Схемотехника цифровых антенных решеток. Грани возможного

Загрузить полную версию статьи в формате pdf

Опыт проектирования цифровых антенных решеток (ЦАР) для систем связи и радиолокации показывает, что этот процесс состоит из непрерывной череды компромиссов между показателями эффективности и стоимости, требуемыми техническими характеристиками и возможностями элементной базы. Когда-нибудь решение этих проблем неизбежно станет уделом систем искусственного интеллекта, но пока разработка радиотехнических приложений на базе ЦАР требует высочайшей квалификации и, по сути, является искусством возможного. Какие же технические характеристики ЦАР могут быть сегодня реализованы, если сделать ставку на существующие схемотехнические решения?

Чтобы унифицировать программное обеспечение с компьютерами линии РС, получить высокую пропускную способность шинного интерфейса и максимально расширить сферы применения аппаратных решений [1], промышленное исполнение цифрового сегмента обработки сигналов в ЦАР сегодня целесообразно осуществлять на основе шинного интерфейса стандарта CompactPCI (CPCI). Такой интерфейс может использоваться в качестве системообразующего протокола, обеспечивающего передачу управляющих команд процессорных модулей, а при условии достаточности пропускной способности – и межмодульный обмен данными.

Сейчас среди лучших технических решений в CPCI-стандарте на мировом рынке по-прежнему наиболее приспособлены для выполнения задач цифрового диаграммообразования (ЦДО) в приемных антенных решетках платы многоканальной оцифровки радиочастотных сигналов компаний NallaTech (Великобритания), Scan Engeneering Telecom (Россия) и ООО “Пульсар” (Украина). Их особенность – установка на несущей CompactPCI-плате 6U формата 16 и более независимых каналов радиочастотного ввода с разрядностью АЦП 12–14 бит и частотой дискретизации до 100 МГц, а также применение ПЛИС типа FPGA фирмы Xilinx для многоэшелонной цифровой обработки сигналов (рис.1, 2). Эти решения легко использовать и в передающих ЦАР путем замены АЦП цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП). Построение получаемых в результате многоканальных цифровых передающих модулей (МЦПдМ) аналогично построению многоканальных цифровых приемных модулей (МЦПМ), поэтому имеет смысл подробно остановиться преимущественно на схемотехнике приемного сегмента ЦАР.

При использовании для обмена данными между унифицированными платами МЦПМ и модулем управляющего компьютера (CPU) 64-бит/33-МГц шины CPCI в режиме Master скорость информационного потока составляет 200 Мбайт/с (1,6 Гбит/с). Если такая пропускная способность удовлетворяет требованиям, структурная схема цифрового приемного сегмента радиотехнической системы с ЦАР, например в конфигурации 8х4 элементов будет иметь вид, представленный на рис.3. При таком построении данные в ОЗУ управляющего компьютера загружаются по шине CPCI с четырех модулей МЦПМ, содержащих для квадратурной оцифровки сигналов 16 АЦП каждый. Весь необходимый комплект CPCI-плат, включая синхронизатор, может быть размещен в одном типовом корпусе с шестью слотами шины CompactPCI.

При обработке сравнительно коротких импульсных сигналов, например с длительностью 1,23 мкс, как в стандарте связи CDMA-95, пропускная способность 64-бит/33-МГц CPCI-шины может оказаться недостаточной для обеспечения работоспособности приемного сегмента ЦАР в реальном масштабе времени. В определенной мере решение этой проблемы – модификация МЦПМ на частоту шины CPCI 66 МГц. Соответствующие кросс-платы имеются на рынке, хотя они и рассчитаны, как правило, всего на четыре-пять слотов. Пример – плата Backplane OSS-BP-6U-5-L фирмы One Stop Systems (США), цена которой, приводимая на сайте производителя, составляет 660–695 долларов [4].

