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摘 要： 当今的LTE移动通信系统标准为全球市场分配了不同制式和频段，LTE手机要做到真正的全球覆盖，需要约40种以上不同的组合。射频工程师为避免受限于单一市场，将射频芯片设计成可编程的，这种技术称为现场可编程射频芯片，简称FPRF。LMS7002M是Lime Microsystems公司新一代FPRF芯片，在宽带无线通信、软件无线电（SDR）、认知无线电、无人机（UAV）领域具有很好的应用前景
关键词： FPRF
【中图分类号】 TP391 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2017）17-0038-02
1. 现场可编程射频芯片结构。
图一显示了FPRF的主要部分，FPRF发送器将数字化的数据流转换成无线信号。接收器则执行相反的操作，这与非FPRF芯片相同，但是FPRF具有可编程射频频率（可编程PLL）、可编程增益和可编程带宽的功能。
LMS7002M是Lime Microsystems公司新一代FPRF芯片，具有以下特點[1]：
现场可编程无线电频率（FPRF）芯片
具有双收发器理想的MIMO
用户可在线编程
连续覆盖100千赫- 3.8千兆赫射频频率范围
片上集成12位D/A转换器和A/D转换器
可编程射频调制带宽，模拟接口支持高达160M的射频带宽， 数字接口支持高达96M的带宽
支持TDD和全双工FDD
数字IQ接， 兼容JEDEC JESD207 TDD和FDD标准
数字信号处理器实现高级处理技术以增强性能
单芯片支持2x2 MIMO，可以使用多个芯片实现高阶MIMO，具有射频校准功能
全差分基带信号，模拟IQ调制，极少的外部器件，
低电压操作，包括1.25V、1.4V和1.8V的LDO，仅需1.8V单电源电压
片上集成微控制器，可用于校准、调整和控制
集成时钟锁相环可生成灵活的时钟配置
可用户自定义模拟和数字滤波器
具有射频和基带接收信号强度指示器（RSSI），片上集成温度传感器
261针AQFN 11.5x11.5毫米封装，ADC/TSP可选powerdown功能，串口接口与基带处理器相连
低功耗、全2x2 MIMO模式典型功耗880mw（SISO 模式典型功耗550mw）
多种旁路模式以获得更大的灵活性
LMS7002M功能图[1]如下：
2. 发送
在发送路径中，从基带处理器来的I/Q数据采样，通过数字接口输入到LMS7002芯片，数字接口实现了JESD2007模式和I/Q多路复用的模式，在JESD2007模式下采用的DDR（Double Data Rate）传输方式，在I/Q多路复用的模式下采用SDR（Single Data Rate）的传输方式，I/Q数据采样通过数字收发信号处理器进行预处理，通过预处理以减小模拟和射频的失真，数据通过片上数模转换器（DAC）转换成模拟信号，用户可选旁路片上DAC和TSP，从而实现将外部模拟信号通过TXIN直接注入到LMS7002，之后信号进行低通滤波（TXLPF）。滤波器（TXLPF）的通带可由用户编程，可选范围从1.5MHz至28MHz多达16种带宽。滤波将信号限制到所需要的设计带宽，并衰减掉带外噪声或来自DAC的混叠信号[2]。通过发送滤波器（TXLPF），信号提升约6dB，随后的可编程基带放大电路提供最高达31dB、增量为1dB的增益。然后信号经混频后直接射频输出（零中频）。射频增益（TXPAD）提供功率放大。发送功率无需进一步放大就可以进行短距离（数十米）的通信。当然用户也可选用外部放大电路增加通信距离。
3. 接收
