作者：David Brown and Peter Delos

電子戰(zhàn) （EW） 接收器（特別是信號情報(bào) （SIGINT） 應(yīng)用）對更高帶寬和更小尺寸、重量和功耗 （SWaP） 的需求一直存在，這促使電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不斷尋找高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 技術(shù)的新發(fā)展和改進(jìn)。雖然65 nm ADC接近其固有的工藝相關(guān)性能和帶寬限制，但新的28 nm RF ADC超越了這些界限，為下一代寬帶接收器系統(tǒng)奠定了新的基礎(chǔ)。28 nm工藝節(jié)點(diǎn)的晶體管寬度更小，寄生效應(yīng)更低，可實(shí)現(xiàn)更快的采樣速率、更寬的模擬輸入帶寬、集成的數(shù)字功能和新的接收器架構(gòu)，同時(shí)降低功耗和整體尺寸。

28 nm 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢

隨著寬帶電子戰(zhàn)系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)場上變得越來越普遍，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著許多挑戰(zhàn)，即如何實(shí)現(xiàn)下一代電子戰(zhàn)接收器所需的更高性能和更低的SWaP。高速ADC是所有寬帶電子戰(zhàn)接收器的主要設(shè)計(jì)考慮因素之一，在很大程度上決定了系統(tǒng)架構(gòu)以及整體檢測和觀察能力。高速ADC的許多性能特征，包括采樣速率、帶寬和分辨率，是決定接收器其余部分設(shè)計(jì)的因素——從模擬RF域到DSP要求。隨著電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不斷開發(fā)下一代電子戰(zhàn)接收器，對更高ADC帶寬和更高分辨率的需求仍然是永恒的行業(yè)趨勢。更高的采樣速率和帶寬允許一次數(shù)字化更多頻譜，從而緩解RF領(lǐng)域的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)并減少掃描時(shí)間，同時(shí)更大的位深度可提高性能并減少誤報(bào)和檢測。這種對更高采樣速率和更好分辨率的永不滿足的需求促使高速ADC制造商轉(zhuǎn)向越來越小的晶體管光刻節(jié)點(diǎn)（目前為28 nm和16 nm），以便在不增加器件功耗的情況下實(shí)現(xiàn)這些要求。

28 nm ADC的基本優(yōu)勢是實(shí)現(xiàn)下一代寬帶電子戰(zhàn)接收器不可或缺的一部分，并為構(gòu)建未來系統(tǒng)奠定了新的基礎(chǔ)。28 nm晶體管降低了寄生柵極電容，由于驅(qū)動(dòng)開關(guān)所需的能量較低，因此可實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)。正因?yàn)槿绱耍约?8 nm工藝的物理晶體管尺寸更小，ADC不僅可以實(shí)現(xiàn)更快的采樣速率，而且每平方毫米可以容納更多數(shù)量的晶體管，從而有可能實(shí)現(xiàn)更大的數(shù)字處理能力?？紤]到固有的低功耗，采用28 nm工藝的ADC是下一代電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵推動(dòng)因素，其性能和能力要求以前在≥65 nm工藝上被認(rèn)為是不切實(shí)際的。對于大多數(shù)電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，28 nm ADC可實(shí)現(xiàn)更高的采樣速率（幾GSPS及以上），這是最具吸引力的ADC特性之一，特別是對于SIGINT、電子保護(hù)（EP）和電子支持（ES）應(yīng)用。與ADC帶寬同樣重要的是分辨率，它允許更高的SNR/SFDR以及隨后檢測、觀察和處理目標(biāo)信號的能力。低于 1 的欠采樣圣由于更高的模擬輸入帶寬，奈奎斯特也是可能的。

