對航太及軍用無人機而言，飛行高度與距離都要求著高性能的無線電通訊能力，然而傳統上提供足夠效能的超外差架構訊號鏈，不論體積、重量及元件功耗，都強烈影響無人機的續航力。探用零中頻架構的高整合單晶片收發器，在突破了效能局限後，便成為一種可能的解答。
次世代航太與國防應用帶來了新挑戰，因而需要能超越現行經由最佳化個別元件而達到的解決方案。在無線電內要整合更多的軟體控制和認知能力，則需要一種頻率和頻寬更具彈性的射頻設計。為了實現此一目標，需要移除靜態濾波器，並改用可調諧濾波器取代。同樣地，共用平台的概念將能縮短開發時間、降低製造成本，並提供系統間更強大的互用性。此共用平台要求射頻系統能夠為傳統上有著非常不同架構的應用方案提供完整性能。最終，未來的平台正將尺寸及功率需求推向新的極致。
手持式士兵無線電正變得更多工且複雜，但同時也需要提高電池效率。小型無人機欠缺大型飛機的電力，而且射頻系統的每一毫瓦(Milliwatt)耗電直接反映到有效載荷電池的重量，因此，減少了可飛行時數。為了克服這些挑戰，創造新一代的航太和防衛解決方案，正需要一種新的無線電架構。
從發展初始到現在，超外差架構已成為用於航太及防衛系統的無線電設計的骨幹。
超外差架構
無論是士兵無線電、無人機(UAV)資料鏈結，或訊號情報(SIGINT)接收器，單或雙混頻級超外差架構是它們共同的選擇(圖1)。這種設計的好處是顯而易見的：適當的頻率規劃可以允許非常低的混附發射(Spurious Emissions)，可經由中頻(IF)濾波器設置通道頻寬和選擇性，而各級的增益分布則在最佳化雜訊係數和線性間允許做一取捨權衡。
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| 圖1 基本型超外差架構 |
使用超過百年，整體訊號鏈的超外差架構在性能上已經有顯著的增益。微波和射頻元件提高性能同時也降低了功耗。類比數位轉換器(ADC)和數位類比轉換器(DAC)已提升取樣率、線性和有效位元數(ENOB)。現場可編程閘陣列(FPGA)和數位訊號處理器(DSP)的處理能力一直遵循著摩爾定律並隨著時間提升，從而提供更高效的演算法、數位校正，且進一步整合。封裝技術已縮小了元件接腳密度並同步改進了熱處理。
然而，這些元件的具體改進正開始觸碰到邊際效用遞減點。相較於射頻元件都愈來愈輕巧省電的趨勢，高性能濾波器卻仍然維持大的物理尺寸，而且往往是客製化設計而增加了整體系統成本。此外，中頻濾波器設定了此平台的類比通道的頻寬，使其難以建立一個可在許多系統中重複使用共通平台設計。對於封裝技術來說，大部分生產線也不再製造0.65mm或0.8mm球間距以下的產品，意味著有著許多I/O需求的複雜元件能夠在物理上達到多小的尺寸存在了限制。
零中頻架構
近年來，零中頻(ZIF)架構重新成為有潛力取代超外差架構解決方案的一項選擇。零中頻接收器利用一個單頻混合級與本機振盪器(LO)直接設定到重要的頻段，在相位(I)和正交(Q)訊號將所接收的訊號轉至基頻(圖2)。因為所有的類比濾波都在基頻產生，此架構減輕了超外差的嚴格濾波要求，其中濾波器能更易於設計而且較定制的射頻/中頻濾波器更便宜。此類比數位轉換器及數位類比轉換器在基頻內於I/Q數據上操作，所以可降低關於轉換式頻寬的取樣率，有效節省功率。對許多設計方案來說，由於減低類比前端的複雜性和零組件數量，零中頻收發器使SWaP(Size, Weight and Power)顯著減小。
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| 圖2 零中頻架構 |
