下一代航空航天和國防系統設計人員正在被推動開發先進的、高度可配置的系統，這些系統結合了一系列功能和要求，集成了歷史上由獨立系統實現的功能。顯然，這樣做的好處是減少了任何任務平臺需要支持的子系統的數量，降低了整體尺寸、重量和功耗（SWaP），但隨著進一步需要支持認知和實時可配置性，挑戰似乎令人生畏。然而，新一代高性能寬帶組件有可能為這一挑戰提供解決方案，支持每個系統所需的高性能水平，但具有足夠廣泛的工作范圍來應對多功能挑戰。

許多這些未來系統的最終目標是完全由軟件決定的架構。這允許動態更改實施和操作模式，在現場更新，或在出廠時配置無硬件更改或非常小的硬件更改。挑戰在于支持系統可能需要啟用的操作模式的超集。這要求底層單個硬件能夠滿足可能需要的所有可能操作模式的規格。

國防世界中希望結合功能的此類系統的一個例子是雷達和通信平臺。在許多情況下，這些系統希望支持多模式的傳統操作，但它們也開始整合電子戰功能。雷達系統希望支持電子支持措施（ESM），通信系統希望分別實現信號情報（SIGINT）功能，以及多模雷達和多波形通信。

在這兩個示例中，系統都希望整合寬帶和窄帶功能，這些功能通常會推動線性度和動態范圍等方面的非常不同的要求。為了實現總體目標，如果對規格的妥協是不可接受的，設計人員可能不得不權衡功率或尺寸。例如，考慮X波段雷達系統和電子情報系統（ELINT）。雷達系統通常在相對較窄的頻率范圍內工作，通常在8 GHz至12 GHz頻段內為數百MHz。相比之下，ELINT系統通常需要在2 GHz至18 GHz范圍內工作，覆蓋所有S，C和X頻段。如果假設兩種實現必須具有相同的大小，則可能需要對性能做出妥協，以支持ELINT系統的更寬頻率范圍和覆蓋范圍。通常，在這種情況下，信號鏈的線性度或功耗可以用帶寬來換取。

如果將相同的概念簡化到組件級別，則會觀察到相同的問題。對于寬帶或寬帶系統，通常至少在一個維度上犧牲組件的性能，無論是線性度、噪聲性能還是功率。表1顯示了帶有集成壓控振蕩器（VCO）的寬帶和窄帶鎖相環（PLL）的典型性能權衡。如圖所示，窄帶器件具有更好的典型相位噪聲、品質因數和功耗，但顯然這是以犧牲靈活性為代價的。

表 1.典型寬帶和窄帶PLL與集成VCO的比較

雖然在單個系統中實現多個系統規格時總會有一些權衡和妥協，但下一代RF和微波組件以及高速ADC將為未來的系統設計人員提供一些緩解。CMOS和硅鍺（SiGe）工藝等方面的進步使數字功能得以顯著增加，并被整合到下一代設備中。除了靈活性外，先進的信號處理功能還能夠提供校準或數字補償功能，使整體系統性能水平更接近窄帶對應物，同時保持可重新配置的能力，并根據需要將更寬的帶寬用于工作模式。

圖1顯示了基于許多最新RF和微波組件的通用寬帶接收器架構圖。

圖1.可能的寬帶可重新配置信號鏈。

雖然在實踐中，上述架構可能需要額外的濾波和增益級才能實現特定的應用要求，但底層組件的靈活性使超寬帶監控系統架構得以實現。此外，可配置的數字信號處理功能能夠使信號鏈在需要時執行更多的窄帶功能。此外，該系統可以支持動態、實時的模式變化，可能支持更多的認知功能以及下游進一步的數字信號處理。

所提出的鏈的前兩級，即低噪聲放大器（LNA）和混頻器，使用GaAS技術實現。雖然寬帶SiGe混頻器正在取得進展，但仍有望將GaAs和GaN器件用于前端組件。在這兩種情況下，HMC1049和HMC1048均提供非常寬的性能和出色的IP3，支持窄帶和寬帶操作。這些器件說明了工藝進步使單個器件能夠滿足多種規格，而無需額外的數字功能。在RF器件中嵌入數字功能的好處可以在信號鏈的其他元件中看到。

