電子戰(zhàn)和有源相控陣?yán)走_(dá)等航空航天和國防應(yīng)用通常需要使用更高階的奈奎斯特速率帶來尋出更寬頻率的通信。系統(tǒng)ADC不僅需要更大的觀測(cè)帶寬，而且系統(tǒng)也推動(dòng)了對(duì)更高全功率帶寬的需求。如果ADC的輸入頻率帶寬足夠高，則可以通過對(duì)目標(biāo)IF信號(hào)頻帶進(jìn)行欠采樣，直接在ADC內(nèi)下變頻。

更高帶寬的輸入信號(hào)和采樣率允許對(duì)更寬頻段的信號(hào)進(jìn)行直接RF采樣。這允許減少信號(hào)鏈中的整個(gè)級(jí)，從而降低系統(tǒng)功耗并簡(jiǎn)化操作。下一代GSPS ADC允許GHz采樣到第3和第4奈奎斯特頻段，同時(shí)還能夠獲得小信號(hào)檢測(cè)所需的動(dòng)態(tài)范圍。寬帶ADC還提供更高的動(dòng)態(tài)范圍，允許系統(tǒng)將本底噪聲移低，以破譯本來會(huì)隱藏在噪聲中的較弱功率信號(hào)。

對(duì)于從采樣數(shù)據(jù)完美重建原始信號(hào)的系統(tǒng)，奈奎斯特-香農(nóng)采樣定理表明采樣速率必須是目標(biāo)信號(hào)帶寬的兩倍;與采樣速率明顯不同，采樣速率是最大中頻頻率分量的兩倍。ADC欠采樣是使用采樣頻率的技術(shù)，采樣頻率小于信號(hào)頻段中最大頻率分量的兩倍。目標(biāo)信號(hào)帶寬必須仍在單個(gè)奈奎斯特速率或ADC采樣速率的一半以內(nèi)。這種技術(shù)也可以稱為諧波采樣、帶通采樣或超奈奎斯特采樣。

為了保持奈奎斯特-香農(nóng)采樣定理，使用帶寬作為目標(biāo)信號(hào)帶寬，則采樣頻率為Fs需要> 2 BW。目標(biāo)信號(hào)帶寬可以在直流至帶寬之間或從x到y(tǒng)之間，其中帶寬為y – x。只要目標(biāo)帶寬不與ADC的奈奎斯特頻段重疊，奈奎斯特頻段是采樣速率的一半（Fs），欠采樣可以適用于ADC的更高信號(hào)頻段，這些ADC相對(duì)于其各自的采樣速率具有高全功率帶寬（FPBW），如圖1所示。

圖1.寬ADC全功率帶寬允許使用高階奈奎斯特頻段。必須對(duì)未使用的奈奎斯特區(qū)進(jìn)行帶通濾波，以消除可能折回第一奈奎斯特并影響動(dòng)態(tài)范圍的不需要的信號(hào)能量。

保密是軍事行動(dòng)的一個(gè)重要方面。為了降低攔截或探測(cè)的可能性，雷達(dá)傳輸?shù)男问胶头龋ㄔ谠S多情況下）被設(shè)計(jì)為在盡可能寬的頻率范圍內(nèi)傳播能量。低攔截概率（LPI）和低探測(cè)概率（LPD）是具有某些性能特征的雷達(dá)系統(tǒng)類別，這使得當(dāng)今的現(xiàn)代攔截接收器幾乎無法檢測(cè)到它們。LPI 功能可防止雷達(dá)從報(bào)警系統(tǒng)或無源雷達(dá)探測(cè)設(shè)備上跳閘。

為了提供抗干擾能力，可以通過智能隨機(jī)化雷達(dá)脈沖并在寬帶上擴(kuò)展來構(gòu)建系統(tǒng)，因此在任何一個(gè)頻段上只有一個(gè)非常小的信號(hào)，這稱為直接序列擴(kuò)頻（DSSS），如圖2所示。跳頻擴(kuò)頻（FHSS）還提供了一些針對(duì)全頻段干擾的保護(hù)。在這些情況下，寬傳輸信號(hào)消耗的帶寬超過了目標(biāo)原始信號(hào)實(shí)際需要的帶寬。因此，需要更寬的接收器帶寬和更高的動(dòng)態(tài)范圍來繼續(xù)提高系統(tǒng)功能。

圖2.直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)需要寬接收器帶寬和高動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)槟繕?biāo)信號(hào)頻帶采用偽隨機(jī)噪聲（PN）調(diào)制，以將通信推入本底噪聲。

