監(jiān)控系統(tǒng)，中數(shù)據(jù)轉換器的應用及成本性能挑戰(zhàn)的應對

ADI推出GSPS數(shù)據(jù)轉換器拯救電子監(jiān)控與對抗系統(tǒng)

頻譜擁堵、更高工作頻率和更復雜的波形，給電子監(jiān)控與對抗系統(tǒng)帶來層出不窮的問題，需要偵測的帶寬越來越大，檢測靈敏度要求也越來越高。隨著越來越多的功能通過數(shù)字域實現(xiàn)，上述帶寬和靈敏度兩個因素，加上成本，直接把高速模數(shù)轉換器（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)級解決方案來應對這些挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)的架構如圖1所示，它包括三個基本功能：

●射頻/微波調諧器

●數(shù)字化儀，ADC及相關的放大器和緩沖器

●快速傅里葉變換和數(shù)字信號處理

很多情況下，高速ADC性能——從模擬域到數(shù)字域的轉換——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)設計人員還必須關注如何最佳地平衡提高瞬時監(jiān)控帶寬的需求（以便最大限度提高攔截概率），以及如何將帶內高功率信號降低系統(tǒng)靈敏度的影響減至最少。

表1：高線性度低速ADC與過去和現(xiàn)在的GSPS ADC的對比

關于如何達到系統(tǒng)指標和已確定的取舍要求，ADC的采樣速率和無雜散動態(tài)范圍（SFDR）通常是影響決策的兩大主要因素。轉換器的采樣速率決定奈奎斯特頻段，進而決定個別轉換器的最大可觀測帶寬；SFDR決定可檢測的信號電平。雖然噪聲頻譜密度可能也需要考慮，但在多數(shù)情況下，ADC的噪底遠低于雜散水平，而且從系統(tǒng)運行角度看，數(shù)字化過程中產(chǎn)生的雜散與頻譜中進行數(shù)字化的低功率信號難以區(qū)分。因此，系統(tǒng)的靈敏度與SFDR直接相關，這樣檢測到假目標的可能性最低。

例如，考慮對兩個連續(xù)波（CW）信號進行數(shù)字化處理，信號A是一個滿量程輸入，信號B的功率則低得多。作為目標信號的信號B與數(shù)字化信號A所產(chǎn)生的雜散可能難以區(qū)別，因為二者的電平相似。所以，信號B可能低于系統(tǒng)的檢測電平，不會被標示為目標信號。

圖1：監(jiān)控系統(tǒng)基本架構

諸如此類的限制表明：利用具有超高線性度的ADC可實現(xiàn)最佳檢測電平，但高線性度傳統(tǒng)上是通過犧牲ADC采樣速率來實現(xiàn)的。為了方便討論，本文考慮一個通用電子監(jiān)控系統(tǒng)，但類似的系統(tǒng)架構權衡也適用于電子情報（ELINT）、信號情報（SIGINT）和通信情報（COMINT）。此類系統(tǒng)一般有三種不同系統(tǒng)架構可供考慮（參見圖2）。

圖2A所示為最簡單的系統(tǒng)。采用高線性度ADC，例如ADI公司的AD9265（其在70 MHz中頻輸入時具有93 dBc的SFDR和79 dBFS的信噪比（SNR），這種架構可提供出色的靈敏度和檢測性能，但最大采樣速率只有125 MSPS.這是以瞬時帶寬為代價而獲得的，不考慮抗混疊濾波器時的最大瞬時帶寬為62.5 MHz，通常要降低到40 MHz或更低。系統(tǒng)中只有一個轉換器，系統(tǒng)成本很低，但射頻調諧器不得不以40 MHz的步幅掃描整個射頻帶寬，這會降低攔截某些信號的概率。

