基于AD9361芯片的弹载一体化射频前端

朱 童，艾冬生，张景鹏，马鑫龙

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

随着遥测技术的不断发展，高速化、多样化、大数据量已经成为遥测系统发展的主要趋势[1]。由于不同的武器系统对遥测参数的要求存在一定的差异，重新进行设计会导致成本增加，设计继承性差，产品成熟度难以持续提升，并导致弹载遥测舱的研制成本进一步增加。另外，传统弹载遥测产品的功能，往往需要依据不同型号任务的具体要求进行设计，一型弹载遥测产品仅供某一型特定型号系统使用，功能要求稍有变化就需要重新进行电路和结构设计，通用性差。

文献[2]设计了基于FPGA和AD9361的软件无线电平台，实现了软硬件协同[2]。文献[3]设计了一种新型的可编程遥测收发机，完成了基于AD9361芯片和片上系统的软件无线电平台方案，给出了详细的硬件设计方法；文献[4]围绕AD9361芯片设计了片外射频通道，提高了通信速度，改善了由多径衰落造成的信号质量下降问题。但以上均未涉及射频前端灵敏度以及传输损耗等问题的研究，难以满足兵器遥测对远距离传输、小型化、低功耗的要求。本文针对目前常规兵器弹载遥测装置功耗大、集成度低、通用性差的问题，提出了基于AD9361芯片的弹载一体化射频前端。

1 常规弹载射频收发前端

无线收发系统一般由发射机与接收机组成。将发射机前端经数模转换器(DAC)转换的基带信号进行功率放大和频率调制后，通过功率放大器输入至天线端，最后经由天线发射至空间中[5]。接收机将空间无线信号以频段划分，将所需频率范围的信号接收进来，经过射频后端通道部分，进行了功率的放大，调整到接收机可以识别的功率范围之内，再经过解调将高频信号中的基带信息恢复出来。

传统的射频发射链路由发射天线、隔离器、带通滤波、振荡器、锁相环路、调制回路组成，其中大多配以单片机对振荡频率等参数进行在线设置。传统的射频接收链路由接收天线、带通滤波、低噪放、增益调节、鉴频锁相、中放单元构成，形成中频信号后经中频数字化进行信号处理。构成图如图1所示。

图1 传统射频收发前端构成图Fig.1 Traditional RF transceiver front-end configuration diagram

作为无线收发系统的核心组成部分，射频前端实现射频信号和基带信号的相互转换，其性能直接影响整个通信系统的性能[6]。若基于传统架构，射频发射和射频接收链路前端均需单独设计，每个链路都包括低噪放、下变频器、AD采样器件、DA变换处理器件、上变频器、功放以及基带信号处理器件等，整个射频前端的集成度低、可复用度差、难以小型化，对于可支配空间狭小的弹载系统来说，已经成为工程应用的瓶颈。对此，采用基于AD9361的单芯片架构，实现通用收发机射频前端。

2 基于AD9361芯片的一体化射频收发前端

2.1 总体架构

AD9361是一款高性能、高集成度的射频捷变收发器，具有灵活的可编程性及优良的宽带能力，其内部集成两个采用直接变频架构的接收器和发射器[7]，工作频率范围70 MHz～6 GHz，支持通道带宽范围200 kHz～56 MHz。

系统采用AD9361射频芯片和FPGA作为主处理芯片[8]。将传统结构中的射频收发链路前端设计在一个单元中作为共用前端板，将发射链路的射频参数设置和接收链路中的中频数字化部分合并设计为基带信号处理板。原理框图如图2所示。

图2 基于AD9361收发器构成Fig.2 Based on AD9361 transceiver

弹载收发单元选用AD9361芯片，FPGA将采集到的数据进行处理后送到DAC转换芯片，射频信号经过信号放大器和滤波器后通过射频发射模块向地面遥测站进行数据传输。同时射频板将地面发送的数据通过前端接收链路后送到AD9361芯片的接收端，通过AD9361芯片解调后送到FPGA处理。

射频收发前端主要是对发射信号进行驱动放大及功率放大后输出；对接收天线接收信号预选滤波后经低噪声放大后输出。

射频发射前端由驱动放大、滤波、功率放大、监测回路组成。输入信号经驱动放大后滤波，再经功率放大输出。监测回路对输出功率和天线驻波进行监测，由射频转接器送FPGA处理，如监测到输出功率降幅超过3 dB或驻波值大于3，则输出异常报警。

射频接收前端由预选滤波器、低噪声放大器、带通滤波器组成。接收信号经预选滤波、低噪声放大后输出，预选滤波器对天线输入信号进行带外干扰噪声抑制，低噪放对信号进行低噪声放大，提高灵敏度，带通滤波器用于对带外杂散和噪声进行抑制。一体化射频收发前端实现指标如下：

