多波段雷達和電子戰 （EW） 應用對寬帶、高動態范圍、敏捷頻譜監測具有很高的價值。越來越高的采樣速率數據轉換器允許對無線電前端進行架構更改，從而縮小尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C），保持性能，并向軟件可編程通用硬件發展。我們將解釋使這個寬帶軟件定義無線電時代有望改變電子戰和多頻段雷達架構的技術進步。

討論遵循一系列頻率規劃數據，這些數字顯示了先進的數據轉換器技術所支持的改進寬帶頻譜掃描方法的進展。該示例是 500 MHz 至 18+ GHz EW 數字接收器。注釋圖顯示了給定方法為什么需要頻率規劃，以及什么允許在保持動態范圍的同時連續改進SWaP-C和靈活性。在改進方案的過程中，您將看到接收器RF圖像變得更容易尋址，從而實現軟件定義的靈活性。對可調諧預選以殺死多音IMD2的需求不會隨著該方法而改變，即使直接采樣變得越來越廣泛，未來仍將是關鍵需求。

昔日的光譜傳感

不久前，業界領先的數字接收器采用AD9467等數字數據轉換器，在高動態范圍內覆蓋高達幾百MHz的瞬時帶寬（iBW）。它們以遠低于1 GSPS的速度采樣，帶寬以直流（零中頻，也稱為ZIF）為中心或以中頻偏移（射頻直接采樣）為中心。ZIF需要IQ調制器和解調器以及正交糾錯（QEC）來實現鏡像抑制。1,2雷達和電子戰應用通常需要寬iBW和高鏡像抑制。由于iBW超過幾百MHz，因此很難實現實現可接受的鏡像抑制的QEC，而按照當今的電子戰和雷達標準，iBW的要求不高。這就是為什么高性能、高帶寬的多頻段雷達和電子戰更喜歡在第一和第二奈奎斯特區對寬iBW進行后一種RF直接采樣。

為了覆蓋奈奎斯特區以外的頻譜，RF調諧器使用掃描本振（LO）混頻器將iBW滑動塊的頻率轉換為與數據轉換器直接采樣區匹配的固定IF。圖1是饋入低采樣速率數據轉換器的典型雙頻轉換低中頻接收器的框圖。這些接收器具有高動態范圍。

圖1.用于低中頻數字接收器的雙混頻器頻率轉換。

圖2是使用圖1中的低IF方案采用的頻率規劃。與數字數據轉換器一樣，RF調諧器需要高RF鏡像抑制，以避免信號模糊、雜散和噪聲。單RF混頻調諧器方法（紅色x）不符合鏡像抑制要求，因為IF頻率太低，無法在所需頻段（綠色）和鏡像頻段（紅色）之間留出足夠的間距。分離不充分使得所需的RF輸入濾波器無法（或不切實際，即太大和/或昂貴）。因此，采用雙混頻器兩級頻率轉換，通常稱為超外差接收器。輸入RF的頻率轉換為中高IF，比最終的直接采樣IF高幾GHz。高中頻經過RF濾波，頻率再次轉換到最終IF，在那里直接采樣。這種方法允許現實的高性能RF濾波器滿足鏡像抑制要求。這些RF濾波器在SWaP-C帕累托系統中處于較高位置。

需要RF預選器濾波（圖2，黃色）來緩解多阻斷因子引起的IMD2雜散（即F2 ? F1和F2 + F1）。IMD2 緩解的要求與圖像問題無關，但前端過濾通常可以同時解決這兩個問題。

圖2.使用窄帶超外差調諧的舊光譜掃描。

當今光譜傳感 （MxFE）

今天的寬帶光譜傳感方法在過去的日子里得到了改進。得益于ADI公司的混合信號前端（MxFE），ADC采樣速率足夠高，您可以在前面提到的第一個混頻器之后對中間高IF進行直接采樣。因此，在當今采用MxFE的寬帶接收器中，RF調諧器通常不需要雙混頻器級。第二個奈奎斯特IF直接采樣的頻率足夠高，允許所需輸入RF頻段和圖像頻段的足夠頻率間隔，以便可實現的RF濾波器可以完成這項工作。圖3顯示了當今的單混頻器方法，頻率規劃如圖4所示。?

