下一代航空航天和國(guó)防系統(tǒng)的多功能設(shè)計(jì)

下一代航空航天和國(guó)防系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在被推動(dòng)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的、高度可配置的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)結(jié)合了一系列功能和要求，集成了歷史上由獨(dú)立系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。顯然，這樣做的好處是減少了任何任務(wù)平臺(tái)需要支持的子系統(tǒng)的數(shù)量，降低了整體尺寸、重量和功耗（SWaP），但隨著進(jìn)一步需要支持認(rèn)知和實(shí)時(shí)可配置性，挑戰(zhàn)似乎令人生畏。然而，新一代高性能寬帶組件有可能為這一挑戰(zhàn)提供解決方案，支持每個(gè)系統(tǒng)所需的高性能水平，但具有足夠廣泛的工作范圍來(lái)應(yīng)對(duì)多功能挑戰(zhàn)。

許多這些未來(lái)系統(tǒng)的最終目標(biāo)是完全由軟件決定的架構(gòu)。這允許動(dòng)態(tài)更改實(shí)施和操作模式，在現(xiàn)場(chǎng)更新，或在出廠時(shí)配置無(wú)硬件更改或非常小的硬件更改。挑戰(zhàn)在于支持系統(tǒng)可能需要啟用的操作模式的超集。這要求底層單個(gè)硬件能夠滿足可能需要的所有可能操作模式的規(guī)格。

國(guó)防世界中希望結(jié)合功能的此類(lèi)系統(tǒng)的一個(gè)例子是雷達(dá)和通信平臺(tái)。在許多情況下，這些系統(tǒng)希望支持多模式的傳統(tǒng)操作，但它們也開(kāi)始整合電子戰(zhàn)功能。雷達(dá)系統(tǒng)希望支持電子支持措施（ESM），通信系統(tǒng)希望分別實(shí)現(xiàn)信號(hào)情報(bào)（SIGINT）功能，以及多模雷達(dá)和多波形通信。

在這兩個(gè)示例中，系統(tǒng)都希望整合寬帶和窄帶功能，這些功能通常會(huì)推動(dòng)線性度和動(dòng)態(tài)范圍等方面的非常不同的要求。為了實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)，如果對(duì)規(guī)格的妥協(xié)是不可接受的，設(shè)計(jì)人員可能不得不權(quán)衡功率或尺寸。例如，考慮X波段雷達(dá)系統(tǒng)和電子情報(bào)系統(tǒng)（ELINT）。雷達(dá)系統(tǒng)通常在相對(duì)較窄的頻率范圍內(nèi)工作，通常在8 GHz至12 GHz頻段內(nèi)為數(shù)百M(fèi)Hz。相比之下，ELINT系統(tǒng)通常需要在2 GHz至18 GHz范圍內(nèi)工作，覆蓋所有S，C和X頻段。如果假設(shè)兩種實(shí)現(xiàn)必須具有相同的大小，則可能需要對(duì)性能做出妥協(xié)，以支持ELINT系統(tǒng)的更寬頻率范圍和覆蓋范圍。通常，在這種情況下，信號(hào)鏈的線性度或功耗可以用帶寬來(lái)?yè)Q取。

如果將相同的概念簡(jiǎn)化到組件級(jí)別，則會(huì)觀察到相同的問(wèn)題。對(duì)于寬帶或?qū)拵到y(tǒng)，通常至少在一個(gè)維度上犧牲組件的性能，無(wú)論是線性度、噪聲性能還是功率。表1顯示了帶有集成壓控振蕩器（VCO）的寬帶和窄帶鎖相環(huán)（PLL）的典型性能權(quán)衡。如圖所示，窄帶器件具有更好的典型相位噪聲、品質(zhì)因數(shù)和功耗，但顯然這是以犧牲靈活性為代價(jià)的。

表 1.典型寬帶和窄帶PLL與集成VCO的比較

雖然在單個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)規(guī)格時(shí)總會(huì)有一些權(quán)衡和妥協(xié)，但下一代RF和微波組件以及高速ADC將為未來(lái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供一些緩解。CMOS和硅鍺（SiGe）工藝等方面的進(jìn)步使數(shù)字功能得以顯著增加，并被整合到下一代設(shè)備中。除了靈活性外，先進(jìn)的信號(hào)處理功能還能夠提供校準(zhǔn)或數(shù)字補(bǔ)償功能，使整體系統(tǒng)性能水平更接近窄帶對(duì)應(yīng)物，同時(shí)保持可重新配置的能力，并根據(jù)需要將更寬的帶寬用于工作模式。

