号的路由会变成一个大问题。

技术2使用SoC，这需要使用单片工艺技术，并且器件的几何形状必须满足收发器所需的微波模拟和数字功能的需求。这项方案难度很大，成本很高，并且需要相当长的开发时间。

技术3结合了技术1和2的优点，但需要光学数据链路驱动能力，Teledyne e2v不提供这种技术。它特别适合使用连接到独立天线的独立发射器和接收器。

直接RF同步采样多频段/多业务收发器的架构

图6是软件定义的直接RF同步采样收发器的框图，该收发器封装在一个封闭的收发天线模块（TAM）中，直接连接到L到Ka频段的天线。TAM的核心是Tx/Rx MiXiP SiP，它包含Teledyne e2v的EV12DD700（DAC）、两个EV10AS940（ADC）和AMD Xilinx的XQRVC1902 7nm FPGA数字引擎。TAM还包括辅助元器件，如低通滤波器（LPF）、带通滤波器/多带通（n）滤波器（BPFn）、低噪声放大器（LNA）、高功率放大器（HPA）和环行器。1,2,5

TAM的封装和分区取决于所需的业务频段、功率传输水平、物理尺寸和每个辅助部件的热要求。例如，将MiXiP SiP、LNA、LPF和BPFn放在一块PCB上，直接与HPA和环行器相连，再依次与天线相连，这可能是最佳的方案。

这种TAM使用L到Ka频段的MiXiP SiP核心，优点是系统不再受硬件限制。由于MiXiP SiP的DAC、ADC和FPGA能够工作到Ka频段，而且系统被包含在一个SiP封装中，开发人员只需从大量可选的辅助器件中选择满足系统性能要求的器件即可。

一旦选定了辅助器件，TAM就变成了完全由软件定义的（动态软件重配置）系统，具有同步采样、切换和无缝连接的功能。一旦确定了TAM的硬件实现方案，系统中唯一的设计变量（除了软件重新配置）是采样时钟频率。TAM的同步采样多频段和多业务操作能力为用户提供了更大的系统级灵活性，并支持独立的本地/地面/空间EM基础设施和自动切换。这也使其他功能得以实现，如系统监控、加密操作和避免天线阻塞。3

发射器DAC

EV12DD700是一款支持Ka频段的耐辐射、双电流舵12位DAC，其采样率高达12GSps。它可以合成频率超过21GHz的信号，而不需要上变频（图7）。它还嵌入了数字功能，如插值、数字上变频、直接数字合成、啁啾、波束赋形、波束跳动和超快速跳频。1,2,8

sinc(x)=sin(x)/x的DAC输出响应可以通过反正弦函数（A-SINC）进行补偿。除了经典的非归零输出模式（NRZ）外，DAC核心还支持嵌入式RF模式和2RF模式，并要求时钟的速度是其他模式的两倍。这些输出模式使DAC能够直接合成超过21GHz的频率，而不需要外部上变频器，从而支持Ka频段的操作。

图8展示了同时使用L和C频段（DAC通道A（NRZ模式））以及X和Ku频段（DAC通道B（RF模式））输出信号时器件的频谱输出。

接收器ADC

EV10AS940是一款10位Ka频段单通道ADC，采样率高达12.8GSps。它具有数字下变频（DDC）和跳频（FH）功能，并通过集成多个数字控制振荡器实现了多个数字通道，并包含其他的广泛的数字功能（图9）。

它的高模拟输入带宽（35 GHz）使其成为Ka频段直接RF架构的最佳选择，且无需使用任何集成的专用混频器。它的功耗只有2.5W。它还包含11条ESIstream串行链路，这些链路与采样时钟同步运行，以实现确定性的数据传输。

DDC功能支持多种抽取率，最多有四个独立的NCO，以支持多频段操作中的跳频。由于每个NCO上有多个相位累加器，专用跳变触发I/O也是确定的，因此可实现相干的跳频。数字整数和小数延迟可实现相控阵应用中的波束赋形。

其他功能包括背景和温度校准、温度监测、具有2至1024的抽取率的DDC、4个DDC通道、专用的FH I/O、具有归零功能的确定性FH、连续和相干模式、ESIstream 62/64b、高速串行链路（HSSL）到达选择和HSSL阻抗控制（2×50Ω±20%）。

表1是无杂散动态范围（SFDR），表2是噪声功率比（NPR），这些参数有助于评估ADC的多频段/多频率的性能。

Tx/Rx MiXiP SiP

图10展示了TAM的Tx/Rx MiXiP SiP核心，其中包含EV12DD700、2个EV10AS940和XQRVC1902。完整的MiXiP SiP收发器具有63×50毫米的紧凑外形尺寸，SiP球矩阵为52×47毫米。SiP（基板专利申请中）使用已知可靠性的耐辐射DAC和ADC进行预构建。

ADC也有单端输入，这对于选择LNA驱动器非常有帮助，并且无需使用任何变压器/巴伦。MiXiP将XQRVC1902放置在DAC和ADC旁边，从而最大限度地减少数字路由，降低干扰。

