Цифровой приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки

Одним из основных направлений повышения функциональности Афар является использование цифрового диаграммообразования (ЦДО) [1; 2]. Суть формирования цифровой диаграммы заключается в том, что диаграмма направленности (ДН) антенной решетки формируется не аналоговыми устройствами (фазовращателями), а цифровыми, например квадратурными модуляторами или цифровыми линиями задержки, входящими в состав каждого ПКМ. Модулятор добавляет в канал дополнительный цифровой управляемый или программируемый дискретный фазовый сдвиг, создавая необходимое амплитудно-фазовое распределение (АФР) в сетке или корректируя его.

ЦАР построен из ЦППМ, в отличие от аналогового ППМ АФАР, его основная функция заключается в предварительном формировании аналогового сигнала в цифровой сигнал на более ранней стадии в приемной части сетки, и наоборот, цифровой сигнал к аналоговому сигналу в передающей части. Вместо сложной сканирующей системы в автомобиле целесообразно использовать многолучевой режим работы хотя бы в одной плоскости. Основными преимуществами данного дспм являются замена СВЧ-входа из системы распределения сигнала несущей частоты на вход опорного сигнала, который имеет значительно более низкую частоту, а возможно и более высокую.

Замена традиционных фазовращателей устройствами с цифровыми методами формирования ДН, отсутствие процедуры снижения частоты, добавляющей амплитудные и фазовые погрешности в работу системы, реализация аналого-цифрового преобразования сигнала непосредственно на несущей частоте (Рис. 3).

Следует сказать и об использовании аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в технике ЦДО. Основной особенностью таких систем является использование АЦП (ЦАП) в каждом приемо-передающем канале каждого модуля. Это исключает операцию преобразования частоты, декодирования сигналов с выделением огибающей и тем самым снижает потери энергии, повышает чувствительность приемной системы, а также упрощает конструкцию модуля. Среди производителей, успешно решающих задачи формирования цифровых диаграмм в современных системах, прежде всего, следует отметить Analog Devices, Texas Instruments и Atmel-крупнейших поставщиков сигнальных процессоров, АЦП и ЦАП. Сигналы, подлежащие удалению с выхода АЦП суммируются и обрабатываются сигнальным процессором. Таким образом, новейшие технологии реализуются на достаточно распространенной и не самой дорогой элементной базе.

Современный уровень АЦП-технологии позволяет осуществлять аналого-цифровое преобразование сигналов со скоростью до 40 гигаватт в секунду - это серийно выпускаемые АЦП с 8-10-битным разрешением, при этом диапазон входных аналоговых сигналов составляет до 13 ГГц.

Дальнейшая обработка может быть разной. Наиболее распространен метод введения фазовых сдвигов в числовые последовательности излучателей с последующим сложением полученных значений, соответствующих тем же моментам квантования (дискретное преобразование Фурье-ДПФ или быстрое преобразование Фурье - БПФ). Цифровые сигнальные процессоры (DSP) должны быть способны вычислять адаптивные коэффициенты и генерировать ДН в режиме реального времени.

Высокие требования к массогабаритным параметрам, энергетическим и электрическим характеристикам систем с ЦДО приводят к необходимости поиска оптимальной структуры ЦППМ для различных диапазонов частот, уровней выходной мощности, требований к входному тракту и др. Все это реализуется с использованием принципа программной реконфигурации модуля, когда изменение его функций или характеристик осуществляется только программными методами, а СВЧ-часть остается неизменной. Пример реализации такой структуры ЦППМ показан на рис. 4, где более подробно показано взаимодействие и принцип управления его цифровой частью.

Требования к цифровым и микроволновым частям передающего и приемного трактов ЦППМ различны, поэтому целесообразно размещать их на разных печатных платах. Экранирование СВЧ-частей поможет уменьшить нежелательное влияние электромагнитных волн на цифровые управляющие сигналы. Развязка приемного и передающего трактов осуществляется с помощью циркулятора, выполненного в волноводном или печатном исполнении. На выходе циркулятора имеется ключевая схема, обеспечивающая работу модуля на антенном излучателе или на согласованной нагрузке. Для распределения синхронизирующих сигналов на плате СРМ расположен тактовый делитель, разделяющий опорный сигнал на приемный и передающий тракты.