圖1顯示了基于許多最新RF和微波組件的通用寬帶接收器架構(gòu)圖。

圖1.可能的寬帶可重新配置信號(hào)鏈。

雖然在實(shí)踐中，上述架構(gòu)可能需要額外的濾波和增益級(jí)才能實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用要求，但底層組件的靈活性使超寬帶監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。此外，可配置的數(shù)字信號(hào)處理功能能夠使信號(hào)鏈在需要時(shí)執(zhí)行更多的窄帶功能。此外，該系統(tǒng)可以支持動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的模式變化，可能支持更多的認(rèn)知功能以及下游進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)處理。

所提出的鏈的前兩級(jí)，即低噪聲放大器（LNA）和混頻器，使用GaAS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。雖然寬帶SiGe混頻器正在取得進(jìn)展，但仍有望將GaAs和GaN器件用于前端組件。在這兩種情況下，HMC1049和HMC1048均提供非常寬的性能和出色的IP3，支持窄帶和寬帶操作。這些器件說(shuō)明了工藝進(jìn)步使單個(gè)器件能夠滿足多種規(guī)格，而無(wú)需額外的數(shù)字功能。在RF器件中嵌入數(shù)字功能的好處可以在信號(hào)鏈的其他元件中看到。

集成VCO的新型ADF5355 PLL支持54 MHz至13.6 GHz的RF輸出，并提供廣泛的頻率合成器頻率。該器件基于 SiGe，通過(guò)使用四個(gè)獨(dú)立的集成 VCO 內(nèi)核，能夠支持如此廣泛的操作范圍。這些內(nèi)核中的每一個(gè)都使用256個(gè)重疊頻段，這使得該器件能夠覆蓋較寬的頻率范圍，而無(wú)需較大的VCO靈敏度，并且不會(huì)犧牲相位噪聲和雜散性能。使用集成在器件內(nèi)部的數(shù)字校準(zhǔn)邏輯自動(dòng)選擇正確的VCO和頻段。該器件使信號(hào)鏈能夠支持從 54 MHz 到 13.6 GHz 的射頻掃描，并根據(jù)需要支持固定頻率。它在保持高性能的同時(shí)，在1 MHz偏移時(shí)的典型相位噪聲水平為–138 dBc/Hz，這是更窄帶系統(tǒng)操作的要求。

ADA4961 ADC驅(qū)動(dòng)器提供寬帶性能和出色的線性度。它采用SPI和嵌入式數(shù)字控制，在500 MHz時(shí)可實(shí)現(xiàn)90 dBc IMD3性能，在1.5 GHz時(shí)可實(shí)現(xiàn)–87 dBc性能。 器件中集成了數(shù)字控制以支持增益控制，快速攻擊選項(xiàng)使器件能夠根據(jù)需要進(jìn)行配置，以提供系統(tǒng)的最佳性能?？焖俟暨€提高了系統(tǒng)的靈活性，因?yàn)樗贔A引腳驅(qū)動(dòng)時(shí)提供快速增益降低，通常由ADC的超量程檢測(cè)輸出驅(qū)動(dòng)，使ADC保持不飽和狀態(tài)。

AD9680完善了該系列，是最新的高速轉(zhuǎn)換器之一。該器件基于 65 nm CMOS，支持高達(dá) 1 GSPS 的采樣，分辨率為 14 位。AD9680采用更高的采樣速率和千兆采樣轉(zhuǎn)換器的帶寬，可能支持超過(guò)1 GHz的IF欠采樣。這支持了將系統(tǒng)的數(shù)字轉(zhuǎn)換點(diǎn)移近天線并增加系統(tǒng)靈活性的持續(xù)趨勢(shì)。該器件不僅提供業(yè)界領(lǐng)先的SFDR和SNR，還集成了數(shù)字下變頻（DDC）信號(hào)處理，以提供可定制的輸出帶寬。

