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射频收发器为航空航天和防务应用 供应突破性的 SWaP 处置赏罚赏罚妄图

宣布时间:2016年11月04日 14:11    宣布者:eechina
要害词: SWaP , 射频收发器 , 航空航天
作者:Wyatt Taylor 和 David Brown

新一代航空航天和防务平台将带来新的寻衅,其须要的处置赏罚赏罚妄图没法经由历程伶仃优化器件来完成。在无线电中集成更多的软件控制和认知才干,须要接纳一种在频率和带宽方面更具无邪性的射频设计。为了完成这一目的,须要撤消静态滤波器并以可调谐型滤波器取而代之。类似地,通用平台的看法将有助于延张开发时间,下出世产资源,前进系统间的互操作性。通用平台请求射频系统能赞助传统上接纳不合架构的应用充实验展其性能。最后,未来的平台将把尺寸和功耗需求推向新的极端。

手持式单人无线电的功效赓续增强,严重年夜性也赓续前进,同时也须要更高的电池效力。小型无人飞翔器不具有年夜型飞机的发电才干,射频系统消耗的每毫瓦电能都邑直接转化成有用载荷电池重量,由此会延伸飞翔时间。为了战胜这些寻衅,打造出新一代的处置赏罚赏罚妄图,须要接纳一种新型无线电架构。

超外差架构与效益递减情形


自提出以来,超外差架构就一直是航空航天和防务系统无线电设计的中坚实力。岂论是单人无线电、无人飞翔器(UAV)数据链,照样旌旗暗记情报(SIGINT) 吸收器,单或双混频级超外差架构都是通用的选择。这类设计的优势异常显着:公正的频率妄图可以完成超低的杂散辐射,通道带宽和选择性可经由历程当中频(I F)滤 波器设 定,各级的增益漫衍允许在噪声系数与线性度之间阻拦权衡。

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图1. 基本的超外差架构的

在100多年的应用中,超外差在一切旌旗暗记链中的性能取得了显着提升。微 波 和 射 频 器 件 提 高了性 能,同 时 还 降 低了功 耗。ADCDAC前进了采样速率、线性度和有用位数(ENOB)。FPGADSP的处置赏罚赏罚才干遵守摩尔定律,随着时间的推移取得了提升,为更高效的算法、数字校订和进一步的集成创作缔造了条件。封装手艺镌汰了器件引脚的密度,同时刷新了封装的散热才干。

可是,这些因器件而异的刷新曾经泉源走向效益递减点。虽然射频元件的趋势是减小尺寸、重量和功耗(SWaP) —但高性能滤波器的物理尺寸依然较年夜,通常接纳定制式设计,会增添系统的所有资源。另外,中频滤波器决议着平台的模拟通道带宽,是以很难结构出可以在普遍系统中重复应用的通用平台设计。关于封装手艺,多数临盆线不会接纳低于0.65 mm或0.8 mm的引脚间距,这意味着,有着多种I/O请求的严重年夜器件在物理尺寸上可以小型化的水平是存在限制的。

零中频架构

超外差架构的一种替换妄图是零中频(Z I F)架构,近年来,后者曾经作为一种潜在的处置赏罚赏罚妄图重现市场。零中频吸收器接纳一种单频混频级,其本振(LO)直接设为目的频段,把吸收到的旌旗暗记向下转换至相位(I)和正交(Q)旌旗暗记中的基带。这类架构可以减缓超外差架构严酷的滤波请求,由于一切模拟滤波处置赏罚赏罚均发生于基带,在基带中,相比定制射 频/中频滤波器,滤波器的设计要质朴许多,资源也要低一些。云云一来,ADC和DAC就在基带中作用于I/Q数 据,以是,可以降低相关于转换带宽的采样速率,从而年夜幅降低功耗水平。从多个设计角度来看,零中频收发器因降低了模拟前端的严重年夜性,增添了元件 数 量,以是可以年夜幅 降低SWaP。

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图2.零中频架构

可是,这类系统架构有些弱点须要处置赏罚赏罚。把频坦率接转换为基带的措施会带来载波走漏和镜像频率。从数学下去看,I和Q旌旗暗记的虚部会因其正交性而相互抵消(如图3)。受真 实 因 素 的 影 响(比 如 工艺差异、旌旗暗记链里的温度差异),弗成能在I旌旗暗记与Q旌旗暗记之间保持完善的90°相位偏移,效果会招致镜像榨取性能降低。另外,混频级里不完善的LO隔离会带来载波走漏。假定不予以校订,则镜像和载波走漏效果能够会招致吸收器迅速度降低,组成无用的发射频谱辐射。

