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下一代航空航天與防務(wù)系統設計工程師正被推進(jìn)到開(kāi)發(fā)技術(shù)先進(jìn)、高度可配置系統的階段，需要整合各種不同的功能和需求，集成以前通過(guò)獨立系統實(shí)現的功能。顯然，這樣做的好處是可以減少任務(wù)平臺需要支持的子系統數量，降低整體尺寸、重量和功耗(SWaP)，但由于還需要進(jìn)一步支持認知和實(shí)時(shí)配置，其挑戰可謂令人怯步。然而，新一代高性能、寬帶器件為該挑戰提供了潛在解決方案，不僅支持各系統要求的高性能水平，而且工作范圍又非常寬，足以應對多功能挑戰。 許多此類(lèi)未來(lái)系統的終極目標是實(shí)現完全由軟件確定的架構，以便能夠動(dòng)態(tài)改變、在現場(chǎng)更新或在工廠(chǎng)配置實(shí)施方案和工作模式，無(wú)需或只需非常少的硬件更改。挑戰在于支持系統可能需要實(shí)現的工作模式的超集，這要求底層單一硬件能夠滿(mǎn)足所有可能需要的工作模式的技術(shù)規格。 在尋求合并功能的防務(wù)領(lǐng)域，此類(lèi)系統的一個(gè)例子是雷達和通信平臺。許多情況下，這些系統需要支持多種傳統工作模式，但也在開(kāi)始整合電子戰功能。雷達系統除多模式雷達外，還希望支持電子支援措施(ESM)；通信系統除多波形通信外，還希望實(shí)現信號情報(SIGINT)功能。 在這兩個(gè)例子中，系統均希望整合寬帶和窄帶功能，而這些功能在線(xiàn)性度、動(dòng)態(tài)范圍和其他要求方面通常大相徑庭。 如果技術(shù)規格沒(méi)有商量的余地，為了達成首要目標，設計人員可能不得不在功耗或尺寸上作出讓步。 例如，考慮一個(gè)X波段雷達系統和一個(gè)電子情報系統(ELINT)。 雷達系統的工作頻率范圍通常相對較窄，典型值是8 GHz到12 GHz頻段內的數百MHz。相比之下，ELINT系統的工作頻率范圍通常是2 GHz到18 GHz，涵蓋所有S、C和X波段。如果假設這兩個(gè)實(shí)現方案的尺寸必須相同，那么可能需要在性能上作出讓步以支持ELINT系統更寬的頻率范圍和覆蓋。對于本例，通�？梢杂眯盘栨湹木�(xiàn)性度或功耗來(lái)?yè)Q取帶寬。 若將相同的理念運用于器件層面，則會(huì )觀(guān)察到同樣的問(wèn)題。對于寬帶系統，器件至少有一個(gè)方面的性能會(huì )受到影響，例如線(xiàn)性度、噪聲性能或功耗等。下面的表1顯示了集成壓控振蕩器(VCO)的寬帶和窄帶鎖相環(huán)(PLL)的典型性能折中。 可以看到，窄帶器件具有更好的典型相位噪聲、品質(zhì)因數和功耗性能，但顯然這是以犧牲靈活性為代價(jià)來(lái)獲得的。 表1. 集成VCO的典型寬帶和窄帶PLL的性能比較 雖然在單個(gè)系統中實(shí)現多種系統規格時(shí)，總會(huì )有一些折中和讓步，但下一代射頻和微波器件以及高速ADC將會(huì )緩解未來(lái)系統設計師的部分壓力。CMOS和硅鍺(SiGe)工藝以及其他方面的進(jìn)步，使得越來(lái)越多的數字功能可以被集成到新一代器件中。 除了靈活多變以外，先進(jìn)的信號處理能力還能提供校準或數字補償功能，使得系統整體的性能水平更接近于對應的窄帶系統，同時(shí)還能重新配置并利用更寬的帶寬來(lái)支持所需的工作模式。 圖1所示為一個(gè)基于多種最新射頻和微波器件的通用寬帶接收機架構圖。 圖1. 可能的寬帶可再配置信號鏈 雖然在實(shí)際應用中，上述架構可能需要額外的濾波和增益級來(lái)實(shí)現具體規格要求，但底層器件的靈活性支持實(shí)現帶寬非常寬的監控系統架構。 此外，可配置的數字信號處理功能支持信號鏈在需要時(shí)執行更多窄帶功能。 更妙的是，系統還能動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地變更工作模式，從而有望與下游的其他數字信號處理電路一起支持更多認知功能。 圖中所示信號鏈的前兩級——低噪聲放大器(LNA)和混頻器系采用GaAS技術(shù)實(shí)現。 雖然寬帶SiGe混頻器已取得進(jìn)步，但前端器件最好還是使用GaAs和GaN器件。 兩種情況下，HMC1049和HMC1048都能提供非常寬范圍的性能和出色的IP3，支持窄帶和寬帶操作。 這些器件說(shuō)明，工藝進(jìn)步使得單個(gè)器件就能滿(mǎn)足多種規格要求，而無(wú)需附加數字功能。 數字功能嵌入射頻器件的好處可以在信號鏈的其他元件中看到。 新型PLL ADF5355集成VCO，支持54 MHz至13.6 GHz的射頻輸出，并提供寬范圍的合成器頻率以供使用。 該器件基于SiGe工藝，采用四個(gè)獨立集成的VCO內核，能夠支持豐富多樣的操作。 