射頻收發器為航空航天和防務應用 提供突破性的 SWaP 解決方案
發布時間：2016-11-4 14:29
發布者：eechina
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作者：Wyatt Taylor 和 David Brown 新一代航空航天和防務平臺將帶來新的挑戰，其需要的解決方案無法通過單獨優化器件來實現。在無線電中集成更多的軟件控制和認知能力，需要采用一種在頻率和帶寬方面更具靈活性的射頻設計。為了實現這一目標，需要取消靜態濾波器并以可調諧型濾波器取而代之。類似地，通用平臺的概念將有助于縮短開發時間，降低生產成本，提高系統間的互操作性。通用平臺要求射頻系統能幫助傳統上采用不同架構的應用充分發揮其性能。最后，未來的平臺將把尺寸和功耗需求推向新的極端。 手持式單人無線電的功能不斷增強，復雜性也不斷提高，同時也需要更高的電池效率。小型無人飛行器不具備大型飛機的發電能力，射頻系統消耗的每毫瓦電能都會直接轉化成有效載荷電池重量，由此會縮短飛行時間。為了克服這些挑戰，打造出新一代的解決方案，需要采用一種新型無線電架構。 超外差架構與效益遞減現象 自提出以來，超外差架構就一直是航空航天和防務系統無線電設計的中堅力量。無論是單人無線電、無人飛行器(UAV)數據鏈，還是信號情報(SIGINT) 接收器，單或雙混頻級超外差架構都是通用的選擇。這種設計的優勢非常明顯：合理的頻率規劃可以實現超低的雜散輻射，通道帶寬和選擇性可通過中頻(I F)濾 波器設 定，各級的增益分布允許在噪聲系數與線性度之間進行權衡。 
圖1. 基本的超外差架構的 在100多年的運用中，超外差在整個信號鏈中的性能得到了顯著提升。微 波 和 射 頻 器 件 提 高了性 能，同 時 還 降 低了功 耗。ADC和DAC提高了采樣速率、線性度和有效位數(ENOB)。FPGA和DSP的處理能力遵循摩爾定律，隨著時間的推移得到了提升，為更高效的算法、數字校正和進一步的集成創造了條件。封裝技術縮小了器件引腳的密度，同時改善了封裝的散熱能力。 然而，這些因器件而異的改進已經開始走向效益遞減點。盡管射頻元件的趨勢是減小尺寸、重量和功耗(SWaP) —但高性能濾波器的物理尺寸仍然較大，通常采用定制式設計，會增加系統的整體成本。另外，中頻濾波器決定著平臺的模擬通道帶寬，因而很難構造出可以在廣泛系統中重復利用的通用平臺設計。對于封裝技術，多數生產線不會采用低于0.65 mm或0.8 mm的引腳間距，這意味著，有著多種I/O要求的復雜器件在物理尺寸上可以小型化的程度是存在限制的。 零中頻架構 超外差架構的一種替代方案是零中頻(Z I F)架構，近年來，后者已經作為一種潛在的解決方案重現市場。零中頻接收器采用一種單頻混頻級，其本振(LO)直接設為目標頻段，把接收到的信號向下轉換至相位(I)和正交(Q)信號中的基帶。這種架構可以緩解超外差架構嚴格的濾波要求，因為所有模擬濾波處理均發生于基帶，在基帶中，相比定制射 頻/中頻濾波器，濾波器的設計要簡單得多，成本也要低一些。如此一來，ADC和DAC就在基帶中作用于I/Q數 據，所以，可以降低相對于轉換帶寬的采樣速率，從而大幅降低功耗水平。從多個設計角度來看，零中頻收發器因降低了模擬前端的復雜性，減少了元件 數 量，所以可以大幅 降低SWaP。
圖2.零中頻架構 然而，這種系統架構有些缺陷需要解決。把頻率直接轉換為基帶的方法會帶來載波泄漏和鏡像頻率。從數學上來看，I和Q信號的虛部會因其正交性而相互抵消（如圖3）。受真 實 因 素 的 影 響（比 如 工藝差異、信號鏈里的溫度差異），不可能在I信號與Q信號之間維持完美的90°相位偏移，結果會導致鏡像抑制性能下降。另外，混頻級里不完美的LO隔離會帶來載波泄漏。如果不予以校正，則鏡像和載波泄漏問題可能會導致接收器靈敏度下降，造成無用的發射頻譜輻射。