在接收端，每一个输入分别提供三个窄带或宽带工作的专用LNA。每个端口射频信号首先由可编程低噪声放大器放大（RXLNA）。射频信号进行混合接收锁相环（RXPLL）输出直接向下转换为基带。AGC步骤可以由基带跨阻抗放大器实现（RXTIA），然后经过可编程的通道选择/抗混叠滤波器（RXLPF）。接收的IQ信号由可编程的增益放大器RXPGA进一步放大。消除直流偏移应用于RXTIA的输入端以防止饱和失真并保持接收ADC的动态范围。之后模拟接收IQ信号通过接收ADC芯片被转换为数字信号。用户可选旁路片上ADC和TSP，通过闭合RXOUT开关，实现将片内模拟信号通过RXOUT管脚直接输出到LMS7002片外，若没有使用旁路，收发信号处理器（TSP）进一步处理信号，然后通过数字IQ接口提供给基带处理。
LMS7002M提供三种不同的低噪声放大器（LNA）选项。通用的宽带输入电路（RXLNAW）用于处理频谱从300MHz至3.8GHz的射频输入信号。考虑到性能优化，RXLNAL针对300MHz至2.8GHz的信号进行了性能优化，而RXLNAH针对1.5GHz至3.8GHz的信号进行了性能优化。
4. PLL
收发混频器使用不同的PLL时钟输入，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并提供上变频功能。相应的接收PLL合成器采用相同的方式为接收端提供直接下变频功能。
5. 回环
LMS7002M提供射频环回选择Switch使TXOUT射频信号反馈到RX混频器的输入端，以便实现基带进行校准和测试的目的。射频环回信号通过环回放大放大器，以增加环路的动态范围。
有两个额外的循环回选项实现，一个是模拟基带（BB）回环，另一个是数字环回（DLB）。通过将发送端的TX BB LPF与接收端的TX BB LPF相连的，模拟回路可以测试模拟通路，而DLB可以用来验证LMS7002M连接基带，FPGA，DSP或任何其他数字电路。
6. 配置
收发各个功能单元都是通过标准的SPI接口访问控制逻辑实现配置。一方面每个单元通过加载字（16位）进行静态配置编程，另一方面，通过配套软件也可以对复杂的应用实现在线参数修改。配置是用简单的图形用户界面完成的，用户通过界面可以灵活的控制上述功能，此外用户也可以进行回环测试和其他测试。
参考文献
[1] LMS7002M_Data_Sheet_v3.1r00
[2] 软件无线电原理与应用（第二版）
关键词： FPRF
【中图分类号】 TP391 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2017）17-0038-02
1. 现场可编程射频芯片结构。
图一显示了FPRF的主要部分，FPRF发送器将数字化的数据流转换成无线信号。接收器则执行相反的操作，这与非FPRF芯片相同，但是FPRF具有可编程射频频率（可编程PLL）、可编程增益和可编程带宽的功能。
LMS7002M是Lime Microsystems公司新一代FPRF芯片，具有以下特點[1]：
现场可编程无线电频率（FPRF）芯片
具有双收发器理想的MIMO
用户可在线编程
连续覆盖100千赫- 3.8千兆赫射频频率范围
片上集成12位D/A转换器和A/D转换器
可编程射频调制带宽，模拟接口支持高达160M的射频带宽， 数字接口支持高达96M的带宽
支持TDD和全双工FDD
数字IQ接， 兼容JEDEC JESD207 TDD和FDD标准
数字信号处理器实现高级处理技术以增强性能
单芯片支持2x2 MIMO，可以使用多个芯片实现高阶MIMO，具有射频校准功能
全差分基带信号，模拟IQ调制，极少的外部器件，
低电压操作，包括1.25V、1.4V和1.8V的LDO，仅需1.8V单电源电压
片上集成微控制器，可用于校准、调整和控制
集成时钟锁相环可生成灵活的时钟配置
可用户自定义模拟和数字滤波器
具有射频和基带接收信号强度指示器（RSSI），片上集成温度传感器
261针AQFN 11.5x11.5毫米封装，ADC/TSP可选powerdown功能，串口接口与基带处理器相连