轉(zhuǎn)向28 nm工藝還允許混合信號半導(dǎo)體制造商將越來越多的數(shù)字信號處理和功能集成到其高速ADC中，而無需增加（甚至減少）系統(tǒng)SWaP。集成 NCO（數(shù)控振蕩器）和 DDC（數(shù)字下變頻器）等數(shù)字特性突破了轉(zhuǎn)換器性能極限，緩解了與更高轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)速率和高數(shù)字接口功耗相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。利用更小的28 nm工藝和提高ADC的片內(nèi)DSP功能，還可以減輕處理器的大部分處理負(fù)載和功耗，使電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠降低系統(tǒng)SWaP。

雖然更快的28 nm ADC可以捕獲和觀察更大的RF頻譜，但與ADC奈奎斯特帶寬相比，目標(biāo)信號的帶寬可能仍然相對較小。此外，GSPS ADC的大量數(shù)據(jù)吞吐量可能導(dǎo)致尋找合適的處理器并將其與ADC物理接口的挑戰(zhàn)。目前市場上的許多28 nm轉(zhuǎn)換器在10 Gbps以上的通道速率下使用JESD204B接口標(biāo)準(zhǔn)，這可能會(huì)帶來與路由Gbps SERDES（串行器/解串器）JESD通道相關(guān)的電路板布局和信號完整性挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，通過集成NCO/DDC和片上DSP，ADC可以將目標(biāo)信號轉(zhuǎn)換為較低的頻率或基帶，應(yīng)用數(shù)字濾波，并抽取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出速率，以便對捕獲頻譜的部分執(zhí)行更密集的處理?？烧{(diào)諧NCO允許DDC掃描數(shù)字化頻譜，以便仍然可以分析整個(gè)頻譜，但具有處理增益和較低數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出速率的額外好處。并行添加多個(gè) NCO 和 DDC 允許用戶在 DDC 之間預(yù)配置并快速切換和快速跳躍，從而進(jìn)一步縮短掃描時(shí)間，因?yàn)閺牡仁街袆h除了 NCO 調(diào)諧。集成的DDC還可以顯著節(jié)省數(shù)字JESD204B接口的功耗。以如此高的速率運(yùn)行的JESD SERDES可能會(huì)增加一瓦特或更多的系統(tǒng)功耗，因此將數(shù)據(jù)速率降低到較低的速度在這方面非常有益。隨著高速ADC不斷向更高的采樣速率、位深度和帶寬邁進(jìn)，集成DDC和ADC對寬帶電子戰(zhàn)接收器系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更具吸引力，因?yàn)榈蚐WaP處理器可能難以處理來自ADC的大量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。有關(guān)DDC的更多信息和一些實(shí)際示例，請參閱Jonathan Harris的“數(shù)字下變頻器怎么了”第1部分和第2部分。

實(shí)現(xiàn)新的接收器架構(gòu)

外差接收器架構(gòu)已廣為人知，并已經(jīng)過多年的驗(yàn)證。從歷史上看，許多微波接收器都采用雙下變頻架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。對于前幾代ADC而言，工作頻段頻率與ADC輸入頻率的較大比率使得使用單個(gè)下變頻接收器架構(gòu)無法進(jìn)行鏡像濾波。采樣速率和模擬輸入帶寬均增加的新型ADC現(xiàn)在使高性能寬帶單下變頻架構(gòu)變得實(shí)用且易于實(shí)現(xiàn)。

單個(gè)下變頻接收器架構(gòu)示例如圖1所示。選擇前端LNA是為了提高噪聲系數(shù)性能。如果需要，在LNA前面添加一個(gè)限幅器，以提高前端的生存功率能力。工作帶濾波器用于衰減帶外干擾。接下來，可以根據(jù)需要添加額外的增益和/或增益控制。在混頻器之前，低通濾波器可以減少RF諧波，這些諧波會(huì)增加混頻雜散輸出。混頻器是一個(gè)關(guān)鍵的構(gòu)建模塊，選擇混頻器是為了優(yōu)化目標(biāo)頻帶的性能?；祛l器之后的另一個(gè)低通濾波器在放大前對上邊帶進(jìn)行濾波。根據(jù)需要增加額外的中頻增益?？够殳B濾波器通常是ADC之前的最后一個(gè)元件，可抑制采樣過程中可能折疊在帶內(nèi)的任何頻率。ADC是下一個(gè)，雖然它是鏈中的最后一個(gè)，但通常是第一個(gè)選擇的組件，而接收器的其余部分則圍繞ADC構(gòu)建。