圖4.當今的頻譜掃描方法，將寬帶單混頻器調諧到6 GSPS ADC的MxFE采樣中。混頻器低邊帶翻轉為直接采樣帶，并使用LO進行掃描。

如今，SWaP-C 的最大節省來自于消除了混頻器、RF 放大器、濾波器和其他組件的整個頻率轉換級。當今更高IF能力的另一個SWaP-C優勢是，直接采樣現在可以覆蓋大部分LF至5.5 GHz。因此，您并不總是需要一個覆蓋低至 2 GHz 的 RF 調諧器。在很多情況下，您可以使用 5 GHz 至 18 GHz RF 調諧器。將調諧器的下限從2 GHz轉移到5.5 GHz似乎很小，但意義重大，因為它簡化了濾波、頻率規劃和所需的LO范圍。需要注意的是，您仍然需要弄清楚如何彌補第一和第二奈奎斯特之間的差距，在6 GSPS ADC中，奈奎斯特大約為2.7 GHz至3.3 GHz。另一個考慮因素是需要開關或可調諧ADC抗混疊RF濾波器，以便在第一和第二奈奎斯特操作之間切換。

RF濾波器在系統SWaP-C帕累托中保持較高電平，因為它們：

高性能，需要低IL、平通帶和陡峭的剔除裙

大型，在氧化鋁等高 Q 陶瓷上使用分布平面幾何形狀

仍然需要很多

仍然需要亞倍頻程RF預選器，但要求可能會放寬，允許不太激進的濾波。好處是直接信號鏈不使用RF混頻器，這應該可以提高IP2。

總結一下當今的方案，高中頻下的寬帶奈奎斯特采樣通過消除整個RF混頻器級來改善SWaP-C和iBW。然而，它仍然需要大量分立式MMIC排列在特定應用產品線中，以及大量的高Q值平面濾波器和結構。因此，仍然需要昂貴、復雜的調諧器來驅動痛苦的SWaP-C交易（見圖8）。SWaP-C仍在尋求變革性的飛躍，它即將到來。

近期的光譜傳感

展望未來，更高的采樣速率數字數據轉換器將使我們越過臨界點，以最小的SWaP-C獲得完全軟件定義的寬帶無線電。如今，許多公司已經銷售了10GHz的高速數據轉換器，但買家要注意：密切關注多阻塞器動態范圍。為了使高RF直接采樣數據轉換器能夠轉換雷達和電子戰，必須保持其窄帶前代產品的出色動態范圍。隨著采樣率和iBW的提高，保持出色的噪聲和線性度（即動態范圍）是困難的，并且依賴于無數的架構考慮因素。這就是ADI與競爭對手的不同之處。

下一代更高采樣速率的數據轉換器將允許對前面提到的當今MxFE方案進行許多架構改進。我們認為以下三個因素最為重要：

直接RF采樣更高的IF，將所需波段和鏡像帶分開得足夠遠，從而使用Q值較低的可調諧MMIC濾波器就足夠了。在第二奈奎斯特中引導采樣的 MxFE 能力最高約為 6 GHz。 ADI公司的下一代高速數字數據轉換器將顯著擴展這一覆蓋范圍，由此帶來巨大的收益。3

現在，您終于消除了平面高Q值陶瓷濾波器，這節省了大量的SWaP-C。

RF濾波器從固定（每個用例都有一組自定義濾波器）到可調諧。這意味著可以通過軟件對單寬帶硬件配置進行編程，以優化許多用例中許多客戶頻率方案的正確性能交易。

從低頻到毫米波 （mmW） 的直接射頻采樣，奈奎斯特間隙除外。在這個直接采樣區，您一邊進行數字調諧，一邊引導RF可調諧濾波器敲低IMD2誘導阻塞信號。雷達中常見的非連續多頻段系統可能會消除RF混頻器并避免奈奎斯特區之間的間隙。在這種情況下，框圖進一步簡化到圖5所示，直接RF采樣雷達和數字波束成形起飛。需要連續頻譜覆蓋的系統（在電子戰中很常見）仍然需要一個RF混頻器級來覆蓋第一和第二奈奎斯特區之間的間隙，因此框圖看起來更像圖3。盡管如此，由于前面提到的原因，SWaP-C的減少還是實現了。