AD9680 ADC的數(shù)字信號(hào)處理可配置性使該器件能夠支持寬帶監(jiān)控和窄帶功能。通過(guò)禁用和旁路集成的DDC，它可以支持超過(guò)500 MHz的瞬時(shí)監(jiān)控帶寬。 利用DDC，數(shù)字數(shù)控振蕩器（NCO）可以設(shè)置為在可配置抽取濾波器降低數(shù)據(jù)速率之前以數(shù)字方式將窄帶IF混頻到基帶，當(dāng)器件以最大ADC采樣速率運(yùn)行時(shí)，支持低至60 MHz的輸出數(shù)據(jù)帶寬。數(shù)字信號(hào)處理提高了系統(tǒng)在較低帶寬下的SNR，再次支持可配置寬帶和窄帶信號(hào)鏈所需的靈活性。

雖然該示例側(cè)重于接收器路徑，但發(fā)射器端也有類(lèi)似的器件和集成度。如前所述，新型DAC集成了高度可配置的插值濾波器和數(shù)字上變頻功能，可與類(lèi)似的寬帶RF和微波組件結(jié)合使用。

所描述的示例展示了新一代寬帶設(shè)備如何集成越來(lái)越高水平的數(shù)字信號(hào)處理和功能，以及這如何使未來(lái)的系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)配置為多模操作，具有以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的性能水平。這與窄帶和寬帶操作不能共存的觀點(diǎn)相矛盾。應(yīng)該注意的是，這個(gè)簡(jiǎn)短的分析沒(méi)有包括一些濾波挑戰(zhàn)，也沒(méi)有包括功耗分析。這些因素可能會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)際設(shè)計(jì)選擇和信號(hào)鏈架構(gòu)。然而，隨著更多寬帶、更高性能器件和信號(hào)處理水平的提高，高度可配置、認(rèn)知和軟件定義系統(tǒng)的未來(lái)前景看好。

最后，為了進(jìn)一步說(shuō)明討論，AD9361等集成RF IC器件提供了最終的集成度，并進(jìn)一步展示了數(shù)字和模擬功能之間逐漸消失的界限。AD9361支持直接變頻架構(gòu)，結(jié)合數(shù)字濾波和校準(zhǔn)功能，具有高度的靈活性，能夠支持70 MHz至6 GHz的RF輸入頻率和高達(dá)56 MHz的帶寬。

AD9361的可配置性支持廣泛的應(yīng)用和用途，包括雷達(dá)、通信和數(shù)據(jù)鏈路，以及電子監(jiān)視和戰(zhàn)爭(zhēng)。通過(guò)數(shù)字校準(zhǔn)和處理，該器件能夠克服直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的許多典型問(wèn)題，并提供前所未有的集成和可配置性，再次進(jìn)一步支持認(rèn)知和多功能系統(tǒng)。

以前，這種集成級(jí)別和相關(guān)性能是不可能的。此外，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員回避使用直接變頻架構(gòu)，因?yàn)闊o(wú)法克服鏡像抑制頻率和溫度等方面的限制。數(shù)字和模擬耦合的增加，以及現(xiàn)在集成到這些設(shè)備中的高級(jí)校準(zhǔn)和處理，為這些挑戰(zhàn)提供了解決方案，在不顯著犧牲性能和功耗的情況下提高了靈活性。雖然使用分立元件的更窄帶專(zhuān)用信號(hào)鏈仍然可以獲得更好的性能，但差距肯定在縮小。

軟件定義系統(tǒng)（適用于所有應(yīng)用的單個(gè)RF和微波信號(hào)鏈）的最終目標(biāo)是單個(gè)組件，例如支持多功能和認(rèn)知應(yīng)用的收發(fā)器。實(shí)際上，對(duì)于所有系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這可能還需要一段時(shí)間，但新的先進(jìn)發(fā)展越來(lái)越接近這一目標(biāo)，每個(gè)新的半導(dǎo)體器件都集成了越來(lái)越多的功能。除了簡(jiǎn)單地提高傳統(tǒng)的RF性能外，數(shù)字信號(hào)處理還提供了緩解和克服一些多模挑戰(zhàn)的解決方案。用不了多久，使用單個(gè)設(shè)備或一系列寬帶設(shè)備的單一解決方案就可以用于所有應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)軟件定義系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力也將成為現(xiàn)實(shí)。

審核編輯：郭婷