1、AD9361 学习记录一、简介AD9361 是 ADI 推出的面向 3G 和 4G 基站应用的高性能、高集成度的射频解决方案。该器件集 RF 前端与灵活的混合信号基带部分为一体，集成频率合成器，为处理器提供可配置数字接口。AD9361 接收器 LO 工作频率范围为 70 MHz 至 6.0 GHz，发射器 LO工作频率范围为 47 MHz 至 6.0 GHz，涵盖大部分特 许执 照和免执照频段，支持的通道 带宽范围为 200 kHz 以下至 56 MHz。两个独立的直接变频接收器拥有首屈一指的噪声系数和线性度。每个接收(RX)子系统都拥有独立的自动增益控制(AGC)、直流失 调校正、正交校正和
2、数字滤波功能，从而消除了在数字基带中提供这些功能的必要性。The AD9361 还拥有灵活的手动增益模式，支持外部控制。每个通道搭载两个高动态范围模数转换器(ADC)，先将收到的 I 信号和 Q信号进行数字化处理，然后将其传过可配置抽取滤波器和 128 抽头有限脉冲响应(FIR)滤波器，结果以相应的采样率生成 12 位输出信号。发射器采用直接变频架构，可实现较高的调制精度和超低的噪声。这种发射器设计带来了行业最佳的 TX 误差矢量幅度(EVM) ，数 值不到 40 dB，可 为外部功率放大器(PA)的选择留出可观的系统裕量。板 载发射(TX) 功率监控器可以用作功率 检测器，从而 实现高度精确
3、的 TX 功率测量。完全集成的锁相环(PLL)可针对所有接收和发射通道提供低功耗的小数 N 分频频率合成。设计中集成了频分双工 (FDD)系统需要的通道隔离。二、AD9361 系统构成AD9361 的框架如下图 2-1 所示：图 2-1它支持 2x2 MIMO 通信，收发各有两条独立的射 频通路。TX 射频前端构成如下图 2-2 所示：PhaseSpiltterTX Secondary Filter TX FilterATTNDAC INPUTRF OUTPUT图 2-2TX 数据通路如下图 2-3 所示：图 2-3RX 射频前端构成如下图 2-4 所示：PhaseSpiltterTIA RX
4、 FilterLNAADC OUTPUTRF INPUT图 2-4RX 数据通路如下图 2-5 所示：图 2-5三、初始化及校准总述AD9361 在上电之后便会进入休眠状态。此时用户需要根据所需参数，对芯片进行初始化配置。其配置包括以下几方面： 基本参数配置（包含 SPI 时钟频率、 DCXO 补偿、射 频时钟 使能） BB PLL 频率配置及校准 PolyPhase TX Digital Filter 的系数写入 PolyPhase RX Digital Filter 的系数写入 数字数据接口配置 AuxDAC/AuxADC 初始化 Control_Out 端口输出配置 GPO 端口参数配置
5、 频率无关的射频参数配置，包括 LO Power、VCO&LDO 的参数配置、Charge Pump 校准等） T/Rx 频率综合器参数配置 T/Rx 工作频率配置及校准 Mixer GM table 增益配置 RX Gain table 配置 RX 手动增益配置 T/RX 基带模拟滤波器校准（tune） RX TIA 配置及校准 二级 TX 滤波器校准 ADC 初始化 BB/RF DC 校准 发射数据正交性校准（相当于 IQ 校准） TX 增益配置 RSSI 及功率测量的初始化使用 AD9361，我们主要关注的有五个方面：一是其中各器件的校准；二是有关滤波器的配置；三是有关数字部分接口的模式
6、、工作方式的配置；四是射频工作状态机控制；五是有关 T/Rx 增益的配置。以下分 4 节对这几个方面分 别阐述。四、时钟源和 RF & BB PLL 频 率综合器由于时钟是整个芯片的核心，在介绍上节所述五方面之前，我们先详述一下AD9361 的时钟、PLL 和频率综合器。1、参考时钟及 DCXOAD9361 使用分数分频锁相环生成一个本地时钟为 信号转换、数字滤波器、IO 端口提供时钟源。这些 PLL 均需要一个参考时钟， 这个时钟可以通过外部晶振提供，或者由外部晶体加上一个可变电容生成所需频率。在使用外部晶体的情况下，需使用 DCXO补偿晶体频率来保证输出参考时钟稳定。2、RF & BB P
7、LL 频率综合器图 4-1参考时钟输入后，分别进入 3 个独立的 PLL（如图 4-1 所示），分 别为 T/RX 频率综合器、基带 PLL 提供参考时钟源。 3 个 PLL 需各自进行校准。A）TX、RX PLL 的锁定在 FDD 模式下，TX 和 RX 的 PLL 可工作在不同频率下，它们同时开启；TDD 模式下，TX 和 RX 的 PLL 根据收发情况轮流开启。一般的 TDD 模式工作状 态按照 Rx-ALERT-Tx-ALERT-Rx 跳转，基 带通过跳转 TXNRX信号来控制 TX、RX 状态的跳 转，当 TXNRX 从 0 跳变到 1 时， RX PLL 关闭，TX PLL 开启并
8、进行重新校准锁定，反之 TX PLL 关闭，RX PLL 开启并重新校准 锁定。TDD 模式下每次 PLL校准锁定的时间大概为 45us60us 左右。不过假如系统每次收发帧所使用的载波频率不变，则不需每次打开 TX 或 RX 时重新进行校准，而沿用上一次的校准值。此 时需要在一次校准 过后将寄存器中的 VCO Cal 比特关闭， 这样可以明显 得缩短信号收发之前， 频率 综合器的稳定时间。B）Fast Lock 模式假如你的系统需要在多个频点上工作，则可以使用 Fast Lock 模式，它支持保存多个频点的频率控制字，使得频率变化是， PLL 的锁定时间更短。然而这种模式 TX 和 RX分别