圖1.單下變頻接收器架構(gòu)示例。

接下來，我們將回顧選擇頻率計(jì)劃選項(xiàng)時(shí)的一些注意事項(xiàng)。頻率規(guī)劃是選擇頻率轉(zhuǎn)換方法的過程，當(dāng)使用可用組件實(shí)施時(shí)，通過合理的濾波器設(shè)計(jì)產(chǎn)生最低的雜散性能。當(dāng)RF工程師第一次做出這個(gè)決定時(shí)，次優(yōu)頻率計(jì)劃有許多選擇和影響，可能會(huì)使這成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。幸運(yùn)的是，CAD工具和可用組件的現(xiàn)代進(jìn)步使頻率規(guī)劃成為一項(xiàng)更易于管理的任務(wù)。

一般來說，較高的IF頻率在2德·或 3RD從雜散角度來看，ADC奈奎斯特區(qū)是首選。我們將首先展示將 10 GHz 工作頻段轉(zhuǎn)換為 1 的頻率計(jì)劃來概述其優(yōu)勢圣3 GHz ADC的奈奎斯特，然后顯示工作在2 GHz ADC中時(shí)的優(yōu)勢德·奈奎斯特區(qū)。

圖 2 顯示了 1 GHz 工作頻段在 10 GHz 下到 1 的頻率轉(zhuǎn)換圣3 GSPS ADC 的奈奎斯特區(qū)。說明了兩個(gè)主要問題。首先，RF鏡像頻率與工作頻段的距離非常近，需要一個(gè)非常困難的濾波器來進(jìn)行鏡像抑制。其次，從IF放大級創(chuàng)建的任何IF都是帶內(nèi)，無法被抗混疊濾波器濾波。

圖2.頻率規(guī)劃有問題：中頻諧波在中頻頻帶內(nèi)，這使得鏡像濾波變得困難。

圖3顯示了在2德·奈奎斯特區(qū)。較高的IF頻率導(dǎo)致鏡像頻率遠(yuǎn)離工作頻段，RF鏡像濾波器明顯更容易實(shí)現(xiàn)。此外，中頻放大器中產(chǎn)生的任何諧波都可以通過抗混疊濾波器濾除，并且將產(chǎn)生的唯一中頻諧波是ADC本身內(nèi)部的諧波。

圖3.改進(jìn)的頻率規(guī)劃：IF諧波在IF頻段之外，這意味著可以實(shí)現(xiàn)鏡像濾波。

使用是德科技 Genesys 工具進(jìn)行雜散分析可以快速得出相同的結(jié)論。圖4來自WhatIF頻率規(guī)劃工具。圖4顯示了WhatIF頻率規(guī)劃工具，該工具設(shè)置為10 GHz工作頻段、1 GHz瞬時(shí)帶寬、高端LO選擇以及搜索高達(dá)五階雜散。無支線區(qū)以綠色表示，在本例中，落在 2德·3 GSPS ADC 的奈奎斯特區(qū)。

