【導(dǎo)讀】設(shè)計(jì)工程師一直研發(fā)先進(jìn)的航空航天系統(tǒng)設(shè)計(jì)和防務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要想滿足不同功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立系統(tǒng)的功能并非易事。本文為迎接設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)多功能集成的高性能、工作范圍寬的寬帶器件。
下一代航空航天與防務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師正被推進(jìn)到開發(fā)技術(shù)先進(jìn)、高度可配置系統(tǒng)的階段，需要整合各種不同的功能和需求，集成以前通過獨(dú)立系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。顯然，這樣做的好處是可以減少任務(wù)平臺(tái)需要支持的子系統(tǒng)數(shù)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(rèn)知和實(shí)時(shí)配置，其挑戰(zhàn)可謂令人怯步。然而，新一代高性能、寬帶器件為該挑戰(zhàn)提供了潛在解決方案，不僅支持各系統(tǒng)要求的高性能水平，而且工作范圍又非常寬，足以應(yīng)對(duì)多功能挑戰(zhàn)。
許多此類未來系統(tǒng)的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)完全由軟件確定的架構(gòu)，以便能夠動(dòng)態(tài)改變、在現(xiàn)場(chǎng)更新或在工廠配置實(shí)施方案和工作模式，無需或只需非常少的硬件更改。挑戰(zhàn)在于支持系統(tǒng)可能需要實(shí)現(xiàn)的工作模式的超集，這要求底層單一硬件能夠滿足所有可能需要的工作模式的技術(shù)規(guī)格。
在尋求合并功能的防務(wù)領(lǐng)域，此類系統(tǒng)的一個(gè)例子是雷達(dá)和通信平臺(tái)。許多情況下，這些系統(tǒng)需要支持多種傳統(tǒng)工作模式，但也在開始整合電子戰(zhàn)功能。雷達(dá)系統(tǒng)除多模式雷達(dá)外，還希望支持電子支援措施(ESM)；通信系統(tǒng)除多波形通信外，還希望實(shí)現(xiàn)信號(hào)情報(bào)(SIGINT)功能。
在這兩個(gè)例子中，系統(tǒng)均希望整合寬帶和窄帶功能，而這些功能在線性度、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(guī)格沒有商量的余地，為了達(dá)成首要目標(biāo)，設(shè)計(jì)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(dá)系統(tǒng)和一個(gè)電子情報(bào)系統(tǒng)(ELINT)。 雷達(dá)系統(tǒng)的工作頻率范圍通常相對(duì)較窄，典型值是8 GHz到12 GHz頻段內(nèi)的數(shù)百M(fèi)Hz。相比之下，ELINT系統(tǒng)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(shè)這兩個(gè)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)更寬的頻率范圍和覆蓋。對(duì)于本例，通常可以用信號(hào)鏈的線性度或功耗來換取帶寬。
若將相同的理念運(yùn)用于器件層面，則會(huì)觀察到同樣的問題。對(duì)于寬帶系統(tǒng)，器件至少有一個(gè)方面的性能會(huì)受到影響，例如線性度、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(shù)和功耗性能，但顯然這是以犧牲靈活性為代價(jià)來獲得的。
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(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多種系統(tǒng)規(guī)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)緩解未來系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的部分壓力。CMOS和硅鍺(SiGe)工藝以及其他方面的進(jìn)步，使得越來越多的數(shù)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(hào)處理能力還能提供校準(zhǔn)或數(shù)字補(bǔ)償功能，使得系統(tǒng)整體的性能水平更接近于對(duì)應(yīng)的窄帶系統(tǒng)，同時(shí)還能重新配置并利用更寬的帶寬來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(jī)架構(gòu)圖。
圖1. 可能的寬帶可再配置信號(hào)鏈
[page] 雖然在實(shí)際應(yīng)用中，上述架構(gòu)可能需要額外的濾波和增益級(jí)來實(shí)現(xiàn)具體規(guī)格要求，但底層器件的靈活性支持實(shí)現(xiàn)帶寬非常寬的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。 此外，可配置的數(shù)字信號(hào)處理功能支持信號(hào)鏈在需要時(shí)執(zhí)行更多窄帶功能。 更妙的是，系統(tǒng)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(shù)字信號(hào)處理電路一起支持更多認(rèn)知功能。
