שילוב של יותר בקרת תוכנה ויכולות קוגניטיביות למערכות אלחוט צבאיות דורש תכנון של תדר רדיו (Radio Frequency – RF) גמיש יותר לתדר ורוחב פס. כדי להשיג מטלה זו, יש לבטל מסננים סטטיים ולהחליפם במסננים מתכווננים. בדומה, המושג של פלטפורמה משותפת יאפשר זמן פיתוח קצר יותר, עלויות ייצור מוקטנות ויספק פעולה הדדית בין המערכות. הפלטפורמה המשותפת דורשת שמערכת ה-RF תהיה מסוגלת לספק ביצועים מלאים לשם יישומים שהיו בעבר בעלי ארכיטקטורות מאוד שונות. פלטפורמות רדיו עתידיות דוחפות את דרישות הגודל וההספק לקצוות חדשים.
מאז תחילתה, ארכיטקטורת ה-super-heterodyne היוותה את עמוד השדרה של תכנון רדיו עבור מערכות הגנה וחלל. אם מדובר במכשיר רדיו ידני של חייל, קשר נתונים של מל”ט או מקלט מודיעין אותות (signal intelligence – SIGINT), הארכיטקטורה – super-heterodyne בעלת שלב אחד או שניים מעורבים היא הבחירה המקובלת. היתרונות של תכנון זה ברורים: תכנון תדרים נכון יכול לאפשר שידורי כזב נמוכים ביותר, רוחב הפס של הערוצים והרגישות נקבעים על-ידי מסנני תדר הביניים (IF) וביזור השבח בין הדרגות מאפשר פשרה בין האופטימיזציה של סיפרת הרעש והליניאריות (איור 1).
במשך יותר מקרוב למאה שנות שימוש, הארכיטקטורה הסופר-הטרודינית ראתה שיפורים משמעותיים בביצועים על-גבי כל שרשרת האותות. התקני מיקרוגל ו-RF שיפרו את הביצועים שלהם תוך הפחתת צריכת ההספק. ממירי אנלוגי לדיגיטלי (ADCs) ודיגיטלי לאנלוגי (DACs) הגדילו את קצב הדגימה, הליניאריות ומספר הביטים היעיל (effective number of Bits -ENoB). שיפורים נוספים בביצועים: יכולת עיבוד ב-field-programmable gate arrays ומעבדי אותות דיגיטליים (digital signal processors – DSPs) פעלו על-פי חוק ,Moore גדלו עם הזמן ואפשרו אלגוריתמים יותר יעילים, תיקונים דיגיטליים ושילוב מוגבר. בנוסף, ההתקדמות בטכנולוגיית הזיווד צמצמה את צפיפות הפינים תוך שיפור בו-זמנית של הטיפול התרמי.
אולם, שיפורים ספציפיים-להתקן אלה החלו להגיע לנקודה של החזרות מוקטנות. בשעה שרכיבי ה-RF עקבו אחרי מגמה של הקטנת הגודל, המשקל וההספק (SWaP), מסננים בעלי ביצועים גבוהים נשארו גדולים פיסית והם מהווים לעתים קרובות תכנון מיוחד, תוך הוספה על-ידי כך של עלויות המערכת. בנוסף, מסנני תדר הביניים קבעו את רוחב הפס של הפלטפורמה, והקשו על יצירת תכנון של פלטפורמה משותפת שניתנת לשימוש חוזר על-פני מגוון רחב של מערכות. לגבי טכנולוגיית הזיווד, רוב קווי הייצור אינם יורדים מתחת לפסיעה של 0.6 או 0.8 ממ’, כלומר קיים גבול עד כמה קטן התקן מורכב בעל דרישות מבוא ומוצא רבות יכול להגיע.
ארכיטקטורה של אפס-IF
איור 2. זרימת אותות מערך מופע יוצר-קרן גנרית
כחלופה של ארכיטקטורת הסופר-הט אשר נולדה מחדש כפיתרון פוטנציאלי בשנים האחרונות היא הארכיטקטורה של Zero-IF (איור 2). מקלט ZIF משתמש בדרגת עירוב תדר יחידה כאשר המתנד המקומי (local oscillator – LO) מכוון ישירות לפס התדר בעל עניין, תוך העברה כלפי מטה של האות הנקלט לאותות בעלי פס-בסיס במופע (I) וניצבים (Q). ארכיטקטורה זאת מקלה על דרישות הסינון המחמירות של הסופר-הט, מאחר שכל הסינון האנלוגי מתרחש בפס-הבסיס, שם המסננים הם הרבה יותר נוחים לתכנן ופחות יקרים מאשר מסנני RF/IF מיוחדים. ה-ADC וה-DAC פועלים עתה על נתוני I/Q בפס הבסיס, כך שניתן להקטין את קצב הדגימה ביחס לרוחב הפס המומר, תוך חיסכון משמעותי בהספק. מהיבטי תכנון רבים, מקמ”שי ה-ZIF מספקים הקטנת SWaP משמעותית כתוצאה של הפחתת מורכבות החזית האנלוגית ומספר הרכיבים.