集成VCO的新型ADF5355 PLL支持54 MHz至13.6 GHz的RF輸出，并提供廣泛的頻率合成器頻率。該器件基于 SiGe，通過使用四個獨立的集成 VCO 內核，能夠支持如此廣泛的操作范圍。這些內核中的每一個都使用256個重疊頻段，這使得該器件能夠覆蓋較寬的頻率范圍，而無需較大的VCO靈敏度，并且不會犧牲相位噪聲和雜散性能。使用集成在器件內部的數字校準邏輯自動選擇正確的VCO和頻段。該器件使信號鏈能夠支持從 54 MHz 到 13.6 GHz 的射頻掃描，并根據需要支持固定頻率。它在保持高性能的同時，在1 MHz偏移時的典型相位噪聲水平為–138 dBc/Hz，這是更窄帶系統操作的要求。

ADA4961 ADC驅動器提供寬帶性能和出色的線性度。它采用SPI和嵌入式數字控制，在500 MHz時可實現90 dBc IMD3性能，在1.5 GHz時可實現–87 dBc性能。 器件中集成了數字控制以支持增益控制，快速攻擊選項使器件能夠根據需要進行配置，以提供系統的最佳性能。快速攻擊還提高了系統的靈活性，因為它在FA引腳驅動時提供快速增益降低，通常由ADC的超量程檢測輸出驅動，使ADC保持不飽和狀態。

AD9680完善了該系列，是最新的高速轉換器之一。該器件基于 65 nm CMOS，支持高達 1 GSPS 的采樣，分辨率為 14 位。AD9680采用更高的采樣速率和千兆采樣轉換器的帶寬，可能支持超過1 GHz的IF欠采樣。這支持了將系統的數字轉換點移近天線并增加系統靈活性的持續趨勢。該器件不僅提供業界領先的SFDR和SNR，還集成了數字下變頻（DDC）信號處理，以提供可定制的輸出帶寬。

AD9680 ADC的數字信號處理可配置性使該器件能夠支持寬帶監控和窄帶功能。通過禁用和旁路集成的DDC，它可以支持超過500 MHz的瞬時監控帶寬。 利用DDC，數字數控振蕩器（NCO）可以設置為在可配置抽取濾波器降低數據速率之前以數字方式將窄帶IF混頻到基帶，當器件以最大ADC采樣速率運行時，支持低至60 MHz的輸出數據帶寬。數字信號處理提高了系統在較低帶寬下的SNR，再次支持可配置寬帶和窄帶信號鏈所需的靈活性。

雖然該示例側重于接收器路徑，但發射器端也有類似的器件和集成度。如前所述，新型DAC集成了高度可配置的插值濾波器和數字上變頻功能，可與類似的寬帶RF和微波組件結合使用。

所描述的示例展示了新一代寬帶設備如何集成越來越高水平的數字信號處理和功能，以及這如何使未來的系統能夠動態配置為多模操作，具有以前無法實現的性能水平。這與窄帶和寬帶操作不能共存的觀點相矛盾。應該注意的是，這個簡短的分析沒有包括一些濾波挑戰，也沒有包括功耗分析。這些因素可能會嚴重影響實際設計選擇和信號鏈架構。然而，隨著更多寬帶、更高性能器件和信號處理水平的提高，高度可配置、認知和軟件定義系統的未來前景看好。

最后，為了進一步說明討論，AD9361等集成RF IC器件提供了最終的集成度，并進一步展示了數字和模擬功能之間逐漸消失的界限。AD9361支持直接變頻架構，結合數字濾波和校準功能，具有高度的靈活性，能夠支持70 MHz至6 GHz的RF輸入頻率和高達56 MHz的帶寬。

AD9361的可配置性支持廣泛的應用和用途，包括雷達、通信和數據鏈路，以及電子監視和戰爭。通過數字校準和處理，該器件能夠克服直接轉換系統中的許多典型問題，并提供前所未有的集成和可配置性，再次進一步支持認知和多功能系統。

以前，這種集成級別和相關性能是不可能的。此外，許多系統設計人員回避使用直接變頻架構，因為無法克服鏡像抑制頻率和溫度等方面的限制。數字和模擬耦合的增加，以及現在集成到這些設備中的高級校準和處理，為這些挑戰提供了解決方案，在不顯著犧牲性能和功耗的情況下提高了靈活性。雖然使用分立元件的更窄帶專用信號鏈仍然可以獲得更好的性能，但差距肯定在縮小。

軟件定義系統（適用于所有應用的單個RF和微波信號鏈）的最終目標是單個組件，例如支持多功能和認知應用的收發器。實際上，對于所有系統來說，這可能還需要一段時間，但新的先進發展越來越接近這一目標，每個新的半導體器件都集成了越來越多的功能。除了簡單地提高傳統的RF性能外，數字信號處理還提供了緩解和克服一些多模挑戰的解決方案。用不了多久，使用單個設備或一系列寬帶設備的單一解決方案就可以用于所有應用，真正實現軟件定義系統的驅動力也將成為現實。

審核編輯：郭婷