高速ADC和雷達(dá)系統(tǒng)若干具挑戰(zhàn)性的難題

現(xiàn)代高級(jí)雷達(dá)系統(tǒng)受到多方面的挑戰(zhàn)，人們提出了額外的一些運(yùn)行要求，包括需要支持多功能處理和動(dòng)態(tài)模式調(diào)整。此外，頻率分配上的最新變化導(dǎo)致許多雷達(dá)系統(tǒng)的工作頻率非常接近通信基礎(chǔ)設(shè)施和其他頻譜要求極高的系統(tǒng)。未來(lái)的頻譜擁塞狀況預(yù)期會(huì)更嚴(yán)重，問(wèn)題將惡化到雷達(dá)系統(tǒng)需要在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)環(huán)境和運(yùn)行要求，這使得雷達(dá)系統(tǒng)需要向認(rèn)知化和數(shù)字化發(fā)展。更多數(shù)字信號(hào)處理的需求推動(dòng)雷達(dá)信號(hào)鏈要盡早向數(shù)字化過(guò)渡，使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)更靠近天線，這進(jìn)而又會(huì)帶來(lái)若干具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)層面難題。為了更深入地討論這個(gè)問(wèn)題，圖1顯示了目前典型的X波段雷達(dá)系統(tǒng)的高層次概略圖。該系統(tǒng)通常使用兩個(gè)模擬混頻級(jí)。第一級(jí)將脈沖式雷達(dá)回波混頻至約1 GHz頻率，第二級(jí)混頻至100至200 MHz的中頻(IF)，以便能夠利用200 MSPS或更低的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行12位或更高分辨率的采樣。

圖1. 使用第一和第二中頻(IF)的雷達(dá)接收機(jī)架構(gòu)示例

在該架構(gòu)中，頻率捷變和脈沖壓縮等功能可在模擬域中實(shí)現(xiàn)，這可能需要對(duì)信號(hào)處理進(jìn)行一些更改和調(diào)整，但大體而言，系統(tǒng)功能受限于數(shù)字化速率。應(yīng)當(dāng)注意，即使以200 MSPS的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行采樣，雷達(dá)處理也能向前跨進(jìn)一大步，但我們正在向新的階段突破，步子必須再邁大一點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化雷達(dá)。

近年來(lái)，每秒千兆采樣(GSPS) ADC已將系統(tǒng)中的數(shù)字化點(diǎn)推進(jìn)到第一混頻級(jí)之后，使得數(shù)字化轉(zhuǎn)變更接近天線。模擬帶寬超過(guò)1.5 GHz的GSPS轉(zhuǎn)換器已然能夠支持第一中頻的數(shù)字化，但在許多情況下，當(dāng)前GSPS ADC的性能限制了這種解決方案的接受程度，因?yàn)槠骷木€性度和噪聲頻譜密度不滿足系統(tǒng)要求。

另外，高速ADC與數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)(通常是FPGA)之間的數(shù)據(jù)移動(dòng)，直到最近還是以并行低壓差分信號(hào)(LVDS)接口為主要途徑。然而，使用LVDS數(shù)據(jù)總線從轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)會(huì)帶來(lái)一些技術(shù)難題，因?yàn)閱螚lLVDS總線所需的工作速率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)IEEE標(biāo)準(zhǔn)的最大速率以及FPGA的處理能力。為了解決這個(gè)問(wèn)題，輸出數(shù)據(jù)需要解復(fù)用到兩條或(更一般地)四條LVDS總線，以便降低每條總線的數(shù)據(jù)速率。

例如，采樣速率超過(guò)2 GSPS的10位ADC通常將需要對(duì)輸出進(jìn)行4倍解復(fù)用，LVDS總線寬度將達(dá)40位。而許多雷達(dá)系統(tǒng)，尤其是相控陣，會(huì)采用多個(gè)GSPS ADC，如此多的通道需要布線和長(zhǎng)度匹配，硬件開發(fā)很快就會(huì)變得無(wú)法管理，更不用說(shuō)互連所需的FPGA引腳數(shù)量！

新型GSPS ADC不僅能克服現(xiàn)有挑戰(zhàn)，而且可進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)。為使數(shù)字化更接近天線，此類轉(zhuǎn)換器提供無(wú)與倫比的線性度和3 GHz以上的模擬帶寬，支持L波段和大部分S波段的欠采樣。這樣，在這些波段內(nèi)就可以直接進(jìn)行RF采樣，而無(wú)需混頻器級(jí)，器件數(shù)量和系統(tǒng)尺寸得以縮減。更高頻率的系統(tǒng)也能使用更高中頻，從而可以減少混頻級(jí)和濾波器的數(shù)量，并且由于能夠使用寬范圍的中頻，頻率規(guī)劃選項(xiàng)得以增加。

更高的線性度和更低的噪聲頻譜密度使此類新器件能夠用于下一代雷達(dá)系統(tǒng)。隨著頻譜密度提高，必須提供更高的動(dòng)態(tài)范圍才能管理雷達(dá)回波頻率附近的阻塞或干擾信號(hào)。最新的GSPS ADC能夠提供75 dBc以上的SFDR，比最近十年面市的器件高出近20 dBc。與新近的通信基礎(chǔ)設(shè)施頻率分配相競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，這一跨越式進(jìn)步顯得更加重要。

模擬帶寬、線性度和噪聲方面的改善可以被看作是器件制造商的下一步邏輯發(fā)展。不過(guò)，新型GSPS ADC的兩個(gè)新增特性可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師帶來(lái)更大的便利，有可能會(huì)提高這些器件在未來(lái)系統(tǒng)中的接受程度：

? JESD204B數(shù)據(jù)鏈路接口；? 轉(zhuǎn)換器中嵌入的DSP功能，這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師非常有利，并且可以節(jié)省功耗。

