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多功能通訊系統:困境抑或現實?

上網時間: 2015年11月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:寬頻接收機  VCO  PLL  ADC  LNA 

作者:Duncan Bosworth,ADI航空航太與防務業務部行銷和應用總監

下一代航空航太等通訊系統設計工程師正被推進到開發技術先進、高度可配置系統的階段,需要整合各種不同的功能和需求,整合以前透過獨立系統實現的功能。顯然,這樣做的好處是可以減少任務平台需要支援的子系統數量,降低整體尺寸、重量和功耗(SWaP),但由於還需要進一步支援認知和即時配置,其挑戰可謂令人怯步。然而,新一代高性能、寬頻元件為該挑戰提供了潛在解決方案,不僅支援各系統要求的高性能水準,而且工作範圍非常寬廣,足以因應多功能通訊系統的挑戰。

許多此類未來系統的終極目標是實現完全由軟體決定的架構,以便能夠動態改變、在現場更新或在工廠配置建置方案和工作模式,無需或只需非常少的硬體更改。挑戰在於系統可能需要支援各種工作模式的超集合,這要求底層單一硬體能夠滿足所有可能需要的工作模式技術規格。

此類系統的一個例子是雷達和通訊平台。雷達系統除了多模式雷達以外,還希望支援‘電子支援措施’(ESM);通訊系統除了多波形通訊以外,還希望實現訊號情報(SIGINT)功能。

在這兩個例子中,系統均希望整合寬頻和窄頻功能,而這些功能在線性度、動態範圍和其他要求方面通常大相徑庭。如果技術規格沒有商量的餘地,為了達成首要目標,設計人員可能不得不在功耗或尺寸上作出讓步。例如,考慮一個X波段雷達系統和一個寬頻電子系統(ELINT)。雷達系統的工作頻率範圍通常相對較窄,典型值是8GHz到12GHz頻段內的數百MHz。相形之下,ELINT系統的工作頻率範圍通常是2GHz到18GHz,涵蓋所有S、C和X波段。如果假設這兩種建置方案的尺寸必須相同,那麼可能必須在性能上作出讓步,以支援ELINT系統更寬的頻率範圍和覆蓋。對於本例,通常可以用訊號鏈的線性度或功耗來換取頻寬。

若將相同的理念運用於元件層面,則會觀察到同樣的問題。對於寬頻系統,元件至少有一個方面的性能會受到影響,例如線性度、雜訊性能或功耗等。表1顯示整合壓控振盪器(VCO)的寬頻和窄頻鎖相環(PLL)典型性能折衷。可以看到,窄頻元件具有更好的典型相位雜訊、品質因數和功耗性能,但顯然這是以犧牲靈活性為代價所取得的。


整合VCO的典型寬頻和窄頻PLL性能比較

雖然在單一系統中實現多種系統規格時,總會有一些折衷和讓步,但下一代射頻(RF)和微波元件以及高速ADC將會緩解未來系統設計師的部份壓力。CMOS和矽鍺(SiGe)製程以及其他方面的進步,使得越來越多的數位功能可以被整合到新一代元件中。除了靈活多變以外,先進的訊號處理能力還能提供校準或數位補償功能,使得系統整體的性能水準更接近於對應的窄頻系統,同時還能重新配置並利用更寬的頻寬來支援所需的工作模式。

圖中顯示一個基於多種最新RF和微波元件的通用寬頻接收機架構圖。


可能的寬頻可再配置訊號鏈

雖然在實際應用中,上述架構可能需要額外的濾波和增益級來實現具體規格要求,但底層元件的靈活性支援實現頻寬非常寬廣的監控系統架構。此外,可配置的數位訊號處理功能支援訊號鏈在需要時執行更多的窄頻功能。更妙的是,系統還能動態即時地變更工作模式,從而有望與下游的其他數位訊號處理電路一起支援更多功能。

圖中所示訊號鏈的前兩級——低雜訊放大器(LNA)和混頻器採用GaAS技術建置。雖然寬頻SiGe混頻器已取得進步,但前端元件最好還是使用GaAs和GaN元件。兩種情況下,HMC1049和HMC1048都能提供非常寬廣範圍的性能和出色的IP3,支援窄頻和寬頻作業。這些元件說明,製程進步使得單一元件就能滿足多種規格要求,而無需附加數位功能。數位功能嵌入RF元件的好處可以在訊號鏈的其他元件中看到。

