如何實(shí)現(xiàn)更“Mini”的相控陣?yán)走_(dá)平臺(tái)?集成式收發(fā)器了解一下
發(fā)布時(shí)間:2019-08-20 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)利用多個(gè)發(fā)射和接收通道來實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。以前,這些平臺(tái)在構(gòu)造時(shí)都使用分立的發(fā)射和接收集成電路(IC)。
相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)利用多個(gè)發(fā)射和接收通道來實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。以前,這些平臺(tái)在構(gòu)造時(shí)都使用分立的發(fā)射和接收集成電路(IC)。這些系統(tǒng)在發(fā)射(Tx)電路的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和接收(Rx)電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中分別使用分立的芯片。這種分立方案使得許多系統(tǒng)尺寸龐大、成本高昂且功耗高,如此才能獲得所需的通道數(shù)量,進(jìn)而發(fā)揮所需的功能。由于制造和校準(zhǔn)過程復(fù)雜,這些系統(tǒng)通常也需要很長(zhǎng)時(shí)間才能上市。
最近出現(xiàn)一種利用集成收發(fā)器的方法,它將許多曾經(jīng)被認(rèn)為完全不同的功能融合到單個(gè)IC之中。這些IC助力實(shí)現(xiàn)了小尺寸、低功耗和低成本、具有高通道數(shù)量的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng),且上市時(shí)間更短。
集成式收發(fā)器
集成式收發(fā)器(例如圖1所示的收發(fā)器)將多種功能集成到單個(gè)IC上。例如,新型收發(fā)器將DAC、ADC、本振(LO)頻率合成器、微處理器、混頻器,以及更多功能集成到12 mm × 12 mm 單芯片產(chǎn)品中。此外,該產(chǎn)品還集成了兩個(gè)接收通道和兩個(gè)發(fā)射通道,以及多個(gè)數(shù)字信號(hào)處理(DSP)組件,以獲得系統(tǒng)所需的瞬時(shí)帶寬。還提供一個(gè)應(yīng)用程序接口(API),用于在客戶的軟件平臺(tái)上操作收發(fā)器??梢岳闷瑑?nèi)前端網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)增益和衰減控制。內(nèi)置的初始化和跟蹤校準(zhǔn)例程用于提供許多通信和軍事應(yīng)用所需的性能。
圖1. ADRV9009是將多種功能集成到單個(gè)IC中的集成式收發(fā)器示例。
這些集成式收發(fā)器能夠通過注入一個(gè)稱為REF_CLK的參考時(shí)鐘信號(hào)來創(chuàng)建發(fā)射器和接收器所需的所有時(shí)鐘信號(hào)。然后,由片內(nèi)鎖相環(huán)(PLL)合成DAC/ADC采樣、LO生成和微處理器時(shí)鐘所需的所有時(shí)鐘。如果內(nèi)部LO相位噪聲不足以滿足客戶的應(yīng)用需求,用戶可以選擇從外部注入低相位噪聲的LO。
來自收發(fā)器的數(shù)據(jù)經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)化的JESD204b高速串行數(shù)據(jù)接口進(jìn)行傳輸。這個(gè)接口支持同時(shí)接收和發(fā)送大量數(shù)據(jù)。新集成式收發(fā)器解決方案可以幫助提供接口IP,幫助客戶加快上市時(shí)間。如果需要確定性延遲和數(shù)據(jù)同步,用戶可以利用內(nèi)置的多芯片同步(MCS)特性,并發(fā)出SYS_REF信號(hào)作為初始通道對(duì)齊序列(ILAS)的主時(shí)序基準(zhǔn)。
此外,可以利用內(nèi)置的RFPLL相位同步特性,將發(fā)射或接收通道的LO相位設(shè)置為相對(duì)于主參考相位具備確定性。通過利用 MCS和RFPLL相位同步特性,可以在初始化部件、頻率調(diào)諧,或者打開/關(guān)閉收發(fā)通道時(shí)確保相位對(duì)齊。圖2顯示了一個(gè)新型集成式收發(fā)器示例,該收發(fā)器提供確定性相位,且支持所有這些特性。
圖2. 內(nèi)置RFPLL相位同步特性讓系統(tǒng)與主參考源之間呈確定性相位關(guān)系。
使用多個(gè)集成式收發(fā)器
如果系統(tǒng)需要兩個(gè)以上接收器和兩個(gè)發(fā)射器,用戶仍然能使用多個(gè)集成式收發(fā)器,從因?yàn)閱涡酒邮蘸桶l(fā)射通道實(shí)現(xiàn)的小尺寸中獲益。該技術(shù)的示例如圖3所示。可以通過使用并發(fā)型SYS_REF脈沖來同時(shí)觸發(fā)所有IC的內(nèi)部分頻器,從而同步多個(gè)集成式收發(fā)器。這些SYS_REF脈沖可由時(shí)鐘芯片或基帶處理器發(fā)出,附帶可編程延遲,該延遲可以補(bǔ)償各用于補(bǔ)償各 IC 之間由于路徑長(zhǎng)度不匹配引入的延時(shí)波動(dòng)。從而使跨多個(gè)芯片的數(shù)據(jù)路徑和多個(gè)LO都可以得到確定性時(shí)延。
圖3. 可使用多個(gè)集成式收發(fā)器來增加系統(tǒng)的通道數(shù)量。
集成式收發(fā)器是支撐相控陣?yán)走_(dá)平臺(tái)的中堅(jiān)力量
通過使用同步集成式收發(fā)器來增加通道數(shù)量,讓這些器件成為支撐相控陣?yán)走_(dá)平臺(tái)的中堅(jiān)力量。結(jié)合相位和幅度對(duì)齊的發(fā)射和接收通道時(shí),使用多個(gè)集成式收發(fā)器已展示出系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍、雜散和相位噪聲改善。