每個(gè)內核使用256個(gè)交疊頻段，使得器件能夠覆蓋很寬的頻率范圍而無(wú)需很高的VCO靈敏度，相位噪聲和雜散性能亦不受影響。 器件內部集成的數字校準邏輯自動(dòng)選擇正確的VCO和頻段。 該器件使得信號鏈既能支持54 MHz至13.6 GHz的射頻掃描，也能視需要支持固定頻率。 同時(shí)，信號鏈還能維持更多窄帶系統操作所需的高性能水平，1 MHz偏移時(shí)的典型相位噪聲為–138 dBc/Hz。 ADA4961 ADC驅動(dòng)器提供寬帶性能和出色的線(xiàn)性度。 利用SPI和嵌入式數字控制，它在500 MHz時(shí)實(shí)現了90 dBc的IMD3性能，1.5 GHz時(shí)為–87 dBc。 器件集成數字控制，支持增益控制和快速啟動(dòng)選項，使得器件可以根據需要進(jìn)行配置，最佳地發(fā)揮系統性能。 快速啟動(dòng)還能提高系統的靈活性，因為當FA引腳被驅動(dòng)時(shí)（通常由ADC的超范圍檢測輸出驅動(dòng)），它能迅速降低增益，使得ADC不會(huì )進(jìn)入飽和狀態(tài)。 信號鏈中的最后一個(gè)器件是AD9680，它是最新高速轉換器之一。該器件基于65 nm CMOS工藝，在14位分辨率時(shí)支持高達1 GSPS的采樣速率。 使用更高采樣速率和GSPS轉換器的帶寬時(shí)，AD9680有能力以超過(guò)1 GHz的頻率對中頻信號進(jìn)行欠采樣。 這與將系統數字轉換點(diǎn)移近天線(xiàn)并提高系統靈活性的持續趨勢是一致的。 該器件不僅提供業(yè)界領(lǐng)先的SFDR和SNR性能，而且集成了數字下變頻(DDC)信號處理，輸出帶寬可定制。 AD9680 ADC具有數字信號處理配置能力，既支持寬帶監控，又支持窄帶功能。當禁用并旁路集成的DDC時(shí)，它能支持500 MHz以上的瞬時(shí)監控帶寬。使用DDC時(shí)，數字數控振蕩器(NCO)可設置為將窄帶中頻信號數字混頻至基帶，然后由可配置的抽取濾波器降低數據速率；當器件以最大ADC采樣速率工作時(shí)，輸出數據帶寬可降低至60 MHz。數字信號處理不僅可改善較低帶寬下的系統SNR，還能提供可配置寬帶和窄帶信號鏈所需的靈活性。 雖然本例關(guān)注的是接收機路徑，但類(lèi)似的器件和集成度也適用于發(fā)射機。新型DAC集成高度可配置的插值濾波器和數字上變頻功能，可與類(lèi)似以上所述的寬帶射頻和微波器件一起使用。 上例說(shuō)明了新一代寬帶器件如何集成越來(lái)越多的數字信號處理和功能，以及這如何使未來(lái)系統具有動(dòng)態(tài)配置能力，從而以前所未有的性能水平支持多模式工作。這與窄帶和寬帶操作無(wú)法共存的觀(guān)點(diǎn)相矛盾。應當注意，以上簡(jiǎn)單的分析并未涉及某些濾波難題或功耗分析。這些因素可能會(huì )嚴重影響實(shí)際的設計選擇和信號鏈架構。然而，隨著(zhù)更高性能寬帶器件的增多，以及信號處理能力的增強，未來(lái)高度可配置、具認知能力且由軟件定義的系統看起來(lái)前景廣闊。 最后再舉一例以便更好地闡明觀(guān)點(diǎn)，AD9361等集成射頻IC器件實(shí)現的集成度幾乎達到極致，進(jìn)一步證明數字和模擬功能之間的界限越來(lái)越模糊。 AD9361采用直接變頻架構，集成了數字濾波和校準功能，高度靈活，支持70 MHz至6 GHz的射頻輸入頻率和高達56 MHz的帶寬。 AD9361的配置能力支持廣泛的應用，包括雷達、通信、數據鏈路、電子監控和電子戰。 利用數字校準和處理，該器件能夠克服直接變頻系統的許多典型問(wèn)題，并提供前所未有的集成度和配置能力，從而進(jìn)一步支持認知和多功能系統。 以前，如此高的集成度和性能是不可想象的。 此外，由于無(wú)法克服隨頻率和溫度的鏡像抑制等限制因素，許多系統設計師不得不避開(kāi)直接變頻架構。 數字和模擬功能的更高耦合度，以及現在的器件中集成的高級校準和處理功能，提供了解決之道，在提高靈活性的同時(shí)而不會(huì )顯著(zhù)影響性能和功耗。 雖然使用由分立器件構成的窄帶專(zhuān)用信號鏈仍能獲得更好的性能，但差距已然在縮小。 軟件定義系統的終極目標是一個(gè)射頻和微波信號鏈適合所有應用，理想情況是收發(fā)器等單個(gè)器件可支持多功能和認知應用。 實(shí)際上，所有系統離這個(gè)目標可能都有一段距離，但最新的發(fā)展和進(jìn)步使得各種新半導體器件集成的功能越來(lái)越多，我們離目標已越來(lái)越接近。 除了改善傳統的射頻性能以外，數字信號處理還能緩解和克服某些多模式挑戰。 可能要不了多長(cháng)時(shí)間，采用單個(gè)器件或級聯(lián)寬帶器件的單一解決方案就能滿(mǎn)足所有應用需求，軟件定義系統最終夢(mèng)想成真。 |
