下一代電子戰(zhàn)接收器系統(tǒng)可由28納米模數(shù)轉(zhuǎn)換器支持

簡介

電子戰(zhàn)（EW）接收器，特別是信號(hào)情報(bào)（SIGINT）應(yīng)用中對更高帶寬和更小尺寸，重量和功率（SWaP）的需求一直存在EW系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不斷尋求高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）技術(shù)的新發(fā)展和改進(jìn)。雖然65納米ADC接近其固有的，與工藝相關(guān)的性能和帶寬限制，但新的28納米RF ADC超越了這些邊界，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)更小的晶體管寬度和更低的寄生效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)更快的采樣速率，更寬的模擬輸入帶寬，集成數(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 ADC優(yōu)勢

隨著寬帶電子戰(zhàn)系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)場中日益普及，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著如何實(shí)現(xiàn)下一代EW接收器所需的更高性能和更低SWaP的諸多挑戰(zhàn)。高速ADC是所有寬帶EW接收器的主要設(shè)計(jì)考慮因素之一，并且在很大程度上決定了系統(tǒng)架構(gòu)和整體檢測和觀察能力。高速ADC的許多性能特征（包括采樣率，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EW系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員繼續(xù)開發(fā)下一代EW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。更高的采樣率和帶寬允許同時(shí)將更多頻譜數(shù)字化，從而緩解RF域中的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)并縮短掃描時(shí)間，同時(shí)更大的位深度可提高性能并減少錯(cuò)誤警報(bào)和檢測。這種對更高采樣率和更高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），這些節(jié)點(diǎn)能夠在不增加器件功耗的情況下實(shí)現(xiàn)這些要求。

< p> 28 nm ADC的基本優(yōu)勢在于支持下一代寬帶EW接收器，并構(gòu)成未來系統(tǒng)的新基礎(chǔ)。 28 nm晶體管具有降低的寄生柵極電容，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)。由于這一點(diǎn)以及28 nm工藝的較小物理晶體管尺寸，ADC不僅可以實(shí)現(xiàn)更快的采樣速率，而且還可以容納更大數(shù)量的每平方毫米晶體管，從而可能實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)字處理能力?？紤]到本質(zhì)上較低的功耗，使得新一代EW系統(tǒng)中的28 nm處理器上的ADC成為關(guān)鍵的推動(dòng)因素，其性能和功能要求以前被認(rèn)為對≥65nm工藝不切實(shí)際。采用28 nm ADC可實(shí)現(xiàn)更高的采樣率（幾個(gè)GSPS及以上）是大多數(shù)EW系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員最具吸引力的ADC功能之一，尤其適用于SIGINT，電子保護(hù)（EP）和電子支持（ES）應(yīng)用。與ADC帶寬一樣重要的是分辨率，這允許更高的SNR / SFDR以及隨后檢測，觀察和處理目標(biāo)信號(hào)的能力。由于更高的模擬輸入帶寬，超過1 st Nyquist的欠采樣也是可能的。

轉(zhuǎn)向28 nm工藝也使混合信號(hào)半導(dǎo)體制造商能夠集成越來越多的數(shù)字信號(hào)處理和功能進(jìn)入其高速ADC，而不會(huì)增加（甚至減少）系統(tǒng)SWaP。集成NCO（數(shù)字控制振蕩器）和DDC（數(shù)字下變頻器）等數(shù)字特性可提高轉(zhuǎn)換器性能，并可緩解與更高轉(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)。利用較小的28 nm工藝并增加ADC的片上DSP功能，還可以減輕處理器的大部分處理負(fù)載和功耗，從而使EW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能夠捕獲和觀察更大的RF頻譜，但與ADC奈奎斯特帶寬相比，感興趣的信號(hào)仍可能具有相對較小的帶寬。此外，GSPS ADC的大量數(shù)據(jù)吞吐量可能會(huì)導(dǎo)致挑戰(zhàn)找到合適的處理器并將其物理連接到ADC。目前市場上的許多28 nm轉(zhuǎn)換器使用JESD204B接口標(biāo)準(zhǔn)，其通道速率高于10 Gbps，這可能會(huì)引入與路由Gbps SERDES（串行器/解串器）JESD通道相關(guān)的電路板布局和信號(hào)完整性挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，通過集成的NCO / DDC和片上DSP，ADC可以將感興趣的信號(hào)轉(zhuǎn)換為更低的頻率或基帶，應(yīng)用數(shù)字濾波，并抽取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出速率，以便可以執(zhí)行更密集的處理捕獲光譜的一部分。可調(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，但具有處理增益和降低數(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允許用戶預(yù)先配置并在DDC之間快速切換和快速跳變，從而進(jìn)一步減少掃描時(shí)間，因?yàn)镹CO調(diào)諧從等式中移除。集成的DDC還可在數(shù)字JESD204B接口中顯著節(jié)省功耗。以如此高的速率運(yùn)行的JESD SERDES可以為系統(tǒng)功耗增加一瓦或更多功率，因此在這方面將數(shù)據(jù)速率降低到更低的速度是非常有益的。隨著高速ADC繼續(xù)推動(dòng)更高的采樣速率，位深度和帶寬，集成DDC和ADC對寬帶EW接收器系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員變得更具吸引力，因?yàn)閬碜訟DC的大量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可能變得難以用低SWaP處理處理器。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)字下變頻器的內(nèi)容”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)是很好理解，并已經(jīng)多年證明。歷史上，許多微波接收器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雙下變頻架構(gòu)。隨著前幾代ADC的出現(xiàn)，工作頻帶頻率與ADC輸入頻率的大比例使得圖像濾波在單個(gè)下變頻接收器架構(gòu)中變得不切實(shí)際?，F(xiàn)在，采樣率和模擬輸入帶寬都在不斷增加的新型ADC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)。