AMD Xilinx VC1902（7纳米）基于Versal的AI内核和自适应计算加速平台（ACAP）AI推理引擎。VersalAI内核提供突破性的AI推理，其性能比服务器级CPU高出100倍以上。

Versal ACAP是一个综合的SoC，它将CPU、DSP、I/O和RAM控制与可编程的硬件逻辑结合在一起。XQRVC1902使Tx/Rx MiXiP SiP支持动态频率规划，具有软件可控性、灵活性，并支持多频段、多业务和跨频段（在多个频段接收，同时在其他频段发射）的功能。

TAM辅助部件

为了使软件定义的直接RF同步采样多频段/多业务收发器可在L到Ka频段运行，每个系统组件都是关键的因素。除了使用具有Ka频段能力的Tx/Rx MiXiP外，还必须从同步采样多频段性能的角度评估和理解其他每个系统组件。6,7

例如，6个同步的Tx/Rx RF频段/频率将由天线、HPA、LNA、滤波器和环行器处理。传统上，这些组件是通过变化的单频和/或双频测试来评估的。然而，现在需要的是对每个组件进行多频段性能评估的方法。

这就是NPR测试的有用之处。NPR测试通常反映了一个多频段系统中的一个特定频段的“安静性”。其他频段的噪声和互调失真结果会落入一个特定的频段。因此，NPR测试有助于评估辅助部件的多频段/多频性能。选择TAM辅助部件的一些考虑因素是：

天线和工作频率/极化

如果所有的Tx和Rx信号都在同一平面，则使用线性极化天线；如果不是，则使用圆形极化天线。宽带（圆形极化）天线一般由国防/卫星通信供应商和少数商业供应商提供。

宽带天线设计需要在天线增益、天线尺寸、多波束能力、波束赋形/整形和转向性之间进行权衡。请注意，Ka频段的带宽比低频段大4倍，因此使用多个聚焦点波束进行频率重用操作，可以在同一频率上同时进行不同信号的Tx/Rx。4

Ka频段容易受到恶劣天气的影响，因此需要交替或附加频段来实现无缝操作。它有更多的轨道槽（orbital slot），可以较小的可转向波束实现高容量/密度。Ka频段的灵活性很高，可在较小的终端上使用较高的数据率，并采用了比其他频段更小的天线尺寸（大约1/4的大小）。

HPA

HPA将低功率的RF信号（来自DAC）转换为驱动发射天线的高功率信号。要求的指标包括增益、功率输出、输出驱动配置（如A类、AB类）、带宽、效率、线性度（额定输出时的低信号压缩）、输入/输出阻抗匹配和散热。每个HPA组件都必须从多频段同步采样性能的角度进行评估和理解（如前所述）。

LNA

LNA转换和放大来自天线的功率非常低的RF信号，不显著降低信噪比，并驱动接收器ADC。RFLNA必须噪声低、增益高并有足够大的互调压缩点（IP3和P1db）。RFLNA必须有功率限制器的保护，以便从双工切换期间（从Tx到Rx的转换）可能出现的大输入信号瞬态中恢复。

环行器/开关（双工器）

RF双工器通过单一路径实现双向信号传输（将接收器与发射器隔离，允许它们共享同一天线）。RF环行器实现了全双工收发器的操作（在不同的频率上用单一的共享天线同时进行发射和接收）。端口通过波导传输线以及微带线或同轴电缆连接。

波导/滤波器

波导是用作发射器和接收器与天线的传输线的空心金属管。波导结构的几何形状也可以作为一个滤波器，决定哪些频率可以通过，哪些频率被滤除。

时钟发生器

时钟发生器是一个电子振荡器，产生用于同步系统级操作的时钟信号。时钟发生器必须是可编程的，并为分布在整个系统中的多个时钟提供足够的驱动。

光学数字线束

一个可选的光学数字线束也可能是有用的。它将系统的互连进行了电气隔离，并使天线进一步数字化并减轻重量。

测量的性能

图11和12展示了EV12DD700 DAC的SFDR和相位噪声性能。

图13和14展示了EV10AS940 ADC的SFDR和未校准/校准的性能。

总结

微波RF收发器开发商在坚持SWaP-C约束的同时，面临着同步采样、多频段和多业务系统的设计挑战。此外，下一代ADC、DAC和FPGA的不断发布促进了硬件设计的发展和新设计的诞生。

现在，Tx和Rx数据转换器件可支持L到Ka频段，先进的SiP组装技术可将它们和FPGA集成在一个封装里。这些技术的发展使Teledyne e2v的Tx/Rx MiXiP SiP能够为微波RF收发器系统提供软件定义的灵活性和多频段/多业务能力。MixSiP SiP通过软件定义的直接RF同步采样多频段/多业务收发器，为TAM提供了最高的性能（高达Ka频段）和价值。

文章来源：actMWJC

审核编辑：汤梓红