1)通道数：1收1发；

2)通信距离：大于等于2 km；

3)工作频段：2 200～2 300 MHz；

4)频率范围：小于等于100 MHz；

5)信号带宽：4 MHz；

6)输入输出阻抗：50 Ω；

7)回波损耗：小于等于12 dB；

8)天线类型：全向天线；

9)天线增益：小于等于5 dBi；

10)三阶交调截点：大于等于30 dBm；

11)无杂散动态范围：大于等于60 dB。

2.2 关键指标实现

2.2.1传输损耗

系统要求通视条件下传输距离不小于2 km，考虑到实际环境中其他因素的影响，依据电磁传输损耗公式计算传输损耗Lp。

Lp(dB)=32.44+20logd+20logf

(1)

式(1)中，d为传输距离，km；f为电磁波的频率，MHz。结合安全裕量考虑，损耗预测如表1所示。

表1 系统传输损耗Tab.1 System transmission loss

分析系统总增益公式：

Gain=Pmax+Gt+Gr-Pmin

(2)

式(2)中，Gain为传输系统总增益，Pmax为发射机最大发射功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，Pmin为接收机灵敏度。收发天线增益按照5 dBi计算，系统总增益主要取决于接收机灵敏度和发射机最大发射功率，灵敏度公式如式(3)所示：

Pmin=-174+Nf+10logBW+(So/No)min

(3)

式(3)中，Pmin为接收灵敏度，Nf为接收机系统的噪声系数，Bw为中频带宽，(So/No)min为系统要求最小可解调信噪比。最小可解调信噪比按照非相干FSK的12.5 dB计算可得接收机灵敏度为-92.78 dBm。

如表2所示，AD9361在2 225 MHz下最大输出功率为8.25 dBm，按照IMD3的指标要求为大于30 dBc。

表2 AD9361射频指标参数Tab.2 AD9361 RF specifications

Pout=OIP3-1/2IMD3

(4)

由式(4)参照表2可知，无法保证AD9361在最大输出功率时IMD3>30 dBc，采用功率回退法保证线性度，取最大输出功率为7 dBm。

AD9361芯片收发总增益与传输损耗如表3所示。

表3 AD9361收发总增益与传输损耗比较Tab.3 AD9361 transceiver total gain and transmission loss comparison

由表3可知，在工作点频下AD9361芯片收发总增益小于传输损耗，不能满足系统所需增益，因此需要设置片外芯片及相关电路，以满足系统增益。

提高增益的主要途径为提高系统灵敏度以及增大发射机最大发射功率。接收机灵敏度取决于接收机整体噪声系数。设计中采用前级加入低噪声放大器以降低整体噪声系数；AD9361芯片发射通道后级加入功放增加发射功率。

2.2.2AD9361芯片的配置

AD9361芯片的数字接口有SPI接口(用于传输控制信息)、GPIO接口(用引脚的高低电平来读取或者控制AD9361芯片的工作状态)和高速数字接口。AD9361芯片的高速数字接口用于和FPGA传输基带数据，连接方式如图3所示。AD9361芯片的模拟信号带宽最大可以设置为56 MHz，而基带数据的采样率至少要高于系统模拟带宽2倍以上，即高速数字接口的数据传输时钟速率要在112 MHz以上。

图3 AD9361芯片与FPGA连接示意图Fig.3 Schematic diagram of connection between AD9361 and FPGA

设计采用LVDS差分模式实现高速数据接口。当读取AD9361芯片数据时，数据采样时钟DATA_CLK信号由AD9361芯片输出，FPGA使用DATA_CLK信号作为参考时钟对数据进行采样，FPGA将DATA_CLK采集后输出到FB_CLK引脚作为AD9361芯片的输入数据采样时钟信号。

设计中，PS上外挂SPI接口控制器(AXI_QUAD_SPI IP核)，PL中通过逻辑设计SPI接口，通过PL中的SPI切换控制选通SPI总线，切换PS与PL通过SPI总线访问AD9361芯片的权限。PS时AD9361芯片进行配置AD9361，PL访问AD9361用于读取RSSI、GAIN等信息。

系统上电后，PL中SPI切换控制选通PL_SPI总线，同时通过BRAM读取PS总线请求，待检测到PS总线请求后将SPI总线权限切换至PS_SPI总线。PS通过BRAM控制器申请SPI总线权限，待检测到SPI总线使能后，进行AD9361初始化配置，初始化配置完成后，PS放弃SPI总线权限，SPI切换控制检测到PS放弃SPI总线权限后，将其切换至PL_SPI接口。