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图3.零中频镜像扫除

从历史下去看,I/Q不平衡效果限制了零中频架构适用的规模。其启事有二:首先,零中频架构接纳分立式完成要领,效果会在单片器件和印刷电路板(P C B)中招致掉落配效果。第二,单片器件能够来自不合的临盆批次,因工艺自己的差异,要完成准确婚配极端艰辛。另外,分立式完成要领也会使处置赏罚赏罚器与射频元件在物理上相划分,很难横跨频率、温度和带宽元件完成正交校订算法。

集成式收发器带来SWaP处置赏罚赏罚妄图

将零中频架构集成到单片收发器中,这类措施为新一代系统供应了一个蹊径。把模拟和射频旌旗暗记链设在统一片硅片上,可以最年夜限制地降低工艺差异的影响。此外,DSP模块可以整合到收发器中,由此扫除正交校准算法与旌旗暗记链之间的界线。这类措施不只可以史无前例地刷新SWaP性能,还能在性能规格上媲美超外差架构。

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图4. AD9361和AD9371功效框图

现在, ADI 公司有两款收发器能知足航空航天和防务市场的需求, 它们是AD9361 和AD9371。这些器件把完全的射频、模拟和数字信 号链集成到单片CMOS器 件上,整 合 的 数 字 处 理 模 块可以实 时运 行正交和载波走漏校订算法,不受任何工艺、频率和温度差异的影响。AD9361重点面向请求中等性能规格和超低功耗的应用,好比无人飞翔器数据链、手持式和单人通讯系统和小型SIGINT等。AD9371面向请求超高性能规格和中等功耗的应用而优化。另外,该器件集成了一枚A RM®微处置赏罚赏罚器,用于完成周详校准控制;一枚不雅不雅察吸收器,用于实 现 功率放 年夜器(PA)线性化;和一个嗅探吸收器,用于探测空缺空间。这就为浩荡不合的应用开启了全新的设计潜力。现在,可以在小许多的封装中完成接纳宽带波形或占用非一连频谱的通讯平台了。在射一再再三再三谱高度拥堵的所在,较高的静态规模和较宽的带宽为完成SIGINT和相控阵雷达作业创作缔造了条件。

新一代就在当下

借滋生达100年的器件优化履历,超外差架构得以在尺寸赓续镌汰、功耗赓续降低的平台上完成赓续增强的性能。随着物理限制的到来,这些刷新曾经泉源放缓措施。新一代航空航天和防务平台将请求接纳全新的射频设计措施。在这类措施中,若干平方英寸的现有平台将集成到单片器件中;软件与硬件之间的界线被模糊,可完成以后弗成能的优化和集成水平;减小的SWaP不再意味着性能的降低。

现在,借助AD9361和AD9371这一组合,航 空 航天和防务设 计师有才干结构几年前还弗成能完成的系统。两款器件具有许多合营点—可调谐的滤波器角、宽带LO天生、分集才干、校准算法等。但也存在要害的差异,每款器件均针对不合的应用而优化。AD9361着重于单载波平台,其中,SWaP是主要驱动力。AD9371着重于宽带、非一连平台,其中,性能规格的完成难度更年夜。这两款收发器将成为新一代航空航天和防务旌旗暗记链的要害促进因素。

作者

Wyatt Taylor是ADI公司工业和仪器仪表部门(位于北卡罗莱纳州格林斯博罗)的一名RF工程师, 主要起劲于集成式收发器和软件界说无线电(SDR)应用。 之前,Wyatt曾是泰雷兹通讯公司和Digital Receiver Technology Inc.的一名RF设计工程师。他于2005年和2006年划分取得了弗吉尼亚理工年夜学的电机工程学学士和硕士学位。 Wyatt (WTaylor)是ADI公司收费的在线手艺支持社区中文手艺服装网服装论坛的一名成员,网址为

David Brown 是ADI公司(美国北卡罗来纳州格林斯博罗)的射频系统应用工程师。他于2015年加入ADI公司,主要 从事航空航天和防务应用研发使命。David于2014年卒业于北卡罗来纳州立年夜学,获电气工程学士学位。

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