監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用及成本性能挑戰(zhàn)的應(yīng)對(duì)
發(fā)布時(shí)間:2021-03-12 來(lái)源:Duncan Bosworth 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】頻譜擁堵、更高工作頻率和更復(fù)雜的波形,給電子監(jiān)控與對(duì)抗系統(tǒng)帶來(lái)層出不窮的問(wèn)題,需要偵測(cè)的帶寬越來(lái)越大,檢測(cè)靈敏度要求也越來(lái)越高。隨著越來(lái)越多的功能通過(guò)數(shù)字域?qū)崿F(xiàn),上述帶寬和靈敏度兩個(gè)因素,加上成本,直接把高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的性能推向極限,常常使ADC成為系統(tǒng)的局限所在。所幸的是,新一代高速ADC的性能水平符合要求,可提供一些系統(tǒng)級(jí)解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示,它包括三個(gè)基本功能:
● 射頻/微波調(diào)諧器
● 數(shù)字化儀,ADC及相關(guān)的放大器和緩沖器
● 快速傅里葉變換和數(shù)字信號(hào)處理
很多情況下,高速ADC性能——從模擬域到數(shù)字域的轉(zhuǎn)換——成為系統(tǒng)的限制因素。 盡管最大限度降低成本和系統(tǒng)尺寸始終極其重要,但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還必須關(guān)注如何最佳地平衡提高瞬時(shí)監(jiān)控帶寬的需求(以便最大限度提高攔截概率),以及如何將帶內(nèi)高功率信號(hào)降低系統(tǒng)靈敏度的影響減至最少。
表1: 高線性度低速ADC與過(guò)去和現(xiàn)在的GSPS ADC的對(duì)比
關(guān)于如何達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)和已確定的取舍要求,ADC的采樣速率和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)通常是影響決策的兩大主要因素。轉(zhuǎn)換器的采樣速率決定奈奎斯特頻段,進(jìn)而決定個(gè)別轉(zhuǎn)換器的最大可觀測(cè)帶寬;SFDR決定可檢測(cè)的信號(hào)電平。雖然噪聲頻譜密度可能也需要考慮,但在多數(shù)情況下,ADC的噪底遠(yuǎn)低于雜散水平,而且從系統(tǒng)運(yùn)行角度看,數(shù)字化過(guò)程中產(chǎn)生的雜散與頻譜中進(jìn)行數(shù)字化的低功率信號(hào)難以區(qū)分。因此,系統(tǒng)的靈敏度與SFDR直接相關(guān),這樣檢測(cè)到假目標(biāo)的可能性最低。
例如,考慮對(duì)兩個(gè)連續(xù)波(CW)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理,信號(hào)A是一個(gè)滿量程輸入,信號(hào)B的功率則低得多。作為目標(biāo)信號(hào)的信號(hào)B與數(shù)字化信號(hào)A所產(chǎn)生的雜散可能難以區(qū)別,因?yàn)槎叩碾娖较嗨啤?所以,信號(hào)B可能低于系統(tǒng)的檢測(cè)電平,不會(huì)被標(biāo)示為目標(biāo)信號(hào)。
圖1: 監(jiān)控系統(tǒng)基本架構(gòu)
諸如此類的限制表明:利用具有超高線性度的ADC可實(shí)現(xiàn)最佳檢測(cè)電平,但高線性度傳統(tǒng)上是通過(guò)犧牲ADC采樣速率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了方便討論,本文考慮一個(gè)通用電子監(jiān)控系統(tǒng),但類似的系統(tǒng)架構(gòu)權(quán)衡也適用于電子情報(bào)(ELINT)、信號(hào)情報(bào)(SIGINT)和通信情報(bào)(COMINT)。此類系統(tǒng)一般有三種不同系統(tǒng)架構(gòu)可供考慮(參見(jiàn)圖2)。
圖2A所示為最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。 采用高線性度ADC,例如ADI公司的AD9265(其在70 MHz中頻輸入時(shí)具有93 dBc的SFDR和79 dBFS的信噪比(SNR),這種架構(gòu)可提供出色的靈敏度和檢測(cè)性能,但最大采樣速率只有125 MSPS。這是以瞬時(shí)帶寬為代價(jià)而獲得的,不考慮抗混疊濾波器時(shí)的最大瞬時(shí)帶寬為62.5 MHz,通常要降低到40 MHz或更低。 系統(tǒng)中只有一個(gè)轉(zhuǎn)換器,系統(tǒng)成本很低,但射頻調(diào)諧器不得不以40 MHz的步幅掃描整個(gè)射頻帶寬,這會(huì)降低攔截某些信號(hào)的概率。
為了提高帶寬,一種顯而易見(jiàn)的方法是交錯(cuò)使用多個(gè)高線性度、低采樣速率的轉(zhuǎn)換器,將其連接到單個(gè)寬帶射頻調(diào)諧器(圖2B),從而提高有效采樣速率和瞬時(shí)帶寬。 例如,若交錯(cuò)使用8個(gè)AD9265 ADC,總有效采樣速率將達(dá)到1 GSPS,支持的瞬時(shí)帶寬接近500 MHz。 射頻調(diào)諧器只需以500 MHz的步幅掃描,因此射頻頻譜的偵測(cè)速度會(huì)快得多,攔截目標(biāo)信號(hào)(尤其是捷變信號(hào))的概率更高。另外,系統(tǒng)僅使用一個(gè)射頻調(diào)諧器,與圖2A相比,成本增加有限。