圖中所示信號(hào)鏈的前兩級(jí)——低噪聲放大器(LNA)和混頻器系采用GaAS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 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。 這些器件說明，工藝進(jìn)步使得單個(gè)器件就能滿足多種規(guī)格要求，而無需附加數(shù)字功能。 數(shù)字功能嵌入射頻器件的好處可以在信號(hào)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(dú)立集成的VCO內(nèi)核，能夠支持豐富多樣的操作。 每個(gè)內(nèi)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(nèi)部集成的數(shù)字校準(zhǔn)邏輯自動(dòng)選擇正確的VCO和頻段。 該器件使得信號(hào)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(hào)鏈還能維持更多窄帶系統(tǒng)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(qū)動(dòng)器提供寬帶性能和出色的線性度。 利用SPI和嵌入式數(shù)字控制，它在500 MHz時(shí)實(shí)現(xiàn)了90 dBc的IMD3性能，1.5 GHz時(shí)為–87 dBc。 器件集成數(shù)字控制，支持增益控制和快速啟動(dòng)選項(xiàng)，使得器件可以根據(jù)需要進(jìn)行配置，最佳地發(fā)揮系統(tǒng)性能。 快速啟動(dòng)還能提高系統(tǒng)的靈活性，因?yàn)楫?dāng)FA引腳被驅(qū)動(dòng)時(shí)（通常由ADC的超范圍檢測(cè)輸出驅(qū)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(hào)鏈中的最后一個(gè)器件是AD9680，它是最新高速轉(zhuǎn)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(dá)1 GSPS的采樣速率。 使用更高采樣速率和GSPS轉(zhuǎn)換器的帶寬時(shí)，AD9680有能力以超過1 GHz的頻率對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行欠采樣。 這與將系統(tǒng)數(shù)字轉(zhuǎn)換點(diǎn)移近天線并提高系統(tǒng)靈活性的持續(xù)趨勢(shì)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(shù)字下變頻(DDC)信號(hào)處理，輸出帶寬可定制。
AD9680 ADC具有數(shù)字信號(hào)處理配置能力，既支持寬帶監(jiān)控，又支持窄帶功能。當(dāng)禁用并旁路集成的DDC時(shí)，它能支持500 MHz以上的瞬時(shí)監(jiān)控帶寬。使用DDC時(shí)，數(shù)字?jǐn)?shù)控振蕩器(NCO)可設(shè)置為將窄帶中頻信號(hào)數(shù)字混頻至基帶，然后由可配置的抽取濾波器降低數(shù)據(jù)速率；當(dāng)器件以最大ADC采樣速率工作時(shí)，輸出數(shù)據(jù)帶寬可降低至60 MHz。數(shù)字信號(hào)處理不僅可改善較低帶寬下的系統(tǒng)SNR，還能提供可配置寬帶和窄帶信號(hào)鏈所需的靈活性。
雖然本例關(guān)注的是接收機(jī)路徑，但類似的器件和集成度也適用于發(fā)射機(jī)。新型DAC集成高度可配置的插值濾波器和數(shù)字上變頻功能，可與類似以上所述的寬帶射頻和微波器件一起使用。
上例說明了新一代寬帶器件如何集成越來越多的數(shù)字信號(hào)處理和功能，以及這如何使未來系統(tǒng)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法共存的觀點(diǎn)相矛盾。應(yīng)當(dāng)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(yán)重影響實(shí)際的設(shè)計(jì)選擇和信號(hào)鏈架構(gòu)。然而，隨著更高性能寬帶器件的增多，以及信號(hào)處理能力的增強(qiáng)，未來高度可配置、具認(rèn)知能力且由軟件定義的系統(tǒng)看起來前景廣闊。
最后再舉一例以便更好地闡明觀點(diǎn)，AD9361等集成射頻IC器件實(shí)現(xiàn)的集成度幾乎達(dá)到極致，進(jìn)一步證明數(shù)字和模擬功能之間的界限越來越模糊。 AD9361采用直接變頻架構(gòu)，集成了數(shù)字濾波和校準(zhǔn)功能，高度靈活，支持70 MHz至6 GHz的射頻輸入頻率和高達(dá)56 MHz的帶寬。
AD9361的配置能力支持廣泛的應(yīng)用，包括雷達(dá)、通信、數(shù)據(jù)鏈路、電子監(jiān)控和電子戰(zhàn)。 利用數(shù)字校準(zhǔn)和處理，該器件能夠克服直接變頻系統(tǒng)的許多典型問題，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(rèn)知和多功能系統(tǒng)。
以前，如此高的集成度和性能是不可想象的。 此外，由于無法克服隨頻率和溫度的鏡像抑制等限制因素，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不得不避開直接變頻架構(gòu)。 數(shù)字和模擬功能的更高耦合度，以及現(xiàn)在的器件中集成的高級(jí)校準(zhǔn)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)顯著影響性能和功耗。 雖然使用由分立器件構(gòu)成的窄帶專用信號(hào)鏈仍能獲得更好的性能，但差距已然在縮小。
軟件定義系統(tǒng)的終極目標(biāo)是一個(gè)射頻和微波信號(hào)鏈適合所有應(yīng)用，理想情況是收發(fā)器等單個(gè)器件可支持多功能和認(rèn)知應(yīng)用。 實(shí)際上，所有系統(tǒng)離這個(gè)目標(biāo)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(dǎo)體器件集成的功能越來越多，我們離目標(biāo)已越來越接近。 除了改善傳統(tǒng)的射頻性能以外，數(shù)字信號(hào)處理還能緩解和克服某些多模式挑戰(zhàn)。 可能要不了多長(zhǎng)時(shí)間，采用單個(gè)器件或級(jí)聯(lián)寬帶器件的單一解決方案就能滿足所有應(yīng)用需求，軟件定義系統(tǒng)最終夢(mèng)想成真。
相關(guān)閱讀：
方案精講：射頻無線門禁系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
PCB設(shè)計(jì)指南：關(guān)于射頻走線和地的那些事
技術(shù)分享：DDS技術(shù)萌生射頻信號(hào)干擾器