圖1所示為單個(gè)下變頻接收器架構(gòu)。選擇了前端LNA用于噪聲系數(shù)性能。如果需要，在LNA前面增加一個(gè)限制器，以增加前端的存活能力。接下來是工作頻帶濾波器，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，從而增加混合雜散輸出?；祛l器是一個(gè)關(guān)鍵的構(gòu)建模塊，用于優(yōu)化感興趣的頻率轉(zhuǎn)換頻段的性能?；祛l器之后的另一個(gè)低通濾波器在放大之前濾除上邊帶。根據(jù)需要添加額外的IF增益。抗混疊濾波器通常是ADC之前的最終組件，并拒絕任何可通過采樣過程折疊的頻率。 ADC是下一個(gè)，雖然它是鏈中的最后一個(gè)，但通常是選擇的第一個(gè)元件，而接收器的其余部分是圍繞ADC構(gòu)建的。

接下來，我們回顧一些注意事項(xiàng)。選擇頻率規(guī)劃選項(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)現(xiàn)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)，有一些次優(yōu)頻率計(jì)劃的選項(xiàng)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，從虛假的角度來看，2 nd 或3 rd ADC奈奎斯特區(qū)的IF頻率較高是優(yōu)選的。我們將通過首先顯示將10 GHz工作頻段轉(zhuǎn)換為3 GHz ADC的1 st 奈奎斯特的頻率規(guī)劃來概述其優(yōu)勢，然后展示在2 nd運(yùn)行時(shí)的優(yōu)勢奈奎斯特區(qū)。

圖2顯示了10 GHz的1 GHz工作頻段到3 GSPS ADC的1 st 奈奎斯特區(qū)的頻率轉(zhuǎn)換。說明了兩個(gè)主要問題。首先，RF圖像頻率與工作頻帶非常緊密地間隔，需要非常難以用于圖像抑制的濾波器。其次，從IF放大級(jí)產(chǎn)生的任何IF都是帶內(nèi)的，無法通過抗混疊濾波器進(jìn)行濾波。

圖3顯示了在相同的RF工作頻帶中進(jìn)行采樣的比較。 2 nd 奈奎斯特區(qū)。較高的IF頻率導(dǎo)致圖像頻率遠(yuǎn)離工作頻帶，并且RF圖像濾波器明顯更容易實(shí)現(xiàn)。此外，IF放大器中產(chǎn)生的任何諧波都可以通過抗混疊濾波器進(jìn)行濾波，并且將創(chuàng)建的唯一IF諧波是ADC本身內(nèi)部的諧波。

使用Keysight Genesys工具可用于快速得出相同的結(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，其中設(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。無雜散區(qū)以綠色顯示，在這種情況下，落在3 GSPS ADC的2 nd 奈奎斯特區(qū)。

組件使能器

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(píng)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顯示了這些設(shè)備的主要功能。這些是同類最佳的高線性寬帶混頻器，可直接適用于寬帶接收器架構(gòu)。主要區(qū)別在于LTC5552具有差分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輸入的平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器。差分IF放大器可通過實(shí)現(xiàn)完全差分IF部分而實(shí)現(xiàn)，唯一的設(shè)計(jì)調(diào)整是將差分濾波器引入IF信號(hào)鏈。

最近發(fā)布的28 nm ADC是AD9208是一款14位，3 GSPS雙通道ADC，具有本文前面提到的許多功能集和特性。高輸入帶寬和采樣分辨率以及數(shù)字功能（如四個(gè)集成DDC和NCO）使AD9208非常適合許多EW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直接采樣到2 nd 和3 rd 奈奎斯特頻率。即使是4 th 奈奎斯特采樣也可以使用干凈的低抖動(dòng)參考時(shí)鐘，以最大限度地降低更高輸入頻率下的SNR衰減。

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)鍵時(shí)刻ADC指標(biāo)隨輸入頻率降低。這對于噪聲和無雜散動(dòng)態(tài)范圍都是如此。除硅限制外，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。

精心設(shè)計(jì)的RF I / O結(jié)構(gòu)與輸入頻率相比會(huì)逐漸降低。在設(shè)計(jì)中沒有這些考慮因素的情況下，通常存在輸入頻率，其中性能急劇下降。這在圖7中概念性地說明。當(dāng)為應(yīng)用程序篩選轉(zhuǎn)換器時(shí)，在提交設(shè)計(jì)之前花費(fèi)了很多努力來驗(yàn)證性能。對于工作在GHz頻率范圍內(nèi)的RF采樣ADC而言，這一點(diǎn)變得越來越重要，在應(yīng)用ADC選擇之前，應(yīng)充分了解性能響應(yīng)與頻率的關(guān)系。

結(jié)論

已經(jīng)討論了幾種寬帶應(yīng)用和接收機(jī)設(shè)計(jì)考慮因素的綜述。 EW應(yīng)用特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樾枰哂袑捁ぷ黝l帶和盡可能多的瞬時(shí)帶寬的接收器。這些挑戰(zhàn)表明，對于單個(gè)下變頻接收器架構(gòu)，在較高ADC奈奎斯特區(qū)域中的操作將產(chǎn)生改善的雜散性能。該目標(biāo)對ADC的輸入帶寬和混頻級(jí)的性能參數(shù)提出了挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在可以使用具有擴(kuò)展輸入頻率范圍的高速28 nm ADC和寬帶高線性混頻器等組件，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。