9、最多只能保存 8 个频点，还是有一点局限性。五、器件校准AD9361 的校准及其校验方式简介如下表 5-1 所示：表 5-1每次芯片上电或者硬件复位之后都必须进行校准，校准之后的参数会被保存。校准的顺序由状态机控制，其状态如下表 5-2 所示。由于其中部分校准需导入其他校准所得结果，因此假如多个校准同时使能， 则校准顺序由校准状态机控制。当校准状态机停留在 0x1 状态时，表示校准完成。需要注意的是：T/Rx 的基带滤波器校准不受校准状态机控制，必须在其他校准均不进行时，进行 T/Rx 基带滤波器的校准。表 5-2下面对几个重要的校准进行单独阐释。注 1：RF 频率综合器 VCO 校准AD93
10、61 的发射和接收的频率综合器是独立的，因此 TX 和 RX 的 RF VCO 校准需分别进行。在 TDD 模式下， TXNRX 为高代表发射， TXNRX 低代表接收，做 RF TX VCO 校准是，TXNRX 需拉高； RF RX VCO 校准 时， TXNRX 拉低。FDD 模式下，需要将 ENSM 调整到 ALERT状态，随后使能频率综合器校准。官方建议无论使用 TDD 还是 FDD 工作模式，均可在做 RF 频率综合器 VCO 校准时，使用 FDD 的校准方式，因为 FDD 校准的频率更准确稳定，但是弊端是耗时较长。注 2：T/Rx 模拟滤波器校准模拟滤波器校准有一点需要注意，在进行
11、校准带宽设置时，带宽值需要设置成BB 带宽的 1.6 倍，BB 带宽值是基带复数输出带宽的一半，即 RX 为 26MHz0.2MHz，TX为 20MHz0.625MHz。六、滤波器配置本节介绍发射和接收的滤波器通路。1、发射滤波器通路TX 滤波器通路总体分为 3 级 数字滤波器和两级模拟滤波器，示意图如下图 6-1所示：图 6-1通路输入为 I、Q 两路 12bit 补码。A）TX 数字滤波器数字滤波器分为 4 级，主要用于对接口 I、Q 信号进行插值滤波。它们可由用户控制选通。第一级 Prog TX FIR 支持 1 倍、 2 倍、 4 倍插值，可通过用户配置最高 128 阶位宽16bit
12、滤波器系数，并且可提供 0-6db 滤波器增益。 其插 值倍数和滤波器阶数关系如表6-1 所示：表 6-1第二级 HB1 是一个固定 2 倍插值低通滤波器。其滤波器系数为53, 0, 313, 0, 1155, 0, 4989, 8192, 4989, 0, 1155, 0, 313, 0, 53。频率幅度相应如图 6-2:0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Normalized Frequency ( rad/sample)-1000-5000Phase(degrees)0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1N
13、ormalized Frequency ( rad/sample)-150-100-50050Magnitude(dB)图 6-2第三级 HB2 也是一个固定 2 倍插值低通滤波器，系数为9, 0, 73, 128, 73, 0, 9。其幅频相应如图 6-3 所示。0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Normalized Frequency ( rad/sample)-600-400-2000Phase(degrees)0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Normalized Frequency ( rad/s
14、ample)-150-100-50050Magnitude(dB)图 6-3第四级 HB3/INT3 可实现 2 倍或者 3 倍插值。 2 倍插值滤波系数为1, 2, 1，其幅频相应如图 6-4 所示。三倍插值系数为36, 19, 0, 156, 12, 0, 479, 223, 0, 1215, 993, 0, 3569, 6277, 8192, 6277, 3569, 0, 993, 1215, 0, 223, 479, 0, 12, 156, 0, 19, 36，幅频相应如图 6-5 所示。0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Normalized
15、 Frequency ( rad/sample)-200-150-100-500Phase(degrees)0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Normalized Frequency ( rad/sample)-100-50050Magnitude(dB)图 6-40 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Normalized Frequency ( rad/sample)-1500-1000-5000Phase(degrees)0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Normalized Frequency ( rad/sample)-100-50050Magnitude(dB)图 6-5