為了提高帶寬，一種顯而易見的方法是交錯使用多個高線性度、低采樣速率的轉換器，將其連接到單個寬帶射頻調諧器（圖2B），從而提高有效采樣速率和瞬時帶寬。例如，若交錯使用8個AD9265 ADC，總有效采樣速率將達到1 GSPS，支持的瞬時帶寬接近500 MHz.射頻調諧器只需以500 MHz的步幅掃描，因此射頻頻譜的偵測速度會快得多，攔截目標信號（尤其是捷變信號）的概率更高。另外，系統(tǒng)僅使用一個射頻調諧器，與圖2A相比，成本增加有限。

雖然這確實給射頻調諧器帶來更多難題（更寬的帶寬帶來的難題是要保持與前述架構相似的IP3和噪聲性能），但這種方法的主要不足是交錯ADC方面。各轉換器在增益、直流失調和相位方面的失配，需要通過校準從系統(tǒng)中消除或利用數(shù)字信號處理加以管理，但即便這樣，SFDR、噪底或帶寬通常也會有一定的下降，導致此架構性能降低。對于監(jiān)控帶寬內的超高功率信號，系統(tǒng)可能不太敏感，使問題進一步惡化。500 MHz頻段任意地方的這種信號都要求降低射頻和中頻增益，從而限制了低功率信號的攔截概率。

最高性能的架構如圖2C所示，其中實現(xiàn)了多個并行射頻與數(shù)字化儀子系統(tǒng)，如果同樣使用AD9265，則可以同時觀測到多個相鄰40MHz頻段。讓每個子系統(tǒng)偏移大約40 MHz（需要一些交疊），可以提高瞬時帶寬，但很顯然，這是以系統(tǒng)成本為代價，系統(tǒng)成本與瞬時帶寬成正比。與交錯方法相比，這種架構的好處是無需通過校準或數(shù)字信號處理來消除交錯引起的雜散。此外，該系統(tǒng)抑制高功率阻塞或干擾的能力更強，因為各40 MHz頻段的射頻/中頻增益可以獨立設置。

圖2：監(jiān)控系統(tǒng)架構選項

上述系統(tǒng)架構已在當今各種系統(tǒng)中采用，但如圖中所示，每種架構在性能、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GSPS ADC就能實現(xiàn)圖2B所示的架構，同時不會有交錯帶來的缺點。此外，更高的線性度可提高檢測靈敏度，并將干擾和阻塞的影響降至最小，縮小這種架構與圖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)架構的出現(xiàn)，但這些新器件更激動人心的方面是它們還能在轉換器的模數(shù)轉換級之后實現(xiàn)數(shù)字信號處理功能。65 nm CMOS工藝支持在轉換器中實現(xiàn)更高速度的數(shù)字信號處理。例如，AD9625和AD9680均實現(xiàn)了數(shù)字下變頻（DDC）功能，因而高速ADC可動態(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的可選子頻段。在圖3所示的架構中，2.5 GSPS、12位ADC AD9625帶有嵌入式DSP選項。

在寬帶模式下，這種ADC支持以1GHz步幅監(jiān)控射頻頻譜，以便快速評估射頻圖景。一旦確定目標信號，便可將此數(shù)據(jù)引導至DDC.DDC使用數(shù)字控制振蕩器（NCO）和濾波級，可從轉換器奈奎斯特頻段內的任何地方選擇一個頻段，并進行8倍或16倍的數(shù)字抽取，從而進一步抑制噪底。雖然這一功能可以在器件中轉換器之后的數(shù)字信號處理級中輕松實現(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，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2.5GSPS ADC

航空航天和防務系統(tǒng)持續(xù)重視縮減尺寸、重量和功耗（SWaP），隨著GSPS領域的高速轉換器的線性度不斷提高，系統(tǒng)架構師開始探索新的選項。把數(shù)字信號處理集成到高速轉換器內部后，一系列選項和系統(tǒng)優(yōu)化方法開始顯露出來，現(xiàn)階段因而成為新一代監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的一個令人興奮的時期。