电子产品世界

简介

过去几十年来，无线系统通道数和带宽一直稳步增长。对数据速率和系统整体性能的要求成为这些现代电信、雷达和仪器仪表系统发展的驱动因素。但与此同时，这些要求也加大了电源封装和系统的复杂度，使功率密度和组件级别的功能变得更为重要。

为打破其中的一些限制，半导体行业将更多的通道整合到同一个硅封装中，借此降低每个通道的功率要求。此外，半导体公司还将更复杂的功能整合到数字前端，简化了过去在专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)结构中才能实现的片外硬件设计。这些功能既包括滤波器、下变频器或数控振荡器(NCO)等通用组件，也有更复杂的特定应用操作。

信号调节和校准问题仅在开发多通道系统时才变得较复杂。这种架构可能需要每个通道有独立的滤波器或其它数字信号处理(DSP)模块，从而转变成对节能更为重要的强化型DSP。

本文介绍了使用16通道发射和16通道接收子阵列的实验结果，其中所有发射和接收通道都使用数字转换器集成电路(IC)中的强化型DSP模块来校准。与其它架构相比，这个多通道系统在尺寸、重量和功率上都更有优势。对比该系统的FPGA资源利用率后可发现，强化型DSP模块为多通道平台的设计人员解决了重大挑战。

数字信号处理模块

真实信号，无论是用来合成还是接收，都需要一定程度的分析或处理，才能共同满足任何应用所需的性能。信号链幅度衰减或平坦度的常见补偿办法是借助补偿滤波器。图1是增益和平坦度补偿滤波器的示例，设计用于校正给定频段内的缺陷，从而为下游应用创建更理想的响应。

图1 ADC的频率幅度平坦度响应可通过数字滤波来改善

对多通道系统而言，此处理必须能够独立控制每个通道，让通道彼此独立地运行。因此，该系统使用的是独立的DSP模块，可进行通道的相位和幅度对齐，还可在目标通带内获得平坦增益。由于每个通道和系统都是唯一的，DSP必须针对配置、环境和硬件组合专门调谐。

数字上/下变频器模块

本文的结论主要依赖单芯片DAC和ADC中配置的数字上变频器(DUC) DSP模块和数字下变频器(DDC) DSP模块。图2是DUC和DDC框图示例，说明了这些数据通道常用的内部结构。这些DUC和DDC模块有许多用途：

■   与数字接口的数据速率相比，内插(DUC)和抽取(DDC)转换器的采样速率。

■   转化即将合成的DAC数据(DUC)和数字化ADC数据(DDC)的频率。

■   将接口的数字数据发射导向基带处理器(BBP)。

■   为每个通道实现数字增益，产生更接近系统满量程值的码值。

■   支持注入简单的数字音调，无需数字数据链路，便能简化系统快速启动。

■   将每个通道的相位对齐通用基准。

我们往往希望卸载到转换器或从转换器卸载的数字数据速率与转换器的采样速率不同，从而降低系统功耗，提高系统的整体灵活性。因此，通常会部署数字上变频器和下变频器模块。DUC模块使来自BBP的发射波形数据能够以低于DAC采样速率的速率发射，因此也支持DAC以更高的速率合成内插波形数据（见图2顶部的内插子模块）。同样地，DDC模块使接收输入在抽取前以更高速度的ADC采样速率数字化，之后再以更低的数据速率发送到BBP（见图2底部的抽取子模块）。

此外，与通过数字接口发送到BBP或从BBP发送出的信号相比，频率转换在数字域内常用于合成或分析更高频率的模拟信号。许多系统都在DUC和DDC中采用复值NCO，目的就是为了实现这种频率转换，如图2所示。NCO可被认为是数字信号生成器，它能提供等同于本振(LO)的信号，当信号被发送到同样在DUC/DDC中的数字混频器中时，可以提高发送到DAC的发射波形频率（和DUC的情况一样），或降低从ADC发出的接收波形频率（和DDC情况一样）。当数字频率转换发生时，DDC内这些数字混频器的输出往往变成复值，使得同相位(I)和正交相位(Q)信号沿着最终连接到单独ADC采样实值数据的单一数字通道传输。同样地，到达DUC数字增益模块数字混频器的输入复值信号在输出端变成实值，然后签发到单独DAC，合成实值信号。

图2 DUC和DDC模块提供目前转换器IC中许多有用的DSP功能

此外，DUC和DDC还使用户能够在转换器的瞬时带宽内获得多个数字通道。结果就是BBP能够合成和/或分析比子阵列本身的转换器数量还要多的数据流。因此，如果两个窄通道彼此隔得很远，就需要能提供更好的信号合成或分析能力的系统。

正如图2所示，数字增益模块也经常出现在DUC和DDC中。数字增益通过向子模块中另一个数字混频器的输入提供静态数字码值来实现。利用这个功能，用户获得的码值更接近数字接口位数所提供的满量程值。同样地，只要向数字混频器的一个端口提供连续静态码值，便可注入直流偏移连续波(CW)波信号，而非基带数据。这样用户就能通过DAC将发射CW波轻松合成至模拟域，无需通过BBP建立JESD204B或JESD204C数据链路。