片內(nèi)DSP特性,例如數(shù)控振蕩器(NCO)和數(shù)字上變頻器,或者數(shù)字下變頻器(DDC),現(xiàn)在支持在單個(gè)IC內(nèi)采用系統(tǒng)級(jí)雜散去相關(guān)方法。
通過使用多個(gè)集成式收發(fā)器來組合收發(fā)器通道,已展示出系統(tǒng)級(jí)噪聲譜密度(NSD)和雜散性能的改善。此舉通過降低系統(tǒng)的有效本底噪聲,同時(shí)維持通道的全部功能來改善相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。圖4顯示了在集成多達(dá)8個(gè)集成式收發(fā)器接收通道,有效增加相控陣系統(tǒng)中的位數(shù)之后,得出的系統(tǒng)級(jí)測(cè)量結(jié)果。注意,從一個(gè)通道增加到八個(gè)通道時(shí),NSD和計(jì)算得出的本底噪聲(在各圖中用紅線表示)將增加6 dB。這是因?yàn)?,雖然總共有8個(gè)通道,但是在用于創(chuàng)建這8個(gè)通道的4個(gè)集成式收發(fā)器中,只存在4個(gè)不同且不相關(guān)的LO(也就是說,NLO=4) 因此實(shí)現(xiàn)了如下改善
得出的結(jié)果與集成式收發(fā)器提供的實(shí)驗(yàn)性結(jié)果相近。此外,多余的成像頻率以不相關(guān)的方式聚合匯總,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)雜散性能改善。隨著通道數(shù)量增加,性能會(huì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步改善,從而實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的系統(tǒng)。
圖4. 使用ADRV9009集成式收發(fā)器來集成接收通道可以降低噪聲譜密度,并改善動(dòng)態(tài)范圍。
此外,在對(duì)齊相位和集成多個(gè)集成式收發(fā)器通道之后,相控陣系統(tǒng)的相位噪聲可以得到改善。從圖5最上方的三條曲線顯示的測(cè)量結(jié)果可以看出,在利用4個(gè)集成式收發(fā)器IC的內(nèi)部LO 組合8個(gè)通道之后,相位噪聲性能得到了改善。再重復(fù)一遍,存在4個(gè)不同且不相關(guān)的LO(也就是說,NLO = 4)時(shí),當(dāng)從1個(gè)發(fā)射通道增加為8個(gè)發(fā)射通道時(shí),相位噪聲會(huì)增加6 dB。增加通道數(shù)量可以進(jìn)一步增加相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的相位噪聲。或者,可以將外部LO注入到由N個(gè)集成式收發(fā)器構(gòu)成的每個(gè)子陣列中,并從子陣列層級(jí)改善初始相位噪聲(如圖5中的藍(lán)色曲線所示)。
但是,如此一來,該子陣列中的各元件因?yàn)槎脊灿猛粋€(gè)LO源,就會(huì)互相關(guān)聯(lián),所以無法自行在子陣列中提供通道聚合改善。對(duì)于圖5所示的外部LO相位噪聲數(shù)據(jù),其中使用了一個(gè)Rohde & Schwarz SMA100B信號(hào)發(fā)生器作為外部LO源。
圖5. 使用內(nèi)部LO時(shí),集成多個(gè)ADRV9009的發(fā)射通道可以改善系統(tǒng)級(jí)相位噪聲性能。注入外部LO會(huì)改善子陣列的初始相位噪聲。
集成的DSP特性(例如NCO、數(shù)字移相器和DUC/DDC)允許在數(shù)字域內(nèi)實(shí)施基帶相移和頻率位移,進(jìn)而允許在基于多通道、集成式收發(fā)器的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中實(shí)施數(shù)字波束成型。將多個(gè)功能集成到單個(gè)IC上之后,系統(tǒng)現(xiàn)在能夠在許多相關(guān)的相控陣應(yīng)用中,利用集成式收發(fā)器實(shí)現(xiàn)天線點(diǎn)陣間隔。利用更多收發(fā)器來增加通道數(shù)量一般可以讓波束變窄,但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)變大。但是,現(xiàn)在將多個(gè)功能集成到單個(gè)IC之后,系統(tǒng)變大的比例還是要小于過去。使用MATLAB®模擬輻射圖之后,圖6顯示通道數(shù)量從23增加到 N = 210 時(shí),波束如何變窄,理論波瓣幅度如何變深。實(shí)際的功率零點(diǎn)將在天線設(shè)計(jì)中決定。
圖6. DSP特性現(xiàn)在可以利用片內(nèi)NCO和DDC/DUC實(shí)現(xiàn)數(shù)字相移。增加通道數(shù)量,優(yōu)化相移會(huì)使集成式收發(fā)器形成寬度變窄的波束。
結(jié)論
在單個(gè)IC中集成多個(gè)數(shù)字和模擬功能可以實(shí)現(xiàn)更小型的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)支持實(shí)施數(shù)字波束成型和混合波束成型,具體取決于系統(tǒng)規(guī)格。已經(jīng)證明使用ADI提供的 ADRV9009 可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)性能改善。這些集成式器件讓許多新系統(tǒng)能夠使用相同的硬件來運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用。
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