拓宽思维，为射频芯片增加可编程功能

众所周知，FPGA是从简单的胶合逻辑合并一直发展到能够实现复杂的数字功能。在这个过程中，FPGA包含了种类越来越广泛的硬逻辑内核和功能，比如处理 器和专用接口模块。一些FPGA还拥有复杂的模拟功能，如高速收发器，但总的来说，FPGA实际上才触及到模拟世界的边缘。

与此相反，现场可编程射频芯片(FPRF) 来源于无线领域，它给人们带来了令人兴奋的新的可能性。在最高的抽象层，FPRF发送器接受数字化的数据流，然后转换成无线信号。与此同时接收器执行相反 的操作。另外还有编程关键参数(如射频频率、增益和带宽)的功能。通常一个FPRF芯片包含框图1所示的几个主要部分：

图1：FPRF芯片的几个主要构成部分。

当我第一次学习这种器件时，我发现它带来的射频功能有点类似于FPGA在逻辑域中提供的功能。首先，它由客户进行编程，而不是在工厂中进行编程。其次，配套的工具允许客户进行在线试验和修改参数。第三也是最重要的一点，应用范围仅受用户想象力的限制。

这款FPRF芯片是在美国国内为一家名为Lime Microsystems的英国公司制造的。器件型号是LMS6002D，但Lime公司创造了FPRF这个新的缩略词，因为这个词抓住了产品的本质。

下面让我们更深入地了解这个产品。无线传输使用了多种不同的调制方案，同时芯片接受同相(I数据)和正交(Q数据)字形式的数据。在发送路径中，数据先经一对片上数模转换器(DAC)转换成两个模拟信号。用户可以选择旁路掉这些DAC，将模拟信号直接注入器件或监视DAC的输出。

下一步操作是对信号进行滤波。这个滤波器的通带由用户编程为范围从1.5MHz至28MHz的16个不同带宽之一。滤波将信号限制为所选的带宽，并衰减掉任何带外噪声或来自DAC的混叠信号。下面是发送(TX)路径的框图：

图2：发送(TX)路径的框图

滤波器可以将信号提升6dB，随后紧跟着的可编程基带增益电路可以经过调整提供最高达31dB、增量为1dB的增益。然后信号经混频后直接提供所要求的调制 射频输出。发送PLL合成器将输入PLL时钟乘以一个可编程的比值，然后产生一个具有严格精度的稳定频率。射频增益级电路(当然是可编程的)提供从 FPRF器件输出的最终信号提升。发送功率电平无需任何进一步放大就足够用于短距离的通信，比方数十米。用户可以使用外部放大电路增加通信距离。

不出意外，接收路径也是高度可编程的。FPRF器件提供三种低噪声放大器(LNA)选择。通用的宽带输入电路设计用于处理频谱从300MHz至3.8GHz 的射频输入信号。为了增强性能，另外两个低噪声放大器分别针对300MHz至2.8GHz(Lo LNA)和1.5GHz至3.8GHz(Hi LNA)的信号进行了优化。下面给出了：

图1：FPRF芯片的几个主要构成部分。

接收路径中的混频器使用与发送器相同的PLL时钟输入，但用不同的合成器提供全双工和直接下变频功能。在模拟信号被数字化并输出为I&Q数据流之前，还要经过可编程增益和滤波电路。

所有不同单元的配置都是通过简单的SPI接口编程进控制逻辑。每个单元都是通过加载一个16位的字进行编程的，这个过程可以是静态的，对更为复杂的应用来说，也可以在线修改参数。

配置是用简单的图形用户界面完成的，在这个界面上可以控制上述功能以及测试和回路模式。这个图形用户界面如下所示：

图4：用于控制FPRF器件的图形用户界面。

至此我们已经考虑了器件技术性细节的简单描述--但你可以用它来做什么呢？好吧，这个芯片设计得非常灵活，因为它的关键应用之一是毫微微蜂窝和微微蜂窝，下面我来详细解释。这些盒子用作蜂窝电话的本地基站，并且链接进互联网，从而在家里或小型办公室内提供快速连接。举例来说，靠我家最近的基站是在山的另外一边，因此我的接收信号很不稳定。毫微微蜂窝可以让我不再依赖于来自基站的信号。

为这些应用设计射频芯片的挑战在于，全球的蜂窝系统是不同的，4G或LTE手机要做到真正的全球覆盖，可能需要40种以上不同的组合。因此FPRF设计师不得不做成可编程的，以免受限于单一市场。

一旦你的芯片覆盖了所有蜂窝频率，你也就覆盖了许多其它应用。例如，将电视传送从模拟改为数字可以释放一堆频谱用于新的无线服务。这些频谱被称为"空白电视信号频段"，许多公司正在努力开发各种各样的产品，范围涵盖了家用电器、智能抄表、机器到机器(M2M)和农村宽带。

频谱分析仪就是Lime公司用于演示的一个应用。芯片中的接收器在上述频段上扫描并侦听所有频率，即时输出显示为频谱图。这个应用展示了FPRF芯片快速和动态改变的能力。军用系统制造商很快抓住了这个机会，正在致力于设计