新型PLL ADF5355整合VCO,支援54MHz至13.6GHz的RF輸出,並提供寬廣範圍的合成器頻率以供使用。該元件基於SiGe製程,採用四個獨立整合的VCO核心,能夠支持豐富多樣的作業。每個核心使用256個交疊頻段,使得元件能夠覆蓋寬廣的頻率範圍而無需很高的VCO靈敏度,相位雜訊和雜散性能亦不受影響。元件內部整合的數位校準邏輯自動選擇正確的VCO和頻段。該元件使得訊號鏈既能支援54MHz至13.6GHz的RF掃描,也能視需要支援固定頻率。同時,訊號鏈還能維持更多窄頻系統作業所需的高性能水準,1MHz偏移時的典型相位雜訊為-138dBc/Hz。

ADA4961 ADC驅動器提供寬頻性能和出色的線性度。利用SPI和嵌入式數位控制,它在500MHz時實現了90dBc的IMD3性能,1.5GHz時為-87dBc。元件整合數位控制,支援增益控制和快速啟動選項,使得元件可以根據需要進行配置,最佳地發揮系統性能。快速啟動還能提高系統的靈活性,因為當FA接腳被驅動時(通常由ADC的超範圍檢測輸出驅動),它能迅速降低增益,使得ADC不會進入飽和狀態。

訊號鏈中的最後一個元件是AD9680,它是最新高速轉換器之一。該元件基於65nm CMOS製程,在14位元解析度時支援高達1GSPS的採樣速率。使用更高採樣速率和GSPS轉換器的頻寬時,AD9680有能力以超過1GHz的頻率對中頻訊號進行低採樣(undersampling)。這與將系統數位轉換點移近天線並提高系統靈活性的持續趨勢是一致的。該元件不僅提供先進的SFDR和SNR性能,而且整合了數位下變頻(DDC)訊號處理,輸出頻寬可客製。

AD9680 ADC具有數位訊號處理配置能力,既支援寬頻監控,又支援窄頻功能。當禁用並旁路整合的DDC時,它能支援500MHz以上的暫態監控頻寬。使用DDC時,數位數控振盪器(NCO)可設置為將窄頻中頻訊號數位混頻至基頻,然後由可配置的抽取濾波器降低資料速率;當元件以最大ADC採樣速率工作時,輸出資料頻寬可降低至60MHz。數位訊號處理不僅可改善較低頻寬下的系統SNR,還能提供可配置寬頻和窄頻訊號鏈所需的靈活性。

雖然本例關注的是接收機路徑,但類似的元件和整合度也適用於發射機。新型DAC整合高度可配置的插值濾波器和數位上變頻功能,可與類似以上所述的寬頻RF和微波元件一起使用。

上例說明了新一代寬頻元件如何整合越來越多的數位訊號處理和功能,以及這如何使未來系統具有動態配置能力,從而以前所未有的性能水準支援多模式工作。這與窄頻和寬頻作業無法共存的觀點相矛盾。應當注意,以上簡單的分析並未涉及某些濾波難題或功耗分析。這些因素可能會嚴重影響實際的設計選擇和訊號鏈架構。然而,隨著更高性能寬頻元件的增加,以及訊號處理能力的增強,未來高度可配置、具認知能力且由軟體定義的系統看起來前景廣闊。

最後再舉一例以便更詳細地闡明觀點,AD9361等整合RFIC元件實現的整合度幾乎達到極致,進一步證明數位和類比功能之間的界限越來越模糊。AD9361採用直接變頻架構,整合了數位濾波和校準功能,高度靈活,支援70MHz至6GHz的RF輸入頻率和高達56MHz的頻寬。

AD9361的配置能力支援廣泛的應用,包括雷達、通訊、資料連結。利用數位校準和處理,該元件能夠克服直接變頻系統的許多典型問題,並提供前所未有的整合度和配置能力,從而進一步支援認知和多功能系統。

以前,如此高的整合度和性能是無法想像的。此外,由於無法克服隨頻率和溫度的鏡像抑制等限制因素,許多系統設計人員不得不避開直接變頻架構。數位和類比功能的更高耦合度,以及現在的元件中整合的先進校準和處理功能,提供了解決之道,在提高靈活性的同時而不會顯著影響性能和功耗。雖然使用由獨立元件構成的窄頻專用訊號鏈仍能獲得更好的性能,具其差距已然縮小。

軟體定義系統的終極目標是一個RF和微波訊號鏈適合所有應用,理想情況是收發器等單一元件可支援多功能和認知應用。實際上,所有系統離這個目標可能都有一段距離,但最新的發展和進步使得各種新半導體元件整合的功能越來越多,我們離目標已越來越接近。除了改善傳統的RF性能以外,數位訊號處理還能緩解和克服某些多模式挑戰。可能要不了多長時間,採用單一元件或一系列寬頻元件的單一解決方案就能滿足所有應用需求,軟體定義系統最終夢想成真。





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