软件无线电SDR方案：CX9261射频收发器

射频百花潭 2022-06-03 10:38

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城芯科技CX9261

杭州城芯科技有限公司全正向研发的CX9261是一款宽带、高性能、多通道射频收发器，基于软件无线电理念设计，片内集成了射频收发器所需的RF、ADC/DAC以及数字上下变频等电路，极大地减少了射频链路设计的复杂度，系统集成度高，功能替代AD9361。该射频收发器已广泛应用于智能终端、数据链以及毫微微蜂窝/微微蜂窝/微蜂窝基站等无线通信系统中。

对于超短波电台等带宽只有几十kHz的应用场景，CX9261射频收发器接收机内部集成的模拟混频滤波器采用多阶巴特沃斯等有源RC滤波无法提供极好的带外抑制。同时采用零中频架构实现的窄带通信系统，其输出信号频率会受1/f噪声影响，需要对1/f噪声进行处理。本文提出了基于CX9261射频收发器实现窄带通信系统方案。

器件功能

CX9261射频收发器集成低噪放、上/下混频器、多模滤波器、自动增益控制、直流偏移对消、功率强度检测、ADC/DAC、驱动放大器、电源管理、小数分频频率综合、逻辑控制、抽取/插值滤波、数字下变频和自动校准等功能，具有通用化设计、宽频带覆盖、宽窄带信号兼容、低功耗等特点。

器件通道1和通道2的工作频率范围为70MHz~2.7GHz，通道3工作频率范围为1.2GHz~1.8GHz，片内可调谐带宽为20kHz至60MHz。

器件的接收通道采用直接变频架构，由低噪声放大器、混频器、可编程增益放大器、带宽可变滤波器和高速高精度16位ADC组成。器件的接收通道具有校准功能，噪声系数小，镜像抑制性能高，有利于提高接收通道的射频性能，16位的ADC具有较大的动态范围。

器件的发射通道采用直接变频架构，由混频器、可编程增益放大器、带宽可变滤波器和高速高精度16位DAC组成。器件的发射通道同时具有本振泄露校准、IQ正交校准，能够很好的抑制本振泄露和镜像干扰，杂波抑制度高，射频性能优越。

器件的本振和时钟都采用小数分频PLL，能够更好的适合各种应用场景。同时器件还提供了外部本振的输入接口，有效降低多器件应用的相位偏差。

器件的供电为2.5V和1.3V，在2.7GHz频率、单收单发FDD模式下满功率工作条件下，功耗小于1W。

器件为塑封BGA289pin，15mm×15mm。

器件功能框图见图 1。

图1 CX9261射频收发器功能框图

性能分析

在窄带通信系统应用中，CX9261射频收发器的性能优势主要体现在低噪底、线性度和相位噪声等三个方面。

CX9261射频收发器OIP3为35dBm；
CX9261射频收发器接收机中的ADC为16位，比行业内零中频架构射频收发器12位宽多4比特，相应地噪底优12dB；

图2 射频收发器输出噪底比较
CX9261射频收发器内部PLL模块的窄带相位噪声性能优异，本振相位噪声见表1。

表1 本振相位噪声

窄带通信方案

窄带通信方案如图3所示：CX9261射频收发器先将外部输入的模拟信号混频到ADC采样钟1/32（可选）的中频上，由于该中频信号远离零频，避免了1/f噪声影响，然后通过数字混频将信号二次变频到零中频，最后通过数字FIR滤波器滤除邻道干扰信号。

接收机链路设计要求如下：

接收链路设计中，需确保干扰音不能让ADC溢出，ADC满摆幅功率为6dBm；
在噪声系数可接受的范围内，接收链路模拟增益尽量小，解调幅度不够通过数字增益补偿。
为发挥CX9261的噪底性能，CX9261射频收发器模拟链路最大增益建议配置低于30dB，系统射频链路（含射频前端）最大增益不大于（45~50）dB。

图3 CX9261窄带通信系统架构

射频前端链路

当射频前端链路只有低噪声放大器时，此时需考虑低噪声放大器模块所需达到的线性度指标要求，射频前端链路见图4，链路预算见表2：

图4 CX9261射频前端匹配电路

系统链路预算如下：

表2 CX9261窄带通信接收链路指标预算

模拟增益控制

当接收链路增益为45dB~50dB时不会影响输入信号灵敏度，但如果输入信号或者干扰信号绝对能量过大时，则需要通过调整模拟链路增益来确保整个接收链路中不出现信号溢出。比如在模拟输入信号能量为-30dBm时，正常情况下为保证线性度需将接收链路的模拟增益调整为30dB左右，但此时如果该-30dBm的大能量信号为邻道干扰信号，则此时基带射频收发器就难以通过判断输入能量来调整模拟通道增益，因为此时邻道干扰信号已经污染了有用信号，但其本身被后级的数字滤波器滤除，导致基带电路无法通过计算其真实能量来调整模拟链路增益。

基于上述原因，CX9261射频收发器内部混频器输出内置有峰值检测模块，通过判断混频器的输出能量来实现对射频输入信号的能量检测，用户可通过CX9261射频收发器的GPIO接口来获取当前混频器的输出能量值，用于模拟链路增益的调整。峰值检测电路输出码字与混频器输出能量之间的真值表见表3：

表3 CX9261峰值检测模块输出真值表

在对信号动态范围要求很高的场景中，比如最大输入信号能量大于-15dBm时，系统需要将整个接收链路增益调整至20dB以下，此时就需要射频前端电路具备旁路功能。同时考虑到噪声和线性度的折中，可按下图的增益分配完成整个模拟通道的增益设置，最终将输入至ADC的输入调整至（-3~1）dBm，以实现最优的线性度，见图5所示。