廣泛的片上可編程數字信號處理（DSP）功能，可處理高速寬帶數據流。4,5負責處理數字轉換器數據有效負載的下游FPGA是系統中尺寸、功耗和成本最差的瓶頸。在數據轉換器芯片上實現多樣化、靈活的DSP可以提高能效，并釋放外部FPGA資源用于更高級別的任務特定算法，或者允許更小、更便宜、更冷的FPGA類別。

圖5.直接射頻采樣數字接收器。

為了說明頻率規劃的優勢，圖6和圖7顯示了一種EW方案，可提供高達44 GHz的連續頻譜覆蓋，ADC的時鐘頻率為18 GSPS。第一個奈奎斯特射頻直接采樣覆蓋低頻 - 8 GHz。奈奎斯特間隙為8 GHz至10 GHz，第二次奈奎斯特RF直接采樣覆蓋10 GHz至16 GHz。RF調諧器通過將7 GHz至11 GHz翻轉為2 GHz至6 GHz的IF，覆蓋奈奎斯特間隙和頻帶重疊。混頻器的輸入端需要可調諧帶通。LPF 拒絕映像，HPF 拒絕 IF 饋通。

圖6.明天的光譜掃描覆蓋了奈奎斯特1號和奈奎斯特2號之間的間隙。

RF調諧器還覆蓋ADC RF直接采樣范圍之外的更高頻率，如圖7所示。在本例中，10 GHz至14 GHz的高IF采樣將鏡像帶推得足夠遠，以便較低Q MMIC可調諧濾波能夠實現所需的鏡像抑制。從信號鏈中消除了高SWaP-C固定濾波。

圖7.明天的光譜掃描使用調諧器覆蓋毫米波。

使用RF調諧器的另一個優點是增加了靈活性。您嘗試引導采樣的頻率越高，ADC的噪聲和線性度可能會降低，或者您可能更喜歡某些沒有HD2和/或HD3的ADC頻率區域。如果與直接RF采樣相比，使用RF調諧器可以獲得更好的性能，則運行時軟件決策可以即時切換模式。

盡管頻率規劃和濾波有所簡化，但對預選亞倍頻程濾波的需求將一直延續到未來，并且只能通過對數據轉換器和RF調理路徑的IP2改進來提供幫助。例如，寬帶RF放大器繼續提高IP2性能，并將從幾百MHz到20 GHz接近OIP2 = 50 dBm。

尺寸比較

我們可以期望在明天的接收器前端實現什么尺寸優勢？我們估計典型的接收器射頻鏈從今天的名片大小到明天的郵票。這減少了 90% 的尺寸。

為了達到這個尺寸斷言，我們對典型接收器所需的元件面積求和，并添加50%至65%的元件填充因子，以考慮無源元件、走線、壁和擋板。我們對下一代接收器前端也做了同樣的事情，它將芯片上的所有功能模塊集成到集成的下變頻器中。每個混頻器的可調諧LO相同。假設如表 1、表 2 和表 3 所示。

圖8.

AD9082

MxFE的2 GHz至18 GHz高中頻接收調諧器示例。對許多高Q值平面RF濾波器（灰色）的需求增加了復雜性、尺寸和成本。子八度預選顯示在紅色框中。如右圖所示，未來的SDR芯片組尺寸預計不會大于郵票。

結論

隨著ADI公司的高速數據轉換器奈奎斯特采樣速率和iBW在保持領先動態范圍的同時不斷提升，頻率規劃的優勢可實現融合、簡化的RF前端架構。過去，采用亞倍頻程RF濾波和增益控制的高性能集成頻率轉換IC很難確定，因為每個人的用例、頻率計劃和由此產生的RF/IF濾波都不同。事情即將發生巨大變化。

新型單片無線電調諧器將采用原生寬帶，具有片上自適應RF濾波功能和AGC。寬帶調諧的龐大、分散的應用領域將匯聚到特定于應用的自適應軟件環路中的通用硬件模塊。隨著特定于應用的優勢從獨特的硬件轉向通用靈活硬件平臺上的差異化軟件算法，系統開發人員實現了上市時間和成本效益。所有這些都在縮小SWaP-C。

審核編輯：郭婷