AFE8092天线校正功能配置方法

作者：Jason Ren

RF Transceiver芯片的集成度越来越高，AAU的射频链路的功能前移。AFE8092是TI高性能，大带宽的多通道射频收发器件，已经大规模在5G Massive MIMO射频TRX板上成功商用。它包括了8个发射通道，8个接收通道，2个反馈通道，所有通道均为射频直采架构。各个射频链路的大带宽，高性能使得AFE8092适用于大部分4G/5G基站TRX射频板应用场景。

如图1所示，AFE8092的接收（RX）链路包含了4Gsps直采ADC，包含了DSA(Digital Step Attenuator)。每个接收通道数字部分包含功率监测，可以支持内部或外部的AGC控制，同时也包含RF overload功率监测，保证可靠性。发射(TX)链路包含了最高支持到12Gsps的射频直采DAC，包含DSA。也集成了功放保护(PAP)功能，防止突发大信号导致功放烧毁。同时，AFE8092支持的信号频率非常宽，可支持所有Sub 6GHz和部分高频应用。

图1 AFE8092内部模块架构框图

在5G Massive MIMO应用中，会存在下行的波束赋形及上行基于DOA(Direction of Arrival)估计的上行波束形成，这两种算法要求从基带到天线的增益及相位非常精确。但是，MIMO系统中，存在着由阵子位置、方向图等带来的增益/相位非时变误差，以及由温度、器件老化等因素带来的时变误差。因此，MIMO系统会在GP(Guard Period)时隙对上下行链路的增益及相位做周期性的校正。

一般来说，在MIMO系统中天线校正功能的硬件连接都可以抽象为图2的结构。这里举个简单的例子：在对下行链路的增益和相位进行校正时，此时打开作为校正通道的RX链路，被校正的TX通道开始发射位于工作频点的校正信号，经由信号链路和校正网络进入校正通道，也就是RX通道，不同被校正通道发射的信号相位/频率不同，以便校正通道进行通道区分；对上行链路的增益和相位进行校正的过程和下行链路完全相反，打开作为校正通道的单个TX链路，由该链路发校正信号，由被校正的接收通道进行接收，该信号频率在RX通道频点上，以便对RX通道特性进行采集。如上的两个发射/接收校正信号行为会让系统得到链路增益/相位信息，因此可以在基带进行补偿。

图2 MIMO系统天线校正硬件单通道示意图

从上面对天线校正的简要介绍中可以看到，在天线校正过程中，是存在着业务通道临时切换成校正通道的过程的。举个例子，在正常业务场景下，TX Calibrate CH(RX0)作为业务通道，对来自天线的业务信号进行采样并送到基带进行处理。此时的DSA值在设计时未知，可能为默认值，也可能为其它的DSA值(被大信号触发了AGC)，此时的接收NCO为1.8GHz。

一旦开始进行下行通道校正，该通道会作为校正通道接收来自其它发射通道发出的校正信号。此时我们希望预设一个DSA值，只有已知增益的校正链路才能用来作为整个校正系统的锚点。同时，在FDD系统中，上下行的中心频点是不一致的，我们假设这里的下行中心频点为1.9GHz，为了得到下行链路的特定频率特性，则被校正通道发射的校正信号需要落在1.9GHz，则此时要求校正通道将NCO切换到1.9GHz。

可以看到，在进行天线校正中，系统对Transceiver有4点需求：1. 使用外部触发控制Transceiver的TX/RX通道进行DSA切换；2. 使用外部触发控制Transceiver的TX/RX通道进行NCO切换；进行上面两个操作时，关闭特定射频通道进行节能；4. 使用外部触发恢复Transceiver被切换的DSA/NCO。

AFE80xx使用单个GPIO实现了DSA及NCO快速切换功能。AFE80xx使用TX_AC_EN和RX_AC_EN两个GPIO分别实现了上下行AC校正功能。下面举个例子对该功能进行说明，例子内涉及的API在后面进行细节说明。

器件初始化，下行DSA=0db, NCO=1.9G;上行DSA=3dB, NCO=1.8G。系统约定使用RX0通道作为下行校正通道，使用TX0通道作为上行校正通道。

对下行通道进行校准配置：

1.使用TI封装的API预设校准时需要切换的RX0 DSA=6dB, 对应的API为setRxDsaGainSwap(0,0x1, 0, 12).

2.使用TI封装的API预设校准时需要切换的RX0 NCO=1.9GHz，对应的API为updateRxNco(0,0x1, 0,1, 1900000,0).

3.使用以下三个API将TX_AC_EN的GPIO动作映射到特定通道动作上去：

CAFE.rxCalibrationTddEn(0,1)
CAFE.overrideRxGsw(0,0xfe,0,0)
CAFE.overrideRxNcoSel(0,0xfe,0,0)

对上行通道进行校准配置：

1.使用TI封装的API预设校准时需要切换的TX0 DSA=6dB, 对应的API为setTxDsaGainSwap(0,0x1, 0, 24).

2.使用TI封装的API预设校准时需要切换的TX0 NCO=1.8GHz，对应的API为updateTxNco(0,0x1, 0,1, 1800000,0).

3.使用以下三个API将RX_AC_EN的GPIO动作映射到特定通道动作上去：

CAFE.txCalibrationTddEn(0,1)
CAFE.overrideTxGsw(0,0xfe,0,0)
CAFE.overrideTxNcoSel(0,0xfe,0,0)

• 触发下行通道校准动作：

FPGA将TX_AC_EN拉高。此时，除了RX0以外的所有RX通道全部关闭，RX0的DSA被设置为6dB，NCO被设置为1.9GHz。

• 通道状态恢复为正常状态：

FPGA将TX_AC_EN拉低，RX0通道恢复为原始状态。

• 触发上行通道校准动作：

FPGA将RX_AC_EN拉高。此时，除了TX0以外的所有TX通道全部关闭，TX0的DSA被设置为6dB，NCO被设置为1.9GHz。

• 通道状态恢复为正常状态：

FPGA将RX_AC_EN拉低，TX0通道恢复为原始状态。

为了给客户提供更普适的配置方法，客户可以自行在初始化静态脚本中进行校正模式的配置，或者参考以下对API的说明，灵活进行配置。下表内进行说明的变量，用户可自行修改，不进行说明的变量，不建议用户自行修改。

表1. AC校正相关API注释说明

除了上文中提到的NCO和DSA值配置，在进行系统设计时，设计者也需要考虑其它通道和校正通道开关状态的配合。如下图所示，在进行下行天线校正时，我们需要确保几组通道的开关状态如下：

图3 天线校正通道时隙关系示意图

• TX通道开关：全部打开，需要下行通道发射训练序列进行硬件通道特性获取
• RX通道开关：全部打开，该通道开关仲裁优先级排在校正PIN以下。
• FB通道开关：全部关闭，在AFE8092器件里，RX和FB通道开关状态互斥，关闭FB通道，防止RX无法打开。
• AC PIN： 控制校正动作的TX_AC_EN在启用天线校正的时刻拉高。

在进行上行天线校正时，通道逻辑和下行校正类似，在此不再赘述。