若干高速ADC最近已引入JESD204B數(shù)據(jù)鏈路，但它對(duì)GSPS轉(zhuǎn)換器最有好處，因?yàn)長(zhǎng)VDS接口已很難滿足系統(tǒng)需求。JESD204B是一種高速串行標(biāo)準(zhǔn)，支持利用更少數(shù)量的差分互連(FPGA引腳)實(shí)現(xiàn)高速ADC與FPGA或其他處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸。它是一種開銷非常低的協(xié)議，基于8b10b編碼方案，支持高達(dá)12.5 Gbps的波特率。

下面以ADI公司的新型2.0 GSPS、12位轉(zhuǎn)換器AD9625為例來(lái)討論其優(yōu)勢(shì)。該轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)速率是24 Gbps。假設(shè)LVDS數(shù)據(jù)總線的最高速率是1 Gbps，并且忽略數(shù)據(jù)包裝問(wèn)題，那么將需要24個(gè)LVDS對(duì)才能支持此接口，硬件布線時(shí)，所有對(duì)的PCB走線長(zhǎng)度都需要匹配。若采用最大波特率為6.25 Gbps的JESD204B，則只需要6條JESD204B鏈路就能支持此轉(zhuǎn)換器的輸出。圖2清楚顯示了其優(yōu)勢(shì)，AD9625與FPGA之間僅需布設(shè)8條JESD204B通道即可支持全數(shù)據(jù)速率2.0 GSPS。

圖2. 采用JESD204B的GSPS FPGA夾層卡(FMC) PCB布線

此外，當(dāng)使用多條JESD204B通道時(shí)，PCB走線長(zhǎng)度匹配的要求大幅放松，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)僅要求通道間對(duì)齊精度達(dá)到920 ps，各JESD204B通道的路徑延遲允許存在較大的差異。JESD204標(biāo)準(zhǔn)的最新“B”版還支持確定性延遲，可以計(jì)算離開高速ADC的數(shù)據(jù)與到達(dá)FPGA的數(shù)據(jù)之間的延遲。如果該延遲時(shí)間可以確定，那么就可以在數(shù)字后處理中予以補(bǔ)償，使數(shù)據(jù)流重新對(duì)齊并同步，這是采用GSPS轉(zhuǎn)換器的相控陣和波束成形系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。

JESD204B對(duì)硬件設(shè)計(jì)師特別有利，但新型高速ADC的最大好處可能是增加了數(shù)字信號(hào)處理。AD9625等新一代GSPS轉(zhuǎn)換器基于65 nm或更小幾何尺寸的CMOS工藝，能夠以非常高的數(shù)據(jù)速率支持各種各樣的數(shù)字信號(hào)處理。近期而言，高速ADC將嵌入運(yùn)行時(shí)可選的數(shù)字降頻轉(zhuǎn)換器(DDC)，如圖3所示。

圖3. 帶嵌入式DSP的新型GSPS ADC

雷達(dá)波形帶寬因應(yīng)用不同而有很大差異，例如，某些合成孔徑成像雷達(dá)波形需要數(shù)百M(fèi)Hz的帶寬，而跟蹤雷達(dá)使用的波形帶寬可能只有數(shù)十MHz或更少。過(guò)去，若GSPS ADC更靠近天線，則意味著在某些情況下會(huì)有大量不需要的帶寬被傳輸?shù)紽PGA或處理器。在現(xiàn)代FPGA和高速ADC中，如果不是大部分，也有相當(dāng)一部分功耗與器件的接口相關(guān)，因此，毫無(wú)用處地傳輸大量不需要的帶寬會(huì)提高系統(tǒng)功耗。在未來(lái)的多模式雷達(dá)中，動(dòng)態(tài)使能DDC的能力將是一大優(yōu)勢(shì)，可減輕FPGA的復(fù)雜處理負(fù)荷。

DDC集數(shù)字數(shù)控振蕩器(NCO)和抽取濾波器于一體，能夠在高速ADC的奈奎斯特頻段內(nèi)選擇信號(hào)帶寬和信號(hào)位置，僅將需要的適當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸給信號(hào)處理器件。例如，考慮一個(gè)在800 MHz的中頻使用30 MHz帶寬波形雷達(dá)。如果用一個(gè)ADC以2.0 GSPS的采樣速率進(jìn)行12位分辨率的采樣，則數(shù)據(jù)輸出帶寬將是1000 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)信號(hào)帶寬，轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)速率將達(dá)3.0 GB/s。如果利用DDC以16倍的比率抽取數(shù)據(jù)，則不僅能進(jìn)一步降低噪聲，而且輸出數(shù)據(jù)速率降至625 MB/s以下，這樣只需使用一條JESD204B通道就能傳輸數(shù)據(jù)。整體系統(tǒng)的功耗需求將因此而大幅降低。由于可根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)配置DDC或予以旁路，新型高速ADC可在不同模式之間切換，以便支持針對(duì)功耗和機(jī)具進(jìn)行優(yōu)化的解決方案，并且?guī)椭鷮?shí)現(xiàn)認(rèn)知式雷達(dá)應(yīng)用所需的特性集合。

AD9625等新型GSPS ADC為雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)師提供了多種重要的選項(xiàng)，其模擬帶寬和采樣速率有助于減少器件數(shù)量或進(jìn)行直接RF采樣。JESD204B接口和嵌入式DSP選項(xiàng)使得設(shè)計(jì)師獲取這些優(yōu)勢(shì)再也不需要付出提高功耗和板復(fù)雜度的代價(jià)。動(dòng)態(tài)配置高速ADC的能力可實(shí)現(xiàn)多功能支持，滿足創(chuàng)建全數(shù)字式認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)的需求。