航空航天和国防移动化永不满足的带宽应用

作者：Ian Beavers 

电子战和有源相控阵雷达等航空航天和国防应用通常需要使用更高阶的奈奎斯特速率带来寻出更宽频率的通信。系统ADC不仅需要更大的观测带宽，而且系统也推动了对更高全功率带宽的需求。如果ADC的输入频率带宽足够高，则可以通过对目标IF信号频带进行欠采样，直接在ADC内下变频。

更高带宽的输入信号和采样率允许对更宽频段的信号进行直接RF采样。这允许减少信号链中的整个级，从而降低系统功耗并简化操作。下一代GSPS ADC允许GHz采样到第3和第4奈奎斯特频段，同时还能够获得小信号检测所需的动态范围。宽带ADC还提供更高的动态范围，允许系统将本底噪声移低，以破译本来会隐藏在噪声中的较弱功率信号。

对于从采样数据完美重建原始信号的系统，奈奎斯特-香农采样定理表明采样速率必须是目标信号带宽的两倍;与采样速率明显不同，采样速率是最大中频频率分量的两倍。ADC欠采样是使用采样频率的技术，采样频率小于信号频段中最大频率分量的两倍。目标信号带宽必须仍在单个奈奎斯特速率或ADC采样速率的一半以内。这种技术也可以称为谐波采样、带通采样或超奈奎斯特采样。

为了保持奈奎斯特-香农采样定理，使用带宽作为目标信号带宽，则采样频率为Fs需要> 2 BW。目标信号带宽可以在直流至带宽之间或从x到y之间，其中带宽为y – x。只要目标带宽不与ADC的奈奎斯特频段重叠，奈奎斯特频段是采样速率的一半（Fs），欠采样可以适用于ADC的更高信号频段，这些ADC相对于其各自的采样速率具有高全功率带宽（FPBW），如图1所示。

图1.宽ADC全功率带宽允许使用高阶奈奎斯特频段。必须对未使用的奈奎斯特区进行带通滤波，以消除可能折回第一奈奎斯特并影响动态范围的不需要的信号能量。

保密是军事行动的一个重要方面。为了降低拦截或探测的可能性，雷达传输的形式和幅度（在许多情况下）被设计为在尽可能宽的频率范围内传播能量。低拦截概率（LPI）和低探测概率（LPD）是具有某些性能特征的雷达系统类别，这使得当今的现代拦截接收器几乎无法检测到它们。LPI 功能可防止雷达从报警系统或无源雷达探测设备上跳闸。

为了提供抗干扰能力，可以通过智能随机化雷达脉冲并在宽带上扩展来构建系统，因此在任何一个频段上只有一个非常小的信号，这称为直接序列扩频（DSSS），如图2所示。跳频扩频（FHSS）还提供了一些针对全频段干扰的保护。在这些情况下，宽传输信号消耗的带宽超过了目标原始信号实际需要的带宽。因此，需要更宽的接收器带宽和更高的动态范围来继续提高系统功能。

图2.直接序列扩频系统需要宽接收器带宽和高动态范围，因为目标信号频带采用伪随机噪声（PN）调制，以将通信推入本底噪声。

LPI系统成功的最重要因素之一是使用尽可能宽的信号传输带宽将复杂波形伪装成噪声。相反，这为试图检测和破译这些宽带信号的拦截接收机系统带来了更高阶的挑战。因此，虽然这为LPI和LPD带来了改进，但它也增加了雷达收发器的复杂性，因为它要求系统可以一次捕获整个传输带宽。ADC能够同时数字化500 MHz和1000 MHz，并在单个奈奎斯特频段内实现更大的频谱带宽，并具有高动态范围，这有助于提供应对这一系统挑战的方法。将这些频段的频率移到ADC的第一奈奎斯特之外可能更有价值。

当今的宽带ADC在欠采样工作模式下为多个宽奈奎斯特频段提供了系统潜力。然而，使用高阶ADC奈奎斯特频段进行采样需要严格的前端抗混叠滤波和频率规划，以防止频谱能量泄漏到其他奈奎斯特区。它还确保不需要的谐波和其他低频信号在折叠到第一奈奎斯特后不会落入目标频带。ADC上游的带通滤波器（BPF）必须设计为滤除不接近标称目标带宽的无用信号和噪声。AD9234、AD9680和AD9625等新型GSPS ADC在宽输入带宽内提供多个奈奎斯特频段采样和高动态范围。

由于直接采样技术将来自每个区域的信号能量折叠回第一奈奎斯特，因此无法准确区分内容频率的来源。因此，流氓能量可能出现在第一奈奎斯特区，这将降低信噪比（SNR）和无杂散动态范围（SFDR）。光谱问题有可能困扰政府和军事应用，包括通信和传感。

用于军事通信的数字无线电收发器是使用高速ADC和DAC的另一个例子，它们有可能取代传统的基带混频器级。该架构有几个优点，因为可以在数字域中完成严格的滤波和相邻通道抑制，以实现基带转换。

直接射频采样为雷达射频前端设计提供了几个优势。首先，当可以消除整个下变频级时，它可以减少元件数量，如图3所示。它还消除了设计混频芯片以适应独特定制频率计划的需要。其次，它可以简化下一代接收器的设计，以应对随着雷达系统的现代化和更新而可用的未来信号带宽。使用新的载波频率可能需要的只是选择合适的采样率并加入适当的带通滤波器。第三，在给定不同的采样速率的情况下，可以使单个RF前端适用于多个频段。这种多频雷达接收机前端设计方法消除了对多个前端的需求。

图3.欠采样技术可能会消除下变频级，因为更高的输入频段直接提供给RF采样ADC。

当前一代ADC现在提供多个内部数字下变频（DDC）处理模块，用于通信的窄带检测。每个DDC都可以应用自己的抽取率和数控振荡器来调谐奈奎斯特频段内的位置。处理增益可以在较窄的带宽内实现，该带宽以数字方式滤除带外噪声。这减少了所需的ADC输出数据，并最大限度地降低了FPGA和DSP的处理复杂性。但是，额外的通道选择器信号处理也可以在ADC下游完成。

宽带通信和传感系统需要极高速的数据转换器。AD9234、AD9680和AD9625等先进的GSPS ADC不仅提供高采样速率和更宽的瞬时带宽，而且还能够以高于第一奈奎斯特的高动态范围对高频输入进行采样。在高带宽下使用的单个直接RF采样ADC有可能取代混频器、LO频率合成器、放大器和滤波器的整个IF采样或零IF采样子系统，同时实现更大的灵活性。这可以显著降低系统物料清单 （BOM）成本、设计时间、电路板尺寸、重量和功耗。