圖4.使用是德科技 Genesys WhatIF 頻率規(guī)劃工具進(jìn)行雜散分析。

組件啟用程序

作為任何頻率規(guī)劃分析的后續(xù)工作，應(yīng)在接收器的預(yù)期工作條件下評估混頻器和ADC，以驗(yàn)證雜散和噪聲性能。

最近發(fā)布的高性能3 GHz至20 GHz混頻器包括LTC5552和LTC5553。圖 5 顯示了這些器件的主要特性。這些是同類最佳的高線性度寬帶混頻器，可直接裝入寬帶接收器架構(gòu)。主要區(qū)別在于 LTC5552 具有一個(gè)差分 IF 輸出，而 LTC5553 在所有端口上均為單端。差分IF輸出允許整個(gè)IF鏈保持差分，從而消除了通常添加到ADC輸入的巴倫。差分中頻放大器可通過實(shí)現(xiàn)完全差分中頻部分而輕松獲得，唯一的設(shè)計(jì)調(diào)整是在中頻信號鏈中引入差分濾波器。

圖5.寬帶、高性能、高線性度混頻器。

最近發(fā)布的28 nm ADC是AD9208，這是一款14位、3 GSPS雙通道ADC，具有本文前面提到的許多特性集和特性。高輸入帶寬和采樣分辨率以及四個(gè)集成DDC和NCO等數(shù)字特性使AD9208非常適合許多電子戰(zhàn)接收器系統(tǒng)和應(yīng)用。此外，9 GHz的高模擬輸入帶寬允許AD9208直接采樣至2德·和 3RD奈奎斯特頻率。甚至 4千奈奎斯特采樣可通過干凈的低抖動(dòng)參考時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)，以最大限度地減少較高輸入頻率下的SNR下降。

RF接收器設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)持續(xù)挑戰(zhàn)是，每個(gè)關(guān)鍵的ADC指標(biāo)都會(huì)隨著輸入頻率而降低。對于噪聲和無雜散動(dòng)態(tài)范圍都是如此。除了硅的限制之外，還需要仔細(xì)的封裝設(shè)計(jì)，以適應(yīng)從硅到封裝層壓板以及從封裝到PWB的RF發(fā)射，以保持GHz轉(zhuǎn)換器的輸入帶寬。

設(shè)計(jì)良好的RF I/O結(jié)構(gòu)會(huì)隨著輸入頻率的降低而逐漸下降。在設(shè)計(jì)中不考慮這些因素，通常會(huì)有一個(gè)輸入頻率，性能會(huì)急劇下降。圖 7 從概念上對此進(jìn)行了說明。在為應(yīng)用篩選轉(zhuǎn)換器時(shí)，在提交設(shè)計(jì)之前需要花費(fèi)大量精力來驗(yàn)證性能。對于工作在GHz頻率下的RF采樣ADC，這一點(diǎn)變得越來越重要，在為應(yīng)用選擇ADC之前，應(yīng)充分了解性能響應(yīng)與頻率的關(guān)系。

結(jié)論

本文回顧了幾種寬帶應(yīng)用和接收器設(shè)計(jì)考慮因素。電子戰(zhàn)應(yīng)用尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榻邮掌骶哂袑捁ぷ黝l段和盡可能多的瞬時(shí)帶寬。這些挑戰(zhàn)表明，對于單下變頻接收器架構(gòu)，在較高的ADC奈奎斯特區(qū)工作將產(chǎn)生更好的雜散性能。該目標(biāo)對ADC的輸入帶寬和混頻級的性能參數(shù)提出了挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，使能組件，包括具有擴(kuò)展輸入頻率范圍的高速28 nm ADC和寬帶高線性度混頻器，現(xiàn)在可用于為下一代接收器奠定基礎(chǔ)。圖 6 顯示了一個(gè)完整的保護(hù)解決方案。

圖6.AD9208： 28 nm 3 GSPS、高性能、寬輸入帶寬ADC。

圖7.模擬性能：SNR、SFDR和信號功率都會(huì)隨輸入頻率而降低。針對中頻采樣的設(shè)計(jì)需要驗(yàn)證所選ADC不會(huì)隨著所需輸入頻率而顯著降低。此外，在PWB設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要謹(jǐn)慎的RF布局技術(shù)。

審核編輯：郭婷