雖然這確實(shí)給射頻調(diào)諧器帶來(lái)更多難題(更寬的帶寬帶來(lái)的難題是要保持與前述架構(gòu)相似的IP3和噪聲性能),但這種方法的主要不足是交錯(cuò)ADC方面。 各轉(zhuǎn)換器在增益、直流失調(diào)和相位方面的失配,需要通過(guò)校準(zhǔn)從系統(tǒng)中消除或利用數(shù)字信號(hào)處理加以管理,但即便這樣,SFDR、噪底或帶寬通常也會(huì)有一定的下降,導(dǎo)致此架構(gòu)性能降低。 對(duì)于監(jiān)控帶寬內(nèi)的超高功率信號(hào),系統(tǒng)可能不太敏感,使問(wèn)題進(jìn)一步惡化。 500 MHz頻段任意地方的這種信號(hào)都要求降低射頻和中頻增益,從而限制了低功率信號(hào)的攔截概率。
最高性能的架構(gòu)如圖2C所示,其中實(shí)現(xiàn)了多個(gè)并行射頻與數(shù)字化儀子系統(tǒng),如果同樣使用AD9265,則可以同時(shí)觀測(cè)到多個(gè)相鄰40MHz頻段。 讓每個(gè)子系統(tǒng)偏移大約40 MHz(需要一些交疊),可以提高瞬時(shí)帶寬,但很顯然,這是以系統(tǒng)成本為代價(jià),系統(tǒng)成本與瞬時(shí)帶寬成正比。與交錯(cuò)方法相比,這種架構(gòu)的好處是無(wú)需通過(guò)校準(zhǔn)或數(shù)字信號(hào)處理來(lái)消除交錯(cuò)引起的雜散。 此外,該系統(tǒng)抑制高功率阻塞或干擾的能力更強(qiáng),因?yàn)楦?0 MHz頻段的射頻/中頻增益可以獨(dú)立設(shè)置。
圖2: 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)選項(xiàng)
上述系統(tǒng)架構(gòu)已在當(dāng)今各種系統(tǒng)中采用,但如圖中所示,每種架構(gòu)在性能、成本,還有可能是尺寸上存在限制。然而,最新的GSPS ADC可能很快就會(huì)打破現(xiàn)狀,這種ADC具備更高的線性度和嵌入式數(shù)字信號(hào)處理特性。AD9625和AD9680等新型ADC提供1.25 GSPS到2.5 GSPS的采樣速率,SFDR高達(dá)85 dBc。
GSPS ADC的線性度比不上低采樣速率的器件,但可以看出,差距正在縮小。使用單個(gè)GSPS ADC就能實(shí)現(xiàn)圖2B所示的架構(gòu),同時(shí)不會(huì)有交錯(cuò)帶來(lái)的缺點(diǎn)。此外,更高的線性度可提高檢測(cè)靈敏度,并將干擾和阻塞的影響降至最小,縮小這種架構(gòu)與圖2中圖2C所示系統(tǒng)的性能差距,而且成本更低,尺寸更小。
然而,雖然這一方面能促成新系統(tǒng)架構(gòu)的出現(xiàn),但這些新器件更激動(dòng)人心的方面是它們還能在轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換級(jí)之后實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理功能。65 nm CMOS工藝支持在轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)更高速度的數(shù)字信號(hào)處理。例如,AD9625和AD9680均實(shí)現(xiàn)了數(shù)字下變頻(DDC)功能,因而高速ADC可動(dòng)態(tài)改變帶寬——從全帶寬到1,000MHz以上的數(shù)字化奈奎斯特頻段內(nèi)的可選子頻段。在圖3所示的架構(gòu)中,2.5 GSPS、12位ADC AD9625帶有嵌入式DSP選項(xiàng)。
在寬帶模式下,這種ADC支持以1 GHz步幅監(jiān)控射頻頻譜,以便快速評(píng)估射頻圖景。 一旦確定目標(biāo)信號(hào),便可將此數(shù)據(jù)引導(dǎo)至DDC。DDC使用數(shù)字控制振蕩器(NCO)和濾波級(jí),可從轉(zhuǎn)換器奈奎斯特頻段內(nèi)的任何地方選擇一個(gè)頻段,并進(jìn)行8倍或16倍的數(shù)字抽取,從而進(jìn)一步抑制噪底。雖然這一功能可以在器件中轉(zhuǎn)換器之后的數(shù)字信號(hào)處理級(jí)中輕松實(shí)現(xiàn),但在ADC本身中執(zhí)行有助于降低ADC的輸出數(shù)據(jù)速率,更重要的是,可以降低傳輸功耗。因此,使用DDC時(shí),系統(tǒng)功耗顯著降低。
圖3: 帶可選且可旁路嵌入式數(shù)字下變頻器的2.5 GSPS ADC
航空航天和防務(wù)系統(tǒng)持續(xù)重視縮減尺寸、重量和功耗(SWaP),隨著GSPS領(lǐng)域的高速轉(zhuǎn)換器的線性度不斷提高,系統(tǒng)架構(gòu)師開始探索新的選項(xiàng)。把數(shù)字信號(hào)處理集成到高速轉(zhuǎn)換器內(nèi)部后,一系列選項(xiàng)和系統(tǒng)優(yōu)化方法開始顯露出來(lái),現(xiàn)階段因而成為新一代監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)令人興奮的時(shí)期。
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