系统工作过程中，若需对AD9361进行参数配置或状态读取，PS通过BRAM控制器申请SPI总线权限，待检测到SPI总线使能后，PS可对AD9361芯片进行读写，待调试完毕后，PS放弃SPI总线权限，SPI切换控制检测到PS放弃SPI总线权限后将其切换至PL_SPI接口。

图4 SPI切换控制状态机转移图/RSSI测量模块控制状态机状态转移图Fig.4 SPI switching control state machine transition diagram/RSSI measurement module control state machine state transition diagram

PS通过ADI_API函数对AD9361芯片进行配置及状态读取。PS访问AD9361芯片前需通过BRAM控制器发送SPI总线请求至PL，待检测到总线使能后可访问AD9361芯片，待访问结束后，通过BRAM控制器关闭SPI总线请求。PL通过SPI切换控制模块控制AD9361 SPI总线权限，其中总线使用优先级PS大于PL(PS为AD9361芯片配置，PL为RSSI、GAIN读取)。待SPI切换控制模块检测到PS_SPI总线请求后，将检测PL当前是否在使用AD9361 SPI总线，若正在使用，待本次使用完毕后将SPI总线权限切换至PS，同时关闭PL访问AD9361芯片的操作；待PS使用完毕后，总线权限切换至PL，开启PL访问AD9361芯片的操作。

其中ps_request为1表示PS对SPI访问请求，为0表示PS放弃使用SPI；ps_spi_en为1表示PS获取SPI访问权限，为0表示失去SPI访问权限。PL与PS通过BRAM控制器传递ps_request与ps_spi_en信号。在IDLE状态检测pl_spi_en(IDLE状态表示PL此时未访问AD9361芯片)，待检测到pl_spi_en为0后表示PL_SPI总线禁用，进入STOP状态，直至检测到pl_spi_en为1后回到IDLE状态，访问AD9361芯片，测量RSSI、GAIN等。

3 测试验证

3.1 接收通道测试

使用信号发生器提供标准的测试信号，使用射频线将信号发生器、被测单板、频谱仪进行连接，测试接收通道灵敏度，测量结果如图5所示。

图5 接收机灵敏度测试结果Fig.5 Receiver sensitivity test results

根据测量结果进行计算，得到灵敏度为-93.02 dBm，满足系统对灵敏度不大于-92.78 dBm的要求。将测试结果带入式(3)进行计算得到噪声系数为2.459 dB，与设计值相比虽然有一定的恶化，不过恶化均在正常范围内，各项指标仍然都满足系统要求。导致噪声系数恶化的主要原因在于本系统设计频率较高，实际电路中存在明显的分布参数效应；另外阻抗匹配在实际状况中也会在某种程度上影响噪声系数。

由表4可知，2 225 MHz灵敏度和噪声系数相比理论值都有一定的恶化，但是仍然能够满足系统要求。

表4 灵敏度与噪声系数测量结果Tab.4 Sensitivity and noise figure measurement results

3.2 发射通道测试

本节对最大发射功率进行测试，主要用到的仪器有：频谱仪、线缆、衰减器、被测单板，测试结果如表5所示。

表5 功放输出1 dB压缩点测量结果Tab.5 Power amplifier output 1 dB compression point measurement results

通过测量功放的输出1 dB压缩点来计算三阶交调截点OIP3，带入式(4)得出发射功率为20.1 dBm，满足指标要求。

3.3 功耗测量

利用直流稳压电源对电路板进行供电，记录每个静默时的工作电流和发射时的瞬时电流，计算静默功率和全功率，结果如表6所示。

表6 单板功耗测试表Tab.6 Single board power consumption test table

表7给出了在相同功能和同等性能指标的前提下，采用射频前端一体化设计后的遥测弹载设备与传统弹载设备的对比：相比传统弹载设备，采用AD9361进行弹载收发系统射频前端一体化设计使得设备体积减少86.5%，重量减少58.3%，系统功耗降低7.6%。并且，采用射频前端一体化后在设计变更时(如更改发射功率)，仅需对射频前端进行设计更改，无需对整个射频系统进行重新设计，大大提升了常规兵器弹在遥测设备的设计效率，降低了开发周期和成本。

表7 一体化数据链设备与传统数据链设备的对比Tab.7 Comparison of integrated data link equipment and traditional data link equipmen

4 结论

本文提出了基于AD9361芯片的弹载一体化射频前端。该射频前端基于AD9361单芯片架构，结合AD9361芯片使用性能对射频前端的传输损耗进行分析，加入低噪放及功放提高灵敏度和发射功率用于补偿，并对AD9361芯片进行了配置。测试验证结果表明，基于AD9361芯片的弹载一体化射频前端能够满足系统灵敏度和作用距离等设计指标，并具有低功耗、高集成度及良好通用性的特点。对于常规兵器弹载遥测装置的小型化、集成化和通用化设计具有一定的指导价值。