【導讀】設計工程師一直研發先進的航空航天系統設計和防務系統設計，要想滿足不同功能，還能夠實現獨立系統的功能并非易事。本文為迎接設計挑戰，設計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系統設計工程師正被推進到開發技術先進、高度可配置系統的階段，需要整合各種不同的功能和需求，集成以前通過獨立系統實現的功能。顯然，這樣做的好處是可以減少任務平臺需要支持的子系統數量，降低整體尺寸、重量和功耗(SWaP)，但由于還需要進一步支持認知和實時配置，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。
許多此類未來系統的終極目標是實現完全由軟件確定的架構，以便能夠動態改變、在現場更新或在工廠配置實施方案和工作模式，無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現的工作模式的超集，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規格。
在尋求合并功能的防務領域，此類系統的一個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，還希望實現信號情報(SIGINT)功能。
在這兩個例子中，系統均希望整合寬帶和窄帶功能，而這些功能在線性度、動態范圍和其他要求方面通常大相徑庭。 如果技術規格沒有商量的余地，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X波段雷達系統和一個電子情報系統(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。如果假設這兩個實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，通常可以用信號鏈的線性度或功耗來換取帶寬。
若將相同的理念運用于器件層面，則會觀察到同樣的問題。對于寬帶系統，器件至少有一個方面的性能會受到影響，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(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、品質因數和功耗性能，但顯然這是以犧牲靈活性為代價來獲得的。
表1. 集成VCO的典型寬帶和窄帶PLL的性能比較
雖然在單個系統中實現多種系統規格時，總會有一些折中和讓步，但下一代射頻和微波器件以及高速ADC將會緩解未來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步，使得越來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
[page] 雖然在實際應用中，上述架構可能需要額外的濾波和增益級來實現具體規格要求，但底層器件的靈活性支持實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執行更多窄帶功能。 更妙的是，系統還能動態實時地變更工作模式，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技術實現。 雖然寬帶SiGe混頻器已取得進步，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，工藝進步使得單個器件就能滿足多種規格要求，而無需附加數字功能。 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，采用四個獨立集成的VCO內核，能夠支持豐富多樣的操作。 每個內核使用256個交疊頻段，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。
器件內部集成的數字校準邏輯自動選擇正確的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，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偏移時的典型相位噪聲為–138 dBc/Hz。
ADA4961 ADC驅動器提供寬帶性能和出色的線性度。 利用SPI和嵌入式數字控制，它在500 MHz時實現了90 dBc的IMD3性能，1.5 GHz時為–87 dBc。 器件集成數字控制，支持增益控制和快速啟動選項，使得器件可以根據需要進行配置，最佳地發揮系統性能。 快速啟動還能提高系統的靈活性，因為當FA引腳被驅動時（通常由ADC的超范圍檢測輸出驅動），它能迅速降低增益，使得ADC不會進入飽和狀態。
信號鏈中的最后一個器件是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，AD9680有能力以超過1 GHz的頻率對中頻信號進行欠采樣。 這與將系統數字轉換點移近天線并提高系統靈活性的持續趨勢是一致的。 該器件不僅提供業界領先的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，它能支持500 MHz以上的瞬時監控帶寬。使用DDC時，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，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。
雖然本例關注的是接收機路徑，但類似的器件和集成度也適用于發射機。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字信號處理和功能，以及這如何使未來系統具有動態配置能力，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相矛盾。應當注意，以上簡單的分析并未涉及某些濾波難題或功耗分析。這些因素可能會嚴重影響實際的設計選擇和信號鏈架構。然而，隨著更高性能寬帶器件的增多，以及信號處理能力的增強，未來高度可配置、具認知能力且由軟件定義的系統看起來前景廣闊。
最后再舉一例以便更好地闡明觀點，AD9361等集成射頻IC器件實現的集成度幾乎達到極致，進一步證明數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，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題，并提供前所未有的集成度和配置能力，從而進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而不會顯著影響性能和功耗。 雖然使用由分立器件構成的窄帶專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射頻和微波信號鏈適合所有應用，理想情況是收發器等單個器件可支持多功能和認知應用。 實際上，所有系統離這個目標可能都有一段距離，但最新的發展和進步使得各種新半導體器件集成的功能越來越多，我們離目標已越來越接近。 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。 可能要不了多長時間，采用單個器件或級聯寬帶器件的單一解決方案就能滿足所有應用需求，軟件定義系統最終夢想成真。
相關閱讀：
方案精講：射頻無線門禁系統電路的設計與實現
PCB設計指南：關于射頻走線和地的那些事
技術分享：DDS技術萌生射頻信號干擾器