LPI系統(tǒng)成功的最重要因素之一是使用盡可能寬的信號(hào)傳輸帶寬將復(fù)雜波形偽裝成噪聲。相反，這為試圖檢測(cè)和破譯這些寬帶信號(hào)的攔截接收機(jī)系統(tǒng)帶來了更高階的挑戰(zhàn)。因此，雖然這為L(zhǎng)PI和LPD帶來了改進(jìn)，但它也增加了雷達(dá)收發(fā)器的復(fù)雜性，因?yàn)樗笙到y(tǒng)可以一次捕獲整個(gè)傳輸帶寬。ADC能夠同時(shí)數(shù)字化500 MHz和1000 MHz，并在單個(gè)奈奎斯特頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的頻譜帶寬，并具有高動(dòng)態(tài)范圍，這有助于提供應(yīng)對(duì)這一系統(tǒng)挑戰(zhàn)的方法。將這些頻段的頻率移到ADC的第一奈奎斯特之外可能更有價(jià)值。

當(dāng)今的寬帶ADC在欠采樣工作模式下為多個(gè)寬奈奎斯特頻段提供了系統(tǒng)潛力。然而，使用高階ADC奈奎斯特頻段進(jìn)行采樣需要嚴(yán)格的前端抗混疊濾波和頻率規(guī)劃，以防止頻譜能量泄漏到其他奈奎斯特區(qū)。它還確保不需要的諧波和其他低頻信號(hào)在折疊到第一奈奎斯特后不會(huì)落入目標(biāo)頻帶。ADC上游的帶通濾波器（BPF）必須設(shè)計(jì)為濾除不接近標(biāo)稱目標(biāo)帶寬的無用信號(hào)和噪聲。AD9234、AD9680和AD9625等新型GSPS ADC在寬輸入帶寬內(nèi)提供多個(gè)奈奎斯特頻段采樣和高動(dòng)態(tài)范圍。

由于直接采樣技術(shù)將來自每個(gè)區(qū)域的信號(hào)能量折疊回第一奈奎斯特，因此無法準(zhǔn)確區(qū)分內(nèi)容頻率的來源。因此，流氓能量可能出現(xiàn)在第一奈奎斯特區(qū)，這將降低信噪比（SNR）和無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。光譜問題有可能困擾政府和軍事應(yīng)用，包括通信和傳感。

用于軍事通信的數(shù)字無線電收發(fā)器是使用高速ADC和DAC的另一個(gè)例子，它們有可能取代傳統(tǒng)的基帶混頻器級(jí)。該架構(gòu)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭梢栽跀?shù)字域中完成嚴(yán)格的濾波和相鄰?fù)ǖ酪种?，以?shí)現(xiàn)基帶轉(zhuǎn)換。

直接射頻采樣為雷達(dá)射頻前端設(shè)計(jì)提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，當(dāng)可以消除整個(gè)下變頻級(jí)時(shí)，它可以減少元件數(shù)量，如圖3所示。它還消除了設(shè)計(jì)混頻芯片以適應(yīng)獨(dú)特定制頻率計(jì)劃的需要。其次，它可以簡(jiǎn)化下一代接收器的設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)隨著雷達(dá)系統(tǒng)的現(xiàn)代化和更新而可用的未來信號(hào)帶寬。使用新的載波頻率可能需要的只是選擇合適的采樣率并加入適當(dāng)?shù)膸V波器。第三，在給定不同的采樣速率的情況下，可以使單個(gè)RF前端適用于多個(gè)頻段。這種多頻雷達(dá)接收機(jī)前端設(shè)計(jì)方法消除了對(duì)多個(gè)前端的需求。

圖3.欠采樣技術(shù)可能會(huì)消除下變頻級(jí)，因?yàn)楦叩妮斎腩l段直接提供給RF采樣ADC。

當(dāng)前一代ADC現(xiàn)在提供多個(gè)內(nèi)部數(shù)字下變頻（DDC）處理模塊，用于通信的窄帶檢測(cè)。每個(gè)DDC都可以應(yīng)用自己的抽取率和數(shù)控振蕩器來調(diào)諧奈奎斯特頻段內(nèi)的位置。處理增益可以在較窄的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)，該帶寬以數(shù)字方式濾除帶外噪聲。這減少了所需的ADC輸出數(shù)據(jù)，并最大限度地降低了FPGA和DSP的處理復(fù)雜性。但是，額外的通道選擇器信號(hào)處理也可以在ADC下游完成。

寬帶通信和傳感系統(tǒng)需要極高速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。AD9234、AD9680和AD9625等先進(jìn)的GSPS ADC不僅提供高采樣速率和更寬的瞬時(shí)帶寬，而且還能夠以高于第一奈奎斯特的高動(dòng)態(tài)范圍對(duì)高頻輸入進(jìn)行采樣。在高帶寬下使用的單個(gè)直接RF采樣ADC有可能取代混頻器、LO頻率合成器、放大器和濾波器的整個(gè)IF采樣或零IF采樣子系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更大的靈活性。這可以顯著降低系統(tǒng)物料清單 （BOM） 成本、設(shè)計(jì)時(shí)間、電路板尺寸、重量和功耗。

審核編輯：郭婷