下一代航空航天和国防系统的多功能设计

下一代航空航天和国防系统设计人员正在被推动开发先进的、高度可配置的系统，这些系统结合了一系列功能和要求，集成了历史上由独立系统实现的功能。显然，这样做的好处是减少了任何任务平台需要支持的子系统的数量，降低了整体尺寸、重量和功耗（SWaP），但随着进一步需要支持认知和实时可配置性，挑战似乎令人生畏。然而，新一代高性能宽带组件有可能为这一挑战提供解决方案，支持每个系统所需的高性能水平，但具有足够广泛的工作范围来应对多功能挑战。

许多这些未来系统的最终目标是完全由软件决定的架构。这允许动态更改实施和操作模式，在现场更新，或在出厂时配置无硬件更改或非常小的硬件更改。挑战在于支持系统可能需要启用的操作模式的超集。这要求底层单个硬件能够满足可能需要的所有可能操作模式的规格。

国防世界中希望结合功能的此类系统的一个例子是雷达和通信平台。在许多情况下，这些系统希望支持多模式的传统操作，但它们也开始整合电子战功能。雷达系统希望支持电子支持措施（ESM），通信系统希望分别实现信号情报（SIGINT）功能，以及多模雷达和多波形通信。

在这两个示例中，系统都希望整合宽带和窄带功能，这些功能通常会推动线性度和动态范围等方面的非常不同的要求。为了实现总体目标，如果对规格的妥协是不可接受的，设计人员可能不得不权衡功率或尺寸。例如，考虑X波段雷达系统和电子情报系统（ELINT）。雷达系统通常在相对较窄的频率范围内工作，通常在8 GHz至12 GHz频段内为数百MHz。相比之下，ELINT系统通常需要在2 GHz至18 GHz范围内工作，覆盖所有S，C和X频段。如果假设两种实现必须具有相同的大小，则可能需要对性能做出妥协，以支持ELINT系统的更宽频率范围和覆盖范围。通常，在这种情况下，信号链的线性度或功耗可以用带宽来换取。

如果将相同的概念简化到组件级别，则会观察到相同的问题。对于宽带或宽带系统，通常至少在一个维度上牺牲组件的性能，无论是线性度、噪声性能还是功率。表1显示了带有集成压控振荡器（VCO）的宽带和窄带锁相环（PLL）的典型性能权衡。如图所示，窄带器件具有更好的典型相位噪声、品质因数和功耗，但显然这是以牺牲灵活性为代价的。

表 1.典型宽带和窄带PLL与集成VCO的比较

	ADF4351宽带锁相环，内置VCO	HMC837窄带PLL与VCO
输出频率	0.035千兆赫至4.4千兆赫	1.025千兆赫至1.150千兆赫
品质因数	–221 分贝/赫兹	–230 分贝/赫兹
VCO P/N @ 100 kHz （dBc/Hz）	–114	–120
VCO P/N @ 1 MHz （dBc/Hz）	–134	–147
大小	5 毫米 × 5 毫米	6 毫米 × 6 毫米
权力	370毫瓦	168毫瓦

虽然在单个系统中实现多个系统规格时总会有一些权衡和妥协，但下一代RF和微波组件以及高速ADC将为未来的系统设计人员提供一些缓解。CMOS和硅锗（SiGe）工艺等方面的进步使数字功能得以显著增加，并被整合到下一代设备中。除了灵活性外，先进的信号处理功能还能够提供校准或数字补偿功能，使整体系统性能水平更接近窄带对应物，同时保持可重新配置的能力，并根据需要将更宽的带宽用于工作模式。

图1显示了基于许多最新RF和微波组件的通用宽带接收器架构图。

图1.可能的宽带可重新配置信号链。

虽然在实践中，上述架构可能需要额外的滤波和增益级才能实现特定的应用要求，但底层组件的灵活性使超宽带监控系统架构得以实现。此外，可配置的数字信号处理功能能够使信号链在需要时执行更多的窄带功能。此外，该系统可以支持动态、实时的模式变化，可能支持更多的认知功能以及下游进一步的数字信号处理。

所提出的链的前两级，即低噪声放大器（LNA）和混频器，使用GaAS技术实现。虽然宽带SiGe混频器正在取得进展，但仍有望将GaAs和GaN器件用于前端组件。在这两种情况下，HMC1049和HMC1048均提供非常宽的性能和出色的IP3，支持窄带和宽带操作。这些器件说明了工艺进步使单个器件能够满足多种规格，而无需额外的数字功能。在RF器件中嵌入数字功能的好处可以在信号链的其他元件中看到。