此外，相位偏移模块经常部署在NCO的输出，如图2所示。这些相位偏移可按照系统内的通用基线参考来校正通道间相位偏差。由于每个DUC和DDC都有自己的NCO，因此只需针对给定的NCO频率来偏移一个确定量的NCO相位，便可实现系统每个通道的相位对齐。这样一来，在使用时遇到可用的多芯片同步算法时，所有通道间的确定性相位关系可通过这些NCO相位偏移进行校正1。 图3显示了实现相位对齐（通过严格为每个接收数据通路设置所需的NCO相位偏移值）前后，16通道同时接收I/Q数据采集的实验结果。请注意，这些数字校正还校正了每个通道前端网络中的射频和微波损耗。

可编程有限脉冲响应滤波器

尽管NCO输出相位偏移模块可被用于单一频率的相位对齐，子阵列校准则经常要求对整个目标频带进行相位对齐。此外需要幅度均衡，即所有通道名义上拥有相对于通用基准通道的相同幅度，还需要幅度增益平坦化，即所有通道拥有相对于频率的恒定幅度响应。

为达到宽带相位和幅度校正，通常还部署另一种DSP模块。这种模块被称为有限脉冲响应滤波器(FIR)2。 FIR滤波器是一种数字滤波器，被大量用在DSP上，其系数决定了输入数字信号的幅度和相位响应。允许更改这些系数的系统被视为可编程FIR滤波器(pFIR)，用户可根据每个通道生成自己需要的幅度和相位响应。

运用pFIR实现通道幅度对齐和增益平坦化

图4是用于展示宽带幅度和相位对齐以及增益平坦化的系统的高级框图。该系统采用了四个数字化IC，各包含四个发射和四个接收模拟通道，或者八个发射和八个接收数字通道。当使用系统内的所有四个数字化IC时，总共可实现16个发射和16个接收模拟通道，或者32个发射和32个接收数字通道。单独的锁相环(PLL)频率合成器IC用于给每个数字化IC提供转换器采样时钟信号。此外，时钟缓冲器IC用于提供多片同步算法所需的数字参考和系统参考时钟1。 该系统起初配置在S频段，设定NCO频率，所有发射和所有接收通道的模拟信号频率都在同样的2.7GHz。所用的DAC采样速率是12 GSPS，平台会在第一奈奎斯特区合成发射通道。ADC采样速率为4 GSPS，平台会在第二奈奎斯特区采集接收通道。

图3 实验结果表明了16个接受通道的I/Q同时采集，利用数字化仪IC上的DDC模块提供的复杂NCO相位偏移严格进行相位对齐（而非幅度对齐）

图4 这个高级系统框图用于证明多通道相位和幅度均衡/平坦度

如图5所示，用连接的16发射/16接收校准板将组合通道发射信号准确地回送到每个单独的接收通道，以便同时采集所有接收通道。系统的PLL频率合成器再通过自身相位调整模块对齐，发射通道和接收通道则使用DUC和DDC各自提供的NCO相位偏移模块粗略对齐。这样一来，子系统相位大致与校准频率对齐，见图3所示曲线，但未实现任何幅度对齐。尽管本文采用了16发射/16接收校准板，用电气方法对齐系统，但还可通过系统校准反射器以无线方式获得类似的配置，这也有助于校正任何天线通道间异常。

如图4所示，96抽头pFIR滤波器位于每个ADC的输出，这样每个ADC通道的相位和幅度响应可在整个ADC采样速率的频率范围内彼此对齐。因此可将pFIR放在ADC和DDC模块之间。这样数字接口的数据速率就不同于pFIR的速率，所以需要知道系统频率转换和速率抽取的程度，以便采用pFIR进行通道幅度对齐。由于本文在每个ADC的输入端采集实际数据，pFIR输入为实值。此外，系统设计是可配置的，这样每个ADC对的一个pFIR模块就是已部署的解决方案，如图4中的双重实际模块所示。这也允许在两个独立的ADC中使用I/Q复杂输入，从而支持系统对齐。

为实现系统内通道的幅度对齐和幅度平坦化，将宽带扫频波形载入每个发射通道，使得系统的I/Q带宽中包含所有频率。这样用户就能确定系统数据速率内所有频率的频率误差响应。然后，在抽取的I/Q数据速率下获得基线数据采集。本文的结论使用的是4 GSPS的ADC采样速率和250 MSPS的I/Q数据速率。这样每个发射NCO频率设置为2.7 GHz，每个接收NCO频率设置为1.3 GHz，原因是频率从第二奈奎斯特区折叠到第一奈奎斯特区。基线数据利用MATLAB®系统接口采集，针对增益平坦化Rx0计算每个通道的幅度和相位误差响应，这样所有接收通道收到的最大值就是整个I/Q频段的理想接收输入。图6显示了系统内16个接收通道中四个通道的相位和幅度误差响应。注意图6左侧，NCO相位偏移主要校正每个接收通道的相位误差，但正如图6右侧所示，系统中的幅度误差仍在。剩余的12个接收通道也有同样的误差响应。另外应注意，不仅接收幅度不同于Rx0，如果不使用其它校准技术，幅度平坦度也很差。这些异常是在ADC前端网络中使用模拟滤波器时故意引入的，以便证明幅度平坦度和均衡。

图5 测试设置了输出发射（红色）信号，然后利用连接的16发射/16接收校准板组合所有发射信号。再将组合后的信号进行均匀拆分，并回送到每个接收（橙色）通道。16发射/16接收校准板位于图片顶部，与本文使用的独立Quad-MxFE™平台对接。PLL/频率合成器信号（绿色）经过调整后可校正平台上故意引入的热损害

图6 每个通道相对于增益平坦Rx0的相位/幅度误差响应有助于确定pFIR滤波器设计

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