Управление параметрами модуля осуществляется с помощью встроенного 8-битного или 16-битного микроконтроллера (МК). Он подключен к цифровым устройствам через универсальный последовательный интерфейс SPI.

Рис. 4. Реализация программно-реконфигурируемой архитектуры ЦППМ

МК управляет всеми компонентами модуля и, в частности, процессом изменения частоты на его выходе. Например, частота каждой литере ЦППМ константы во внутренней памяти SRAM МК соответствует их целочисленному и дробному коэффициенту деления SSC, расположенному в цифровой части каждого модуля, и выходному току ССЧ, определяющему его выходную мощность на определенной частоте, что позволяет регулировать плоскостность передающего тракта. Если вам нужна более точная настройка, вы можете настроить выходную мощность ССЧ с помощью встроенного аттенюатора. Каждая частота в памяти МК соответствует значениям корректирующих амплитуд и фаз выходного сигнала. Память современных МК позволяет хранить до нескольких сотен значений частоты. Включение постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) в ЦППМ позволяет значительно увеличить объем хранимой информации.

В плане управления параметрами АЦП в приемном тракте контроллер позволяет изменять уровень постоянного смещения на его дифференциальных входах и включать / выключать внутреннюю схему диттеринга.

Цифровые ЦППМ-устройства имеют возможность программировать отключение питания, во время которого сохраняются все текущие значения регистров внутренней памяти. Включение режима низкого потребления тока осуществляется с помощью высокоуровневого МК на контакте POWER. Потребляемый ток в этом режиме обычно не превышает 100 - 200 мА.

Важной задачей МС является проведение процедуры запуска ЦППМ и контроля параметров, составляющих его компоненты, с последующей выдачей квитанции о текущем состоянии модуля на центральный компьютер (ЦМВ).

Выбор интерфейса для взаимодействия между ЦППМ и ЦВМ производится в первую очередь исходя из объема передаваемых данных. Повышение требований к изменению амплитудно-фазового распределения антенной системы до скоростей, соответствующих частотам обработки 100-200 МГц, приводит к необходимости использования высокоскоростных цифровых интерфейсов связи, обеспечивающих низкое энергопотребление и малый входной шум в передаваемом сигнале. Требуемая скорость передачи данных на интерфейсе CPM-CBC определяется следующим выражением.

F DA TA =2F DAC N DAC+F ADCN ADC+F MKN DATA. (1)

где _FDAC, _Fadc - частота дискретизации ЦАП и АЦП, Гц; N DAC, N ADC разрядность ЦАП и АЦП; F MK - частота управления микроконтроллером, Гц; N DATA - разрядность управляющего слова.

Пропускная способность цифрового канала связи должна быть на 10-20% выше частоты, используемой пользователем согласно формуле (1). требуемая скорость передачи данных в центре обработки данных аналогична показанной на фиг. 4, Согласно этому выражению, должно быть не менее 2,1 Гбит / с.

В качестве цифрового коммуникационного интерфейса можно использовать стандарт ANSI/TIA/EIA-644 (LVDS)-низковольтная дифференциальная передача сигнала. Передача данных в LVDS осуществляется по двум дифференциальным линиям с противоположными значениями напряжения в каждый момент времени. Прием сигналов LVDS осуществляется путем сравнения напряжений на обеих линиях, что исключает влияние шума, вводящего в сигнал паразитную постоянную составляющую, и снижает напряжение, необходимое для передачи, что в свою очередь снижает энергопотребление интерфейса. Концентрация электромагнитного поля в области между дифференциальными линиями уменьшает их влияние на другие элементы ЦППМ.

Анализ существующей элементной базы показал, что такие модули могут иметь значительно меньшие габариты, вес и энергозатраты, чем традиционные ППМ АФАР. В то же время их точностные характеристики обеспечивают формирование Пучков с шириной порядка единиц и долей градуса и соответствующим усилением.

Заключение