低功耗、全2x2 MIMO模式典型功耗880mw（SISO 模式典型功耗550mw）
多种旁路模式以获得更大的灵活性
LMS7002M功能图[1]如下：
2. 发送
在发送路径中，从基带处理器来的I/Q数据采样，通过数字接口输入到LMS7002芯片，数字接口实现了JESD2007模式和I/Q多路复用的模式，在JESD2007模式下采用的DDR（Double Data Rate）传输方式，在I/Q多路复用的模式下采用SDR（Single Data Rate）的传输方式，I/Q数据采样通过数字收发信号处理器进行预处理，通过预处理以减小模拟和射频的失真，数据通过片上数模转换器（DAC）转换成模拟信号，用户可选旁路片上DAC和TSP，从而实现将外部模拟信号通过TXIN直接注入到LMS7002，之后信号进行低通滤波（TXLPF）。滤波器（TXLPF）的通带可由用户编程，可选范围从1.5MHz至28MHz多达16种带宽。滤波将信号限制到所需要的设计带宽，并衰减掉带外噪声或来自DAC的混叠信号[2]。通过发送滤波器（TXLPF），信号提升约6dB，随后的可编程基带放大电路提供最高达31dB、增量为1dB的增益。然后信号经混频后直接射频输出（零中频）。射频增益（TXPAD）提供功率放大。发送功率无需进一步放大就可以进行短距离（数十米）的通信。当然用户也可选用外部放大电路增加通信距离。
3. 接收
在接收端，每一个输入分别提供三个窄带或宽带工作的专用LNA。每个端口射频信号首先由可编程低噪声放大器放大（RXLNA）。射频信号进行混合接收锁相环（RXPLL）输出直接向下转换为基带。AGC步骤可以由基带跨阻抗放大器实现（RXTIA），然后经过可编程的通道选择/抗混叠滤波器（RXLPF）。接收的IQ信号由可编程的增益放大器RXPGA进一步放大。消除直流偏移应用于RXTIA的输入端以防止饱和失真并保持接收ADC的动态范围。之后模拟接收IQ信号通过接收ADC芯片被转换为数字信号。用户可选旁路片上ADC和TSP，通过闭合RXOUT开关，实现将片内模拟信号通过RXOUT管脚直接输出到LMS7002片外，若没有使用旁路，收发信号处理器（TSP）进一步处理信号，然后通过数字IQ接口提供给基带处理。
LMS7002M提供三种不同的低噪声放大器（LNA）选项。通用的宽带输入电路（RXLNAW）用于处理频谱从300MHz至3.8GHz的射频输入信号。考虑到性能优化，RXLNAL针对300MHz至2.8GHz的信号进行了性能优化，而RXLNAH针对1.5GHz至3.8GHz的信号进行了性能优化。
4. PLL
收发混频器使用不同的PLL时钟输入，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并提供上变频功能。相应的接收PLL合成器采用相同的方式为接收端提供直接下变频功能。
5. 回环
LMS7002M提供射频环回选择Switch使TXOUT射频信号反馈到RX混频器的输入端，以便实现基带进行校准和测试的目的。射频环回信号通过环回放大放大器，以增加环路的动态范围。
有两个额外的循环回选项实现，一个是模拟基带（BB）回环，另一个是数字环回（DLB）。通过将发送端的TX BB LPF与接收端的TX BB LPF相连的，模拟回路可以测试模拟通路，而DLB可以用来验证LMS7002M连接基带，FPGA，DSP或任何其他数字电路。
6. 配置
收发各个功能单元都是通过标准的SPI接口访问控制逻辑实现配置。一方面每个单元通过加载字（16位）进行静态配置编程，另一方面，通过配套软件也可以对复杂的应用实现在线参数修改。配置是用简单的图形用户界面完成的，用户通过界面可以灵活的控制上述功能，此外用户也可以进行回环测试和其他测试。
参考文献
[1] LMS7002M_Data_Sheet_v3.1r00
[2] 软件无线电原理与应用（第二版）