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多功效:逆境抑或现实?下一代航空航天通讯系统设计

宣布时间:2015年09月10日 11:09    宣布者:eechina
要害词: 航空航天 , 通讯系统 , 雷达 , 通讯平台
作者:Duncan Bosworth,ADI公司

下一代航空航天等通讯系统设计工程师正被推动到开发手艺先进、高度可装备系统的阶段,须要整合种种不合的功效和需求,集成之前经由历程自力系统完成的功效。显着,这样做的利益是可以增添义务平台须要支持的子系统数目,降低所有尺寸、重量和功耗 (SWaP),但由于还须要进一步支持认知和实时装备,其寻衅可谓令人怯步。可是,新一代高性能、宽带器件为该寻衅供应了潜在处置赏罚赏罚妄图,不只支持各系统请求的高性能水平,而且使命规模又异常宽,足以应对多功效寻衅。

许多此类未来系统的事实目的是完成完全由软件决议的架构, 以便能够静态改变、在现场更新或在工厂装备实验妄图和使命形式,无需或只需异常少的硬件更改。寻衅在于系统能够须要支持种种使命形式的超集, 这请求底层单一硬件能够知足所有能够须要的使命形式的手艺规格。

此类系统的一个例子是雷达和通讯平台。雷达系统除多形式雷达外,还欲望支持电子支援措施 (ESM);通讯系统除多波形通讯外,还欲望完成旌旗暗记情报 (SIGINT)功效。

在这两个例子中,系统均欲望整合宽带和窄带功效,而这些功效在线性度、静态规模和其他请求方面通常年夜相径庭。假定手艺规格没有探讨的余地,为了杀青主要目的,设计职员能够不克不及不在功耗或尺寸上作出让步。例如,推敲一个X波段雷达系统和一个宽带电子系统 (ELINT)。雷达系统的使命频率规模通常相对较窄,尺度值是8 GHz到12 GHz频段内的数百MHz。相比之下,ELINT系统的使命频率规模通常是2 GHz到18 GHz,涵盖所有S、C和X波段。假定假定这两个完成妄图的尺寸必须类似,那么能够须要在性能上作出让步以支持ELINT系统更宽的频率规模和笼罩。关于本例,通常可以用旌旗暗记链的线性度或功耗来换取带宽。

若将类似的理念应用于器件层面,则会不雅不雅察到异常的效果。关于宽带系统,器件至少有一个方面的性能会遭到影响,例如线性度、噪声性能或功耗等。下面的表1显示了集成压控振荡器 (VCO) 的宽带和窄带锁相环 (PLL) 的尺度性能协调。可以看到,窄带器件具有更好的尺度相位噪声、品行因数和功耗性能,但显着这是以殉国无邪性为价值来取得的。

表1. 集成VCO的尺度宽带和窄带PLL的性能较量
 

集成VCO的宽带PLL  ADF4351

时时彩集成VCO的窄带PLL  HMC837

输入频率

时时彩0.035  GHz至 4.4 GHz

1.025 GHz至 1.150 GHz

4.4 GHz

品行因数

–221  dBc/Hz

时时彩–230  dBc/Hz

VCO P/N @–114–120
100 kHz  (dBc/Hz)
VCO P/N @–134–147
1 MHz  (dBc/Hz)
尺寸

5  mm × 5 mm

6  mm × 6 mm

功耗

370  mW

168  mW


虽然在单个系统中完成多种系统规格时,总会有一些协调和让步,但下一代射频和微波器件和高速ADC将会减缓未来系统设计师的部门压力。CMOS和硅锗 (SiGe) 工艺和其他方面的前进,使得愈来愈多的数字功效可以被集成到新一代器件中。除无邪多变以外,先进的旌旗暗记处置赏罚赏罚才干还能供应校准或数字赔偿功效,使得系统所有的性能水平更靠近于对应的窄带系统,同时还能重新装备并应用更宽的带宽来支持所需的使命形式。

图1所示为一个基于多种最新射频和微波器件的通用宽带吸收机架构图。

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图1. 能够的宽带可再装备旌旗暗记链

虽然在现实应用中,上述架构能够须要特此外滤波和增益级来完成详细规格请求,但底层器件的无邪性支持完成带宽异常宽的监控系统架构。此外,可装备的数字旌旗暗记处置赏罚赏罚功效支持旌旗暗记链在须要时推行更多窄带功效。更妙的是,系统还能静态实时地厘革使命形式,从而有望与下游的其他数字旌旗暗记处置赏罚赏罚电路一起支持更多功效。

图中所示旌旗暗记链的前两级——低噪声镌汰年夜器 (LNA) 和混频器系接纳GaAS手艺完成。虽然宽带SiGe混频器已取得前进,但前端器件最好照样应用GaAs和GaN器件。两种情形下,HMC1049和HMC1048都能供应异常宽规模的性能和精彩的IP3,支持窄带和宽带操作。这些器件诠释,工艺前进使得单个器件便可以知足多种规格请求,而无需附加数字功效。数字功效嵌入射频器件的利益可以在旌旗暗记链的其他元件中看到。

