AD9371软件无线电硬件平台设计与实现

杨新宇

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

软件无线电(Software Defined Radio，SDR)是一个巨大的新兴领域，需要设计诸多种技术，如天线、RF、IF和数字基带子系统。在所有这些技术中，在模拟域和数字域之间转换信号的数据转换器是非常关键的。另一方面，基于现场可编程门阵列(FPGAs)的平台由于其可编程性和可重构性而成为评估和实现数字通信概念的首选平台。因此，它们非常适合于SDR技术的设计。

本文设计的软件无线电平台由以AD9371为核心的射频板和以FPGA为核心的基带板组成，两板通过FMC接口相连。射频板主要功能是进行D/A转换、滤波、混频和功率放大等信号处理，基带板主要进行基带信号处理，包括信号的调制及解调，电路控制等功能[1-2]。

1 AD9371的软件无线电技术简介

AD9371是一款宽带射频收发器，提供双通道发射器和接收器、集成合成器和数字信号处理功能。该器件系列提供3G/4G微基站和宏基站设备在频分双工和时分双工应用中所需的高性能和低功耗的多功能组合。AD9371的工作频率为300MHz至6GHz，涵盖大多数许可和未许可的蜂窝频段。集成电路支持高达100兆赫的接收机带宽。它还支持高达250MHz的观测接收机和发射合成带宽，以适应数字校正算法[3]。

AD9371软件无线电技术由宽带直接转换信号路径组成，具有最先进的噪声系数和线性度。每个完整的接收机和发射机子系统都包括DC偏移校正、正交误差校正和可编程数字滤波器，无需数字基带中的这些功能。集成了多个辅助功能，如辅助模数转换器(模数转换器)、辅助数模转换器(数模转换器)和通用输入/输出(GPIOs)，以提供额外的监控能力[4]。

2 AD9731软件无线电技术的优势

AD9731软件无线电技术的优势如下：

第一，便利性。AD9731软件无线电技术的第一个优势是便利性，这主要体现在它具有高性能和高集成度上。这款平台具有片上系统解决方案，能够替代20多个高性能分立式无线电元件。通过这种简单、可靠的连接，使其在在各种环境和工作条件下都能具备直接变频、高线性度和自校准特性，进而保持最佳的性能水平。同时，大规模集成度和零IF支持宽频率范围，可消除互联损耗，减少宽带匹配问题[5]。

第二，多功能性。向各种应用提供一个通用平台，可减少开发时间和库存成本。（1）工作频率范围：300MHz至6GHz。支持最高接收器带宽：100MHz。支持最高发送带宽：100MHz；支持最高观测接收器和发送频率合。带宽：250MHz(数字校正算法)；（2）尺寸、重量和功耗(SWa P)；较少的元件数，便于将无线电安装在楼宇、灯柱和办公室墙壁等位置。在正常工作条件下功耗水平低于5W，可减少冷却需求，提高可靠性并降低运营成本。（3）XJESD204B数据接口最大限度地减少输入/输出线路，从而使远程部署无线电变得更加可行。易于使用 利用ADI无线电技术设计专业经验降低开发成本，缩短上市时间(TTM)；（4）完整的API(应用程序接口)、软件用户指南和标准的串行外设接口(SPI)可简化开发过程。（5）片内跟踪校准能以较少的用户控制保持性能[6]。

第三，降低噪声。AD9731软件无线电技术设计出一种工作频率为2.2～2.8GHz的连续可调低噪声放大器(LNA)。在输入匹配阶段，通过射频阻抗变压器网络实现连续调谐。该电路由变压器级、调谐级、移相器和增益级四部分组成。频率调谐是通过调谐级的偏置电压来改变输出电流来实现的。该电路在放大器的反馈路径中包括一个有源移相器，用于移动被放大信号的相位。通过变压器进一步实现可调性需要移相。LNA达到最大模拟增益18dB。该LNA获得了一个完美的阻抗匹配的调谐范围与稳定的运作。此外，它达到了最小噪声值1.4dB。

3 软件无线电硬件平台实现方案

AD9371是一款高集成度的射频收发器，能够配置用于广泛应用。双通道差分发送器(Tx)X双通道差分接收器(Rx)X带2路输入的观测接收器(ORx)X带3路输入的嗅探接收器(SnRx)X可调谐范围：300MHz至6GHz X发射器合成带宽：最高可达250MHz X接收器带宽：7.5MHz至100MHz X支持频分双工(FDD)和时分双工(TDD)工作模式X全集成式独立小数N分频射频(RF)频率合成器，可用于Tx、Rx、ORx和时钟生成XJESD204B数字接口RadioVerse技术和设计生态系统ADI认识到与RF设计和集成相关的挑战以及将高性能无线电解决方案快速推向市场所需的条件。评估选项AD9371集成式RF收发器提供多种评估选项。窄调谐(ADRV9371-N-EBZ)或宽调谐(ADRV9371-W-EBZ)范围选项同时提供完整的产品评估系统和原型制作平台[7]。

由于DPD系统从FPGA划分到收发器，故JESD204B串行数据接口通道数减半，使得系统功耗大幅降低，尤其是Pre-5G massive MIMO这种无线电通道密度需求很高的应用场景（天线数量从原先的2天线增加到128天线）带来的功耗降低是非常明显的。其他优势包括更紧凑的无线电电路布局，这可以简化布线和系统设计，缩减基站尺寸，并允许设计人员使用较低成本和复杂度的FPGA。在小基站系统中，利用这些优势可让每个设备支持更多频段，从而提高网络容量，同时最大程度地减少对系统功耗和尺寸的影响[8]。

AD9361增益控制：（1）发送功率控制：由一个程控衰减器决定，衰减范围为（0～89.75dB）步进为0.25dB。（2）接收增益控制：由模拟增益（由低噪放、混频器、跨阻放大器和低通滤波器等增益组成）和数字增益决定。（3）控制方式为：自动控制和手动控制（SPI控制和管脚控制）。（4）增益范围：0～90dB，模拟增益最大为76dB，数字增益最大为31dB。（5）增益分配：由查表决定，有单表模式和多表模式。

AD9371状态机控制方式：通过SPI写寄存器控制、通过管脚控制(分为电平模式和脉冲模式)。状态机模式：FDD模式、TDD模式[9]。

AD9371控制编程：（1）SPI接口：通过AD9371的SPI接口对AD9371进行初始化配置，难点在于初始化寄存器，而初始化寄存器可以通过ADI的寄存器配置软件生成。（2）数据接口：接口形式为LVDS和COMS，难点在于速率较高的情况下，需要加合适的约束或者调解AD9371的时延调整寄存器0x06和0x07。（3）状态机：需要正确控制状态机，否则AD9371会工作你不知道的状态里，可以通过读取状态寄存器判断。（4）校准时间：注意AD9371的校准时间需要给足够，否则会影响性能，同时ADI的寄存器配置软件生成的配置能够满足基本功能，但是想要性能更好，需要自己去优化[10-14]。

4 结语

AD9371收发器可用于常见无线电平台设计，实现300MHz至6GHz的射频频率范围，JESD204B接口最高支持6Gbps，功耗低于5W。AD9371内置两个100MHz接收器、两个250MHz发射器、一个双路输入观测接收器和一个三路输入sniffer接收器。该收发器的集成DPD解决方案支持3G和4G信号，瞬时信号带宽最高可达40MHz。除此以外，AD9371收发器硬件组合还有适用于宏蜂窝到微微蜂窝、毫微微蜂窝基站架构的宽带器件，以及适用于物联网应用的超低功耗窄带收发器。