新一代航空航天和防務(wù)平臺將帶來新的挑戰(zhàn)，其需要的解決方案無法通過單獨優(yōu)化器件來實現(xiàn)。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(shè)計。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要取消靜態(tài)濾波器并以可調(diào)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(fā)時間，降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)間的互操作性。通用平臺要求射頻系統(tǒng)能幫助傳統(tǒng)上采用不同架構(gòu)的應(yīng)用充分發(fā)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(fù)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(fā)電能力，射頻系統(tǒng)消耗的每毫瓦電能都會直接轉(zhuǎn)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(zhàn)，打造出新一代的解決方案，需要采用一種新型無線電架構(gòu)。 超外差架構(gòu)與效益遞減現(xiàn)象 自提出以來，超外差架構(gòu)就一直是航空航天和防務(wù)系統(tǒng)無線電設(shè)計的中堅力量。無論是單人無線電、無人飛行器(UAV)數(shù)據(jù)鏈，還是信號情報(SIGINT) 接收器，單或雙混頻級超外差架構(gòu)都是通用的選擇。這種設(shè)計的優(yōu)勢非常明顯：合理的頻率規(guī)劃可以實現(xiàn)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(shè) 定，各級的增益分布允許在噪聲系數(shù)與線性度之間進行權(quán)衡。 圖1. 基本的超外差架構(gòu)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(shù)(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(shù)字校正和進一步的集成創(chuàng)造了條件。封裝技術(shù)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(jīng)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(shè)計，會增加系統(tǒng)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(gòu)造出可以在廣泛系統(tǒng)中重復(fù)利用的通用平臺設(shè)計。對于封裝技術(shù)，多數(shù)生產(chǎn)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(fù)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(gòu) 超外差架構(gòu)的一種替代方案是零中頻(Z I F)架構(gòu)，近年來，后者已經(jīng)作為一種潛在的解決方案重現(xiàn)市場。零中頻接收器采用一種單頻混頻級，其本振(LO)直接設(shè)為目標(biāo)頻段，把接收到的信號向下轉(zhuǎn)換至相位(I)和正交(Q)信號中的基帶。這種架構(gòu)可以緩解超外差架構(gòu)嚴(yán)格的濾波要求，因為所有模擬濾波處理均發(fā)生于基帶，在基帶中，相比定制射 頻/中頻濾波器，濾波器的設(shè)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(shù) 據(jù)，所以，可以降低相對于轉(zhuǎn)換帶寬的采樣速率，從而大幅降低功耗水平。從多個設(shè)計角度來看，零中頻收發(fā)器因降低了模擬前端的復(fù)雜性，減少了元件 數(shù) 量，所以可以大幅 降低SWaP。 圖2.零中頻架構(gòu) 然而，這種系統(tǒng)架構(gòu)有些缺陷需要解決。把頻率直接轉(zhuǎn)換為基帶的方法會帶來載波泄漏和鏡像頻率。從數(shù)學(xué)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(jié)果會導(dǎo)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(dǎo)致接收器靈敏度下降，造成無用的發(fā)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(gòu)適用的范圍。其原因有二：首先，零中頻架構(gòu)采用分立式實現(xiàn)方式，結(jié)果會在單片器件和印刷電路板(P C B)中導(dǎo)致失配問題。第二，單片器件可能來自不同的生產(chǎn)批次，因工藝本身的差異，要實現(xiàn)精確匹配極其困難。另外，分立式實現(xiàn)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(xiàn)正交校正算法。 集成式收發(fā)器帶來SWaP解決方案 將零中頻架構(gòu)集成到單片收發(fā)器中，這種方法為新一代系統(tǒng)提供了一個途徑。把模擬和射頻信號鏈設(shè)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(fā)器中，由此消除正交校準(zhǔn)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(guī)格上媲美超外差架構(gòu)。 圖4. AD9361和AD9371功能框圖 目前， ADI 公司有兩款收發(fā)器能滿足航空航天和防務(wù)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(shù)字信 號鏈集成到單片CMOS器 件上，整 合 的 數(shù) 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(guī)格和超低功耗的應(yīng)用，比如無人飛行器數(shù)據(jù)鏈、手持式和單人通信系統(tǒng)以及小型SIGINT等。AD9371面向要求超高性能規(guī)格和中等功耗的應(yīng)用而優(yōu)化。另外，該器件集成了一枚A RM?微處理器，用于實現(xiàn)精密校準(zhǔn)控制；一枚觀察接收器，用于實 現(xiàn) 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(yīng)用開啟了全新的設(shè)計潛力。現(xiàn)在，可以在小得多的封裝中實現(xiàn)采用寬帶波形或占用非連續(xù)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(tài)范圍和較寬的帶寬為實現(xiàn)SIGINT和相控陣?yán)走_作業(yè)創(chuàng)造了條件。 新一代就在當(dāng)下 借助長達100年的器件優(yōu)化經(jīng)驗，超外差架構(gòu)得以在尺寸不斷縮小、功耗不斷降低的平臺上實現(xiàn)不斷增強的性能。隨著物理限制的到來，這些改進已經(jīng)開始放緩步伐。新一代航空航天和防務(wù)平臺將要求采用全新的射頻設(shè)計方法。在這類方法中，若干平方英寸的現(xiàn)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(xiàn)當(dāng)前不可能的優(yōu)化和集成水平；減小的SWaP不再意味著性能的下降。 現(xiàn)在，借助AD9361和AD9371這一組合，航 空 航天和防務(wù)設(shè) 計師有能力構(gòu)造幾年前還不可能實現(xiàn)的系統(tǒng)。兩款器件具有許多共同點—可調(diào)諧的濾波器角、寬帶LO生成、分集能力、校準(zhǔn)算法等。但也存在關(guān)鍵的差異，每款器件均針對不同的應(yīng)用而優(yōu)化。AD9361側(cè)重于單載波平臺，其中，SWaP是主要驅(qū)動力。AD9371側(cè)重于寬帶、非連續(xù)平臺，其中，性能規(guī)格的實現(xiàn)難度更大。這兩款收發(fā)器將成為新一代航空航天和防務(wù)信號鏈的關(guān)鍵促成因素 作者 Wyatt Taylor Wyatt Taylor是ADI公司工業(yè)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(fā)器和軟件定義無線電(SDR)應(yīng)用。 之前，Wyatt曾是泰雷茲通信公司和Digital Receiver Technology Inc.的一名RF設(shè)計工程師。他于2005年和2006年分別獲得了弗吉尼亞理工大學(xué)的電機工程學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位。 Wyatt (WTaylor)是ADI公司免費的在線技術(shù)支持社區(qū)中文技術(shù)論壇的一名成員，網(wǎng)址為. David Brown David Brown is an RF system applications engineer with Analog Devices, in Greensboro, North Carolina. He joined ADI in 2015 and focuses primarily on aerospace and defense applications. David graduated from North Carolina State University in 2014 with a bachelor’s degree in electrical engineering. (mbbeetchina)