然而，此系統架構亦有需要解決的缺點。基頻的直接頻率轉換引入載波洩漏和圖像頻率成分(Image Frequency Component)。就數學上而言，I和Q訊號的虛數成分(Imaginary Components)由於其正交性(Orthogonality)而抵消(圖3)。因現實空間的因素，比如訊號鏈的製程變異及溫度增量(Temperature Deltas)就不可能在I和Q訊號之間維持一個完美的90度相位偏移，結果會造成減低圖像抑制。另外，在混頻階段不完整的LO隔離引入載波洩漏成分。當留下未校正部份，圖像和載波洩漏會降低接收器的靈敏度並產生不受歡迎的傳輸頻譜發射。
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| 圖3 零中頻圖像消除 |
從歷史上看，I/Q的不均衡狀態限制了適合於零中頻架構的應用的範圍。這是由於兩個原因：第一，零中頻架構的離散實作(Discrete Implementation)將需忍受在單晶片元件以及印刷電路板上的錯誤匹配。此外，單晶片元件能夠從不同批製造中抽離出來，由於原有的製程變異，使得精確的匹配變得非常困難。分離式實現方法也會自然地將處理器自射頻元件分離，而令正交校正演算法很難橫跨頻率、溫度和頻寬實現。
整合式收發器 提供SWaP解決方案
整合了零中頻架構的單晶收發器元件，為次世代系統提供了一條前進的康莊大道。藉由單晶片上具有的類比和射頻訊號鏈，製程變異將維持在一個最小值。此外，DSP區塊可以被整合到收發器內，去除正交校正演算法和訊號鏈之間的邊界。這種方法提供SWaP前所未有的改善，並且亦能為性能規格而與超外差架構有所匹配。
現已有業者，如亞德諾(ADI)已提供兩款收發器AD9361和AD9371，以滿足航太和防衛市場的需求(圖4)。這些元件將完整的射頻、類比和數位訊號鏈整合到單顆互補式金屬氧化物半導體(CMOS)元件中，並包括數位處理，以即時在所有製程、頻率和溫度等變異因素下執行正交和載波洩漏校正。AD9361側重於中等性能規格和非常低的功耗，如無人機數據鏈、手持式和背負式通訊系統、小型訊號情報系統。
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| 圖4 AD9361和AD9371方塊圖 |
AD9371則以非常高的性能規格和中等功率來最佳化。此外，該元件具有用於精確校準控制的整合式安謀國際(ARM)微處理器，以及用於功率放大器(PA)線性化的觀測接收器，和用於白頻段檢測的監聽接收機。這為一套不同的應用方案開啟了全新的設計潛力。使用寬頻波形或運用非連續頻譜的通訊平台，現在能導入用在更小的尺寸中。高動態範圍和寬頻允許訊號情報、電戰設備和相位陣列雷達在高度擁擠的射頻頻譜的室內定位(In Locations)中操作。
全新射頻設計 迎接次世代航太/防衛平台
元件經過百年的最佳化，使超外差架構在持續縮小和降低功率的平台上實現更好更高的性能。由於物理限制，使得這些改善開始減慢。次世代航太和防衛平台將需要一種新的射頻設計方法：將現今幾平方英吋的平台整合到單一元件中；軟體和硬體之間界限的模糊得以達到前所未有的最佳化和整合度，而且減小SWaP也不再意味著使性能下降。
AD9361和AD9371的結合提供了航太和防衛產業的設計人員現今創建系統的能力，這在幾年前還是一項不可能的任務。這些元件有許多相似之處—可調諧濾波器的轉折、寬頻本地振盪產生、多樣化能力，以及校準演算法。然而，為不同的應用方案驅動每個部分以進行最佳化還是有些關鍵的差異。AD9361是專注於單載波的平台，此處SWaP是主要驅動力。AD9371則著重在更難以實現其性能規格的寬頻、斷續的平台。這兩顆收發器將成為次世代航太和防衛訊號鏈的關鍵推手。
(本文作者任職於亞德諾半導體)