圖3.零中頻鏡像消除 從歷史上來看，I/Q不平衡問題限制了零中頻架構適用的范圍。其原因有二：首先，零中頻架構采用分立式實現方式，結果會在單片器件和印刷電路板(P C B)中導致失配問題。第二，單片器件可能來自不同的生產批次，因工藝本身的差異，要實現精確匹配極其困難。另外，分立式實現方式也會使處理器與射頻元件在物理上相分離，很難橫跨頻率、溫度和帶寬元件實現正交校正算法。 集成式收發器帶來SWaP解決方案 將零中頻架構集成到單片收發器中，這種方法為新一代系統提供了一個途徑。把模擬和射頻信號鏈設在同一片硅片上，可以最大限度地降低工藝差異的影響。此外，DSP模塊可以整合到收發器中，由此消除正交校準算法與信號鏈之間的界限。這種方法不但可以前所未有地改善SWaP性能，還能在性能規格上媲美超外差架構。
圖4. AD9361和AD9371功能框圖 目前， ADI 公司有兩款收發器能滿足航空航天和防務市場的需求， 它們是AD9361 和AD9371。這些器件把完整的射頻、模擬和數字信 號鏈集成到單片CMOS器 件上，整 合 的 數 字 處 理 模 塊可以實 時運 行正交和載波泄漏校正算法，不受任何工藝、頻率和溫度差異的影響。AD9361重點面向要求中等性能規格和超低功耗的應用，比如無人飛行器數據鏈、手持式和單人通信系統以及小型SIGINT等。AD9371面向要求超高性能規格和中等功耗的應用而優化。另外，該器件集成了一枚A RM®微處理器，用于實現精密校準控制；一枚觀察接收器，用于實 現 功率放 大器(PA)線性化；以及一個嗅探接收器，用于探測空白空間。這就為眾多不同的應用開啟了全新的設計潛力�，F在，可以在小得多的封裝中實現采用寬帶波形或占用非連續頻譜的通信平臺了。在射頻頻譜高度擁擠的地點，較高的動態范圍和較寬的帶寬為實現SIGINT和相控陣雷達作業創造了條件。 新一代就在當下 借助長達100年的器件優化經驗，超外差架構得以在尺寸不斷縮小、功耗不斷降低的平臺上實現不斷增強的性能。隨著物理限制的到來，這些改進已經開始放緩步伐。新一代航空航天和防務平臺將要求采用全新的射頻設計方法。在這類方法中，若干平方英寸的現有平臺將集成到單片器件中；軟件與硬件之間的界限被模糊，可實現當前不可能的優化和集成水平；減小的SWaP不再意味著性能的下降。 現在，借助AD9361和AD9371這一組合，航 空 航天和防務設 計師有能力構造幾年前還不可能實現的系統。兩款器件具有許多共同點—可調諧的濾波器角、寬帶LO生成、分集能力、校準算法等。但也存在關鍵的差異，每款器件均針對不同的應用而優化。AD9361側重于單載波平臺，其中，SWaP是主要驅動力。AD9371側重于寬帶、非連續平臺，其中，性能規格的實現難度更大。這兩款收發器將成為新一代航空航天和防務信號鏈的關鍵促成因素。 作者 Wyatt Taylor是ADI公司工業和儀器儀表部門（位于北卡羅萊納州格林斯博羅）的一名RF工程師， 主要致力于集成式收發器和軟件定義無線電(SDR)應用。 之前，Wyatt曾是泰雷茲通信公司和Digital Receiver Technology Inc.的一名RF設計工程師。他于2005年和2006年分別獲得了弗吉尼亞理工大學的電機工程學學士和碩士學位。 Wyatt (WTaylor)是ADI公司免費的在線技術支持社區中文技術論壇的一名成員，網址為http://ezchina.analog.com/welcome. David Brown 是ADI公司（美國北卡羅來納州格林斯博羅）的射頻系統應用工程師。他于2015年加入ADI公司，主要 從事航空航天和防務應用研發工作。David于2014年畢業于北卡羅來納州立大學，獲電氣工程學士學位。 |
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