新型PLL ADF5355集成VCO,支持54 MHz至13.6 GHz的射频输入,并供应宽规模的剖析器频率以供应用。该器件基于SiGe工艺,接纳四个自力集成的VCO内核,能够支持富厚多样的操作。每个内核应用256个交叠频段,使得器件能够笼罩很宽的频率规模而无需很高的VCO迅速度,相位噪声和杂散性能亦不受影响。器件外部集成的数字校准逻辑自动选择准确的VCO和频段。该器件使得旌旗暗记链既能支持54 MHz至13.6 GHz的射频扫描,也能视须要支持结实频率。同时,旌旗暗记链还能保持更多窄带系统操作所需的高性能水平,1 MHz偏移时的尺度相位噪声为–138 dBc/Hz。

ADA4961 ADC驱动器供应宽带性能和精彩的线性度。应用SPI和嵌入式数字控制,它在500 MHz时完成了90 dBc的IMD3性能,1.5 GHz时为–87 dBc。器件集成数字控制,支持增益控制和快速启动选项,使得器件可以凭证须要阻拦装备,最好地施展系统性能。快速启动还能前进系统的无邪性,由于当FA引脚被驱动时(通常由ADC的超规模检测输入驱动),它能迅速降低增益,使得ADC不会进入饱和状态。

旌旗暗记链中的最后一个器件是AD9680,它是最新高速转换器之一。该器件基于65 nm CMOS工艺,在14位分辨率时支持高达1 GSPS的采样速率。应用更高采样速率和GSPS转换器的带宽时,AD9680有才干以逾越1 GHz的频率对中频旌旗暗记阻拦欠采样。这与将系统数字转换点移近天线并前进系统无邪性的一连趋势是不合的。该器件不只供应业界争先的SFDR和SNR性能,而且集成了数字下变频 (DDC) 旌旗暗记处置赏罚赏罚,输入带宽可定制。

AD9680 ADC具有数字旌旗暗记处置赏罚赏罚装备才干,既支持宽带监控,又支持窄带功效。当禁用并旁路集成的DDC时,它能支持500 MHz以上的瞬时监控带宽。应用DDC时,数字数控振荡器 (NCO) 可设置为将窄带中频旌旗暗记数字混频至基带,然后由可装备的抽取滤波器降低数据速率;当器件以最年夜ADC采样速率使命时,输入数据带宽可降低至60 MHz。数字旌旗暗记处置赏罚赏罚不只可刷新较低带宽下的系统SNR,还能供应可装备宽带和窄带旌旗暗记链所需的无邪性。

虽然本例关注的是吸收机蹊径,但类似的器件和集成度也适用于发射机。新型DAC集成高度可装备的插值滤波器和数字上变频功效,可与类似以上所述的宽带射频和微波器件一起应用。

上例说清晰了了新一代宽带器件若何集成愈来愈多的数字旌旗暗记处置赏罚赏罚和功效,和这若何使未来系统具有静态装备才干,从而以史无前例的性能水平支持多形式使命。这与窄带和宽带操作没法共存的不雅不雅点相抵触。应当重视,以上质朴的剖析并未触及某些滤波难题或功耗剖析。这些因素能够会严重影响现实的设计选择和旌旗暗记链架构。可是,随着更高性能宽带器件的增多,和旌旗暗记处置赏罚赏罚才干的增强,未来高度可装备、具认知才干且由软件界说的系统看起来远景辽阔。

最后再举一例以便更好地诠释不雅不雅点,AD9361等集成射频IC器件完成的集成度简直到达极致,进一步证实数字和模拟功效之间的界线愈来愈模糊。AD9361接纳直接变频架构,集成了数字滤波和校准功效,高度无邪,支持70 MHz至6 GHz的射频输入频率和高达56 MHz的带宽。

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AD9361的装备才干支持普遍的应用,网罗雷达、通讯、数据链路。应用数字校准和处置赏罚赏罚,该器件能够战胜直接变频系统的许多尺度效果,并供应史无前例的集成度和装备才干,从而进一步支持认知和多功效系统。

之前,云云高的集成度和性能是弗成想象的。此外,由于没法战胜随频率和温度的镜像榨取等限制因素,许多系统设计师不克不及不避开直接变频架构。数字和模拟功效的更高耦合度,和现在的器件中集成的高等校准和处置赏罚赏罚功效,供应明确决之道,在前进无邪性的同时而不会显着影响性能和功耗。虽然应用由分立器件组成的窄带公用旌旗暗记链仍能取得更好的性能,但差距已然在镌汰。
软件界说系统的事实目的是一个射频和微波旌旗暗记链合适所有应用,理想情形是收发器等单个器件可支持多功效和认知应用。现实上,所有系统离这个目的能够都有一段距离,但最新的生长和前进使得种种新半导体器件集成的功效愈来愈多,我们离目的已愈来愈靠近。除刷新传统的射频性能以外,数字旌旗暗记处置赏罚赏罚还能减主要战胜某些多形式寻衅。能够要不了多长时间,接纳单个器件或级联宽带器件的单一处置赏罚赏罚妄图便可以知足所有应用需求,软件界说系统事实妄图成真。


作者

Duncan Bosworth [duncan.bosworth@analog.com]是ADI公司航空航天与防务营业部的营销和应用总监。在供职于ADI公司之前,Duncan从事高等防务工程设计已逾越17年。Duncan于2001年取得英国约克年夜学的工程硕士学位,而且是英国特许工程师。
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