קיימים אמנם כמה חסרונות לארכיטקטורת המערכת הזו, שיש לטפל בהם. המרת התדר הישירה לפס הבסיס מעניקה רכיב של זליגת גל-נושא ותדר התמונה. בצורה מתמטית, הרכיבים המדומים של אותות ה-I וה-Q מתבטלים בשל הניצבות שלהם (איור 3). בשל גורמים של העולם הממשי דוגמת שינויי התהליך והפרשים בטמפרטורה בשרשרת האותות, אפשר לקיים הטיית מופע מושלמת של 90 מעלות בין אותות ה-I וה-Q, וליצור דחיית תמונה מופחתת. בנוסף, בידוד LO לא מושלם בדרגת העירוב מוסיף רכיבי זליגת הגל הנושא. אם לא יתוקנו, זליגת התמונה והגל הנושא עלולות להפחית את רגישות המקלט וליצור קרינות ספקטראליות בלתי-רצויות.
איור 3. ביטול תמונת האפס- IF
בצורה היסטורית, האיזון I/Q הגביל את תחום היישומים המתאימים לארכיטקטורת ה-ZIF. דבר זה קרה בשל שתי סיבות: ראשית, מימוש דיסקרטי של ארכיטקטורת ה-ZIF יסבול מאי-תאומים הן בהתקנים המונוליתיים והן במעגל המודפס. בנוסף, ההתקנים המונוליתיים עשויים להיווצר מקבוצות ייצור שונות, ובכך התאום המדויק נהיה קשה ביותר בשל השוני בתהליך הבסיסי. מימוש דיסקרטי גם יפריד פיסית בין המעבד לבין רכיבי ה-RF, ויקשה בכך שהאלגוריתם של תיקון הניצבות יהיה קשה ביותר למימוש על-פי התדר, הטמפרטורה ורוחב הפס.
מקמ”שים משולבים מספקים את פיתרון ה-SWaP
השילוב של ארכיטקטורת ZIF לתוך התקן של מקמ”ש מונוליתי מספק את הנתיב הקדמי עבור מערכות של הדור הבא. על-ידי קביעת שרשרת האותות האנלוגי וה-RF על פיסת סיליקון יחידה, שינוי התהליך יישמר למינימום. בנוסף, גושי DSP ניתנים לשילוב אל המקמ”ק, תוך ביטול המחסום בין אלגוריתם הכיול בניצב ושרשרת האותות. גישה זו מספקת שיפורים ללא השוואה ב-SWaP ויכולה גם להתאים לארכיטקטורת הסופר-הט לגבי מפרטי הביצועים.
Analog Devices מציעה שני מקמ”שים המיועדים לשימוש בשוקי ההגנה והחלל: ה-AD9361 ו-AD9371 . התקנים אלה משלבים את שרשרת אותות ה-RF, אנלוגית ודיגיטלית להתקן CMOS יחיד וכוללים עיבוד דיגיטלי כדי להפעיל תיקון זליגת ניצבות וגל נושא בזמן אמת על-פני כל השינויים בתהליך, תדר וטמפרטורה. ה-AD9361 מתמקד במפרטי ביצועים ממוצעים והספק נמוך ביותר, דוגמת קווי נתונים של מל”ט, מערכות תקשורת ידניות ואישיות , וגם SIGINT בעל גורם-צורה נמוך. ל-AD9371 המיוטב עבור מפרטי ביצועים גבוהים מאוד והספק בינוני, יש מיקרו-מעבד ARM משולב עבור בקרת כיול מעודנת, כמו גם מקלט פיקוח עבור ליניאריות של מגבר הספק(power amplifier –PA) ומקלט גישוש אלקטרו-מגנטי עבור גילוי של מרחב לבן. תכונות אלה פירושן שפלטפורמות תקשורת המשתמשות בצורות גלים רחבות-פס או ספקטרום לא-צמוד, ניתנות עתה למימוש בגורם צורה הרבה יותר קטן. התחום הדינמי הגבוה ורוחב הפס הרחב מאפשרים פעולת SIGINT, EW, ומכ”ם מערך מופע באתרים בעלי ספקטרום RF מאוד צפוף.
הדור הבא הוא עכשיו
מאה שנים של ייטוב התקנים אפשרו לסופר-הט להשיג ביצועים יותר ויותר גדולים, בפלטפורמות ברציפות יותר ויותר קטנות. שיפורים אלה מתחילים להאט, כאשר מגבלות פיסיקליות הופכות לממשיות. פלטפורמות חלל והגנה מהדור הבא ידרשו גישה חדשה לתכנון ה-RF. אחת כאשר מספר אינטשים רבועים של פלטפורמה קיימת משולבים בתוך התקן יחיד. בהתקנים אלה הגבול בין חומרה ותוכנה מיטשטש, ומאפשר יטוב ושילוב גדול יותר כאשר הפירוש של SWaP מופחת אינו מצביע יותר על ביצועים מופחתים.
David Brown הוא מהנדס יישומי מערכות RF ב-Analog Devices, Inc. ב-Greensboro, North Carolina.
Wyatt Taylor הוא מהנדס מערכות RF ב-Analog Devices, Inc. ב-Greensboro, North Carolina.