集成VCO的新型ADF5355 PLL支持54 MHz至13.6 GHz的RF输出，并提供广泛的频率合成器频率。该器件基于 SiGe，通过使用四个独立的集成 VCO 内核，能够支持如此广泛的操作范围。这些内核中的每一个都使用256个重叠频段，这使得该器件能够覆盖较宽的频率范围，而无需较大的VCO灵敏度，并且不会牺牲相位噪声和杂散性能。使用集成在器件内部的数字校准逻辑自动选择正确的VCO和频段。该器件使信号链能够支持从 54 MHz 到 13.6 GHz 的射频扫描，并根据需要支持固定频率。它在保持高性能的同时，在1 MHz偏移时的典型相位噪声水平为–138 dBc/Hz，这是更窄带系统操作的要求。

ADA4961 ADC驱动器提供宽带性能和出色的线性度。它采用SPI和嵌入式数字控制，在500 MHz时可实现90 dBc IMD3性能，在1.5 GHz时可实现–87 dBc性能。 器件中集成了数字控制以支持增益控制，快速攻击选项使器件能够根据需要进行配置，以提供系统的最佳性能。快速攻击还提高了系统的灵活性，因为它在FA引脚驱动时提供快速增益降低，通常由ADC的超量程检测输出驱动，使ADC保持不饱和状态。

AD9680完善了该系列，是最新的高速转换器之一。该器件基于 65 nm CMOS，支持高达 1 GSPS 的采样，分辨率为 14 位。AD9680采用更高的采样速率和千兆采样转换器的带宽，可能支持超过1 GHz的IF欠采样。这支持了将系统的数字转换点移近天线并增加系统灵活性的持续趋势。该器件不仅提供业界领先的SFDR和SNR，还集成了数字下变频（DDC）信号处理，以提供可定制的输出带宽。

AD9680 ADC的数字信号处理可配置性使该器件能够支持宽带监控和窄带功能。通过禁用和旁路集成的DDC，它可以支持超过500 MHz的瞬时监控带宽。 利用DDC，数字数控振荡器（NCO）可以设置为在可配置抽取滤波器降低数据速率之前以数字方式将窄带IF混频到基带，当器件以最大ADC采样速率运行时，支持低至60 MHz的输出数据带宽。数字信号处理提高了系统在较低带宽下的SNR，再次支持可配置宽带和窄带信号链所需的灵活性。

虽然该示例侧重于接收器路径，但发射器端也有类似的器件和集成度。如前所述，新型DAC集成了高度可配置的插值滤波器和数字上变频功能，可与类似的宽带RF和微波组件结合使用。

所描述的示例展示了新一代宽带设备如何集成越来越高水平的数字信号处理和功能，以及这如何使未来的系统能够动态配置为多模操作，具有以前无法实现的性能水平。这与窄带和宽带操作不能共存的观点相矛盾。应该注意的是，这个简短的分析没有包括一些滤波挑战，也没有包括功耗分析。这些因素可能会严重影响实际设计选择和信号链架构。然而，随着更多宽带、更高性能器件和信号处理水平的提高，高度可配置、认知和软件定义系统的未来前景看好。

最后，为了进一步说明讨论，AD9361等集成RF IC器件提供了最终的集成度，并进一步展示了数字和模拟功能之间逐渐消失的界限。AD9361支持直接变频架构，结合数字滤波和校准功能，具有高度的灵活性，能够支持70 MHz至6 GHz的RF输入频率和高达56 MHz的带宽。

AD9361的可配置性支持广泛的应用和用途，包括雷达、通信和数据链路，以及电子监视和战争。通过数字校准和处理，该器件能够克服直接转换系统中的许多典型问题，并提供前所未有的集成和可配置性，再次进一步支持认知和多功能系统。

以前，这种集成级别和相关性能是不可能的。此外，许多系统设计人员回避使用直接变频架构，因为无法克服镜像抑制频率和温度等方面的限制。数字和模拟耦合的增加，以及现在集成到这些设备中的高级校准和处理，为这些挑战提供了解决方案，在不显着牺牲性能和功耗的情况下提高了灵活性。虽然使用分立元件的更窄带专用信号链仍然可以获得更好的性能，但差距肯定在缩小。

软件定义系统（适用于所有应用的单个RF和微波信号链）的最终目标是单个组件，例如支持多功能和认知应用的收发器。实际上，对于所有系统来说，这可能还需要一段时间，但新的先进发展越来越接近这一目标，每个新的半导体器件都集成了越来越多的功能。除了简单地提高传统的RF性能外，数字信号处理还提供了缓解和克服一些多模挑战的解决方案。用不了多久，使用单个设备或一系列宽带设备的单一解决方案就可以用于所有应用，真正实现软件定义系统的驱动力也将成为现实。

审核编辑：郭婷