作者：Wyatt Taylor and David Brown

下一代航空航天和國防平臺帶來了新的挑戰，需要的解決方案超出了通過單個設備優化所能實現的解決方案。將更多的軟件控制和認知功能集成到無線電中需要頻率和帶寬更靈活的RF設計。為了實現這一目標，需要移除靜態濾波器，并用可調諧濾波器代替。同樣，通用平臺的概念將允許更短的開發時間，降低制造成本，并提供系統之間的更大互操作性。通用平臺要求RF系統能夠為傳統上具有非常不同架構的應用提供全部性能。最后，未來的平臺正在將尺寸和功率需求推向一個新的極端。

手持式士兵無線電變得越來越強大和復雜，但同時需要提高電池效率。小型無人機缺乏大型飛機的發電能力，射頻系統消耗的每一毫瓦都直接轉化為有效載荷電池重量，從而縮短了飛行時間。為了克服這些挑戰并創建下一代航空航天和國防解決方案，需要一種新的無線電架構。

超外差架構和收益遞減

自成立以來，超外差架構一直是航空航天和國防系統無線電設計的支柱。無論是士兵無線電、無人機（UAV）數據鏈路，還是信號情報（SIGINT）接收器，單混頻級或雙混頻級超外差架構都是常見的選擇。這種設計的好處是顯而易見的：適當的頻率規劃可以實現非常低的雜散發射，通道帶寬和選擇性可以通過中頻（IF）濾波器設置，兩級之間的增益分布允許在優化噪聲系數和線性度之間進行權衡。

圖1.基本超外差架構。

在100多年的使用中，整個信號鏈中的超外差性能都有顯著提高。微波和射頻器件提高了性能，同時降低了功耗。ADC和DAC提高了采樣速率、線性度和有效位數（ENOB）。FPGA和DSP的處理能力遵循摩爾定律，并隨著時間的推移而增加，從而實現更高效的算法、數字校正和進一步集成。封裝技術縮小了器件引腳密度，同時改善了熱處理能力。

然而，這些特定于設備的改進開始達到收益遞減的地步。雖然RF元件遵循了減小尺寸、重量和功耗（SWaP）的趨勢，但高性能濾波器的物理尺寸仍然很大，并且通常是定制設計，增加了整體系統成本。此外，IF濾波器設置平臺的模擬通道帶寬，因此難以創建可在各種系統中重復使用的通用平臺設計。對于封裝技術，大多數生產線不會低于 0.65 mm 或 0.8 mm 的球間距，這意味著具有許多 I/O 要求的復雜設備的物理尺寸是有限的。

零中頻架構

近年來重新成為潛在解決方案的超外差架構的替代方案是零中頻（ZIF）架構。ZIF 接收器利用單頻率混合級，將本振 （LO） 直接設置為目標頻帶，將接收到的信號轉換為相位 （I） 和正交 （Q） 信號的基帶。這種架構減輕了超外差的嚴格濾波要求，因為所有模擬濾波都發生在基帶，與定制RF/IF濾波器相比，基帶的濾波器更容易設計且成本更低。ADC和DAC現在在基帶上工作I/Q數據，因此可以降低相對于轉換帶寬的采樣速率，從而節省大量功耗。對于許多設計方面，ZIF收發器由于降低了模擬前端復雜性和元件數量，從而顯著降低了SWaP。

圖2.零中頻架構。

但是，這種系統架構存在需要解決的缺點。這種到基帶的直接頻率轉換引入了載波泄漏和鏡像頻率分量。在數學上，I 和 Q 信號的虛部由于它們的正交性而被抵消（圖 3）。由于實際因素，如工藝變化和信號鏈中的溫度增量，不可能在I和Q信號之間保持完美的90°相位偏移，從而導致鏡像抑制性能下降。此外，混頻級中不完美的LO隔離會引入載流子泄漏成分。如果不加以校正，圖像和載波泄漏會降低接收器的靈敏度，并產生不希望的發射光譜發射。

圖3.零中頻圖像消除。

從歷史上看，I/Q不平衡限制了適合ZIF架構的應用范圍。這是由于兩個原因：首先，ZIF架構的分立實現將在單片器件和印刷電路板（PCB）中出現不匹配。除此之外，單片器件可以從不同的制造批次中提取，由于原生工藝變化，精確匹配非常困難。分立實現還將使處理器與RF組件物理分離，使得正交校正算法很難跨頻率、溫度和帶寬實現。

集成收發器提供SWaP解決方案

將ZIF架構集成到單片收發器器件中，為下一代系統提供了前進的道路。通過將模擬和RF信號鏈放在一塊硅片上，工藝變化將保持在最低限度。此外，DSP模塊可以集成到收發器中，從而消除了正交校準算法和信號鏈之間的界限。這種方法既提供了無與倫比的SWaP改進，又可以在性能規格方面與超外差架構相匹配。

圖4.AD9361和AD9371原理框圖

ADI公司現在提供兩款收發器，分別是AD9361和AD9371，以滿足航空航天和國防市場的需求。這些器件將完整的RF、模擬和數字信號鏈集成到單個CMOS器件上，并包括數字處理功能，可在所有過程、頻率和溫度變化范圍內實時運行正交和載波泄漏校正。AD9361專注于中等性能規格和超低功耗，如無人機數據鏈路、手持式和便攜式通信系統以及小尺寸SIGINT。AD9371針對極高性能規格和中等功耗進行了優化。此外，該器件還集成了一個用于精細校準控制的 ARM 微處理器，以及一個用于功率放大器 （PA） 線性化的觀察接收器和一個用于空白檢測的嗅探器接收器。這為不同的應用套件開辟了新的設計潛力。使用寬帶波形或占用非連續頻譜的通信平臺現在可以以更小的外形尺寸實現。高動態范圍和寬帶寬允許在射頻頻譜高度擁塞的位置運行SIGINT、EW和相控陣雷達。?

下一代就是現在

100 年的器件優化使超外差能夠在不斷更小、更低功耗的平臺上實現越來越高的性能。隨著物理限制的出現，這些改進開始放緩。下一代航空航天和國防平臺將需要一種新的射頻設計方法，將現有平臺的幾平方英寸集成到單個設備中，軟件和硬件之間的界限模糊，允許優化和集成目前不可用，SWaP降低不再意味著性能下降。

AD9361和AD9371的結合使航空航天和國防設計人員能夠創建幾年前不可能實現的系統。這些器件有許多相似之處——可調諧濾波器轉折點、寬帶LO生成、分集能力和校準算法。但是，存在一些關鍵差異，這些差異促使每個部件針對不同的應用進行優化。AD9361專注于單載波平臺，其中SWaP是主要驅動力。AD9371專注于寬帶、不連續平臺，在這些平臺上，性能規格更難實現。這兩款收發器將成為下一代航空航天和國防信號鏈的關鍵推動因素。

審核編輯：郭婷