作者：DAVID BROWN，WYATT TAYLOR

將更多的軟件控制和認知能力集成到軍用無線電中，需要頻率和帶寬更靈活的射頻（RF）設計。為了實現這一目標，需要移除靜態濾波器，并用可調諧濾波器代替。同樣，通用平臺的概念將允許更短的開發時間，降低制造成本，并提供系統之間的更大互操作性。通用平臺要求RF系統能夠為傳統上具有非常不同架構的應用提供全部性能。未來的無線電平臺正在將尺寸和功率需求推向一個新的極端。

自問世以來，超外差架構一直是國防和航空航天系統無線電設計的支柱。無論是手持式士兵無線電、無人機（UAV）數據鏈路，還是信號情報（SIGINT）接收器，單級或雙混頻超外差架構都是常見的選擇。這種設計的好處是顯而易見的：適當的頻率規劃可以實現非常低的雜散發射，通道帶寬和選擇性由中頻（IF）濾波器設置，并且兩級之間的增益分布允許在優化噪聲系數和線性度之間進行權衡。（圖 1。

圖1：基本超外差架構

在近一百多年的使用中，超HET架構在整個信號鏈中實現了性能的顯著提高。微波和射頻器件提高了性能，同時降低了功耗。模數轉換器 （ADC） 和數模轉換器 （DAC） 提高了采樣速率、線性度和有效位數 （ENoB）。更多性能提升：現場可編程門陣列 （FPGA） 和數字信號處理器 （DSP） 的處理能力遵循摩爾定律，并隨著時間的推移而提高，從而實現更高效的算法、數字校正和進一步集成。此外，封裝技術的進步縮小了器件引腳密度，同時改善了熱處理。

然而，這些特定于設備的改進開始達到收益遞減的地步。雖然RF元件遵循減小尺寸、重量和功耗（SWaP）的趨勢，但高性能濾波器仍然很大，并且通常是定制設計，從而增加了整體系統成本。此外，中頻（IF）濾波器設置了平臺的模擬通道帶寬，因此很難創建可在各種系統中重復使用的通用平臺設計。對于封裝技術，大多數生產線不會低于 0.65 或 0.8 mm 的球間距，這意味著具有許多輸入和輸出 （I/O） 要求的復雜設備的物理尺寸存在限制。

零中頻架構

近年來重新成為潛在解決方案的超HET架構的替代方案是零中頻（ZIF）架構（圖2）。ZIF 接收器使用單混頻級，將本振 （LO） 直接設置為目標頻段，將接收信號向下轉換為基帶同相 （I） 和正交 （Q） 信號。這種架構減輕了超HET的嚴格濾波要求，因為所有模擬濾波都發生在基帶，與定制RF/IF濾波器相比，基帶濾波器更容易設計且成本更低。ADC和DAC現在在基帶上工作I/Q數據，因此可以降低相對于轉換帶寬的采樣速率，從而節省大量功耗。從許多設計方面來看，ZIF收發器由于降低了模擬前端復雜性和元件數量，從而顯著降低了SWaP。

圖2：零中頻架構。

但是，這種系統架構存在一些需要解決的缺點。直接變頻至基帶會引入載波泄漏和鏡像頻率分量。在數學上，I 和 Q 信號的虛部由于它們的正交性而被抵消（圖 3）。由于工藝變化和信號鏈中的溫度增量等實際因素，無法在I和Q信號之間保持完美的90度相位偏移，從而導致鏡像抑制性能下降。此外，混頻級中不完美的LO隔離會引入載流子泄漏成分。如果不加以校正，圖像和載波泄漏會降低接收器的靈敏度并產生不希望的光譜發射。

圖3：零中頻圖像消除。

從歷史上看，I/Q不平衡限制了適合ZIF架構的應用范圍。這是由于兩個原因：首先，ZIF架構的分立實現將在單片器件和印刷電路板（PCB）中出現不匹配。此外，單片設備可以從不同的制造批次中提取，由于本機工藝變化，精確匹配非常困難。分立實現還將使處理器與RF組件物理分離，使得正交校正算法很難跨頻率、溫度和帶寬實現。

集成收發器提供SWaP解決方案

將ZIF架構集成到單片收發器器件中，為下一代系統提供了前進的道路。通過將模擬和RF信號鏈放在一塊硅片上，工藝變化將保持在最低限度。此外，DSP模塊可以集成到收發器中，從而消除了正交校準算法和信號鏈之間的界限。這種方法既提供了無與倫比的SWaP改進，又可以匹配超HET架構的性能規格。

ADI公司提供兩款面向國防和航空航天市場的收發器：AD9361和AD9371（圖4）。這些器件將RF、模擬和數字信號鏈集成到單個CMOS器件上，并包括數字處理功能，可在所有過程、頻率和溫度變化范圍內實時運行正交和載波泄漏校正。AD9361專注于中等性能規格和超低功耗，如無人機數據鏈路、手持式和單身通信系統以及小尺寸SIGINT。AD9371針對極高性能規格和中等功耗進行了優化，集成了一個用于精細校準控制的ARM微處理器，以及一個用于功率放大器（PA）線性化的觀察接收器和一個用于空白檢測的嗅探器接收器。這些特性意味著使用寬帶波形或占用非連續頻譜的通信平臺現在可以以更小的外形尺寸實現。高動態范圍和寬帶寬使SIGINT、EW和相控陣雷達能夠在RF頻譜高度擁塞的位置運行。

圖4：AD9361和AD9371原理框圖

下一代就是現在

一百年來的設備優化使 super-het 能夠在不斷更小、更低功耗的平臺上實現越來越高的性能。隨著物理限制成為現實，這些改進開始放緩。下一代航空航天和國防平臺將需要一種新的射頻設計方法，將現有平臺的幾平方英寸集成到單個設備中。在這些器件中，軟件和硬件之間的界限變得模糊，從而實現了更大的優化和集成，SWaP的降低不再意味著性能的降低。

審核編輯：郭婷