Более радикальное решение, реализованное специалистами Scan Engeneering Telecom (Россия), основано на применении специального объединительного модуля (ОМ), играющего роль связующего звена между платами МЦПМ и управляющим компьютером (рис.4). Использование объединительных плат с модулями цифровой обработки сигналов на ПЛИС серии Virtex-II типа SETLINK [5] – весьма перспективное схемотехническое решение, выгодно отличающее продукцию компании Scan Engeneering Telecom от ближайшего конкурента – NallaTech. Связь между МЦПМ и ОМ в схемотехническом решении Scan Engeneering Telecom осуществляется по оптоволоконной гальванически развязанной линии, что позволяет минимизировать влияние цифровой части на аналоговый сегмент МЦПМ. При этом реализованный протокол LVDS позволяет достичь пропускной способности, эквивалентной пропускной способности 64-бит/33-МГц CPCI, а благодаря распараллеливанию загрузки данных одновременно со всех МЦПМ общий выигрыш в производительности, по сравнению с приемным сегментом ЦАР с CPCI, пропорционален числу задействованных плат МЦПМ и каналов последовательной передачи. На основе анализа структуры ОМ типа SETLINK можно сделать вывод о возможности реализации с помощью такого модуля не только шлюзов “МЦПМ – управляющий компьютер”, но и о возможности выполнения операции цифрового диаграммообразования, а также синтеза частотных фильтров по каждому из пространственных лучей цифровой характеристики направленности (ХН) для поддержки связных протоколов, использующих метод ортогональной частотной дискретной модуляции (OFDM). В передающем сегменте ЦАР ОМ может выполнять процедуры обратного БПФ для формирования OFDM-фреймов, а по заданным угловым координатам абонентов – рассчитывать межканальные фазовые сдвиги сигнальных пакетов для ориентации максимумов ХН передающей ЦАР в заданных направлениях.

Применение объединительных плат, подобных SETLINK (рис.5), облегчает построение более сложных радиотехнических систем с ЦАР, чем при использовании приемных сегментов типа, приведенного на рис.3. При этом весь комплект – МЦПМ, МЦПдМ, ОМ и модуль CPU – может быть размещен в одном крейте шины CPCI с 16 слотами, соединенными для соблюдения нормативной нагрузочной способности через развязывающие мосты. Платы ОМ и управляющего компьютера имеет смысл устанавливать в слоты первичного сегмента шины (Primary Bus), а модули МЦПМ (МЦПдМ) – преимущественно в слоты вторичного сегмента (Secondary Bus). При таком построении шина CPCI в модулях МЦПМ (МЦПдМ) используется только для подачи напряжений питания, управляющих сигналов, а также для загрузки рассчитанных CPU коэффициентов коррекции квадратурных погрешностей [6] и характеристик приемных (передающих) каналов. С учетом выпускаемых промышленностью типовых крейтов блок, приведенный на рис.5, может использоваться для обработки сигналов четырехсекторной ЦАР, содержащей до 16 антенных элементов в каждом секторе. Для этого потребуется 21-слотовое несущее шасси, в котором будут установлены восемь восьмиканальных плат МЦПМ, восемь плат МЦПдМ аналогичной емкости, две платы ОМ, синхронизатор и модуль управляющего процессора CPU. Типовой конструктив современной CPCI-платы для процессора Pentium IV приведен на рис.6.

Серьезной проблемой, ограничивающей применение рассмотренных решений в многоэлементных ЦАР, является энергопотребление плат МЦПМ (МЦПдМ), достигающее нескольких десятков ватт. Неслучайно ряд фирм, в частности Performance Technologies [7], в последнее время специализируются на производстве CPCI-крейтов (корпусов) с батареей блоков питания и мощными вентиляторными секциями. При этом предельная нагрузка одного слота CPCI в таких шасси в среднем не превышает 50 Вт и лишь для одного-двух слотов (как правило, процессорных) может достигать 70–80 Вт. Удачной для реализации ЦАР является платформа ZT 5088e 12U [7] компании Performance Technologies, содержащая 21 слот CPCI для плат формата 6U, каждый из которых поддерживает протокол 64 бит/66 МГц (рис.7). При этом все слоты могут быть сгруппированы в один, два или четыре сегмента, содержащих по одному системному слоту. Питание крейта обеспечивают восемь встроенных блоков питания с номинальной мощностью до 350 Вт каждый, гарантирующих благодаря продуманной схеме вентиляции длительную работу системы с нагрузкой 50 Вт на один слот. Подобные CPCI-крейты выпускает и фирма Kontron, которую на российском рынке представляет компания РТсофт [8].

Для реализации более продвинутых плоских либо многосегментных приемопередающих ЦАР даже в 21-слотовых, не говоря

о 16-слотовых, крейтах не удастся разместить весь необходимый комплект модулей обработки сигналов. В этом случае нужно использовать многокрейтовую конструкцию, вариант структурной схемы которой приведен на рис.8. При этом для обмена данными между модулем хост-процессора и платами управляющих процессоров каждого крейта целесообразно использовать локальную сеть с пропускной способностью не менее 1 Гбит/с (во всех последних платах под Pentium IV имеются соответствующие интегрированные адаптеры), а в перспективе и 10 Гбит/с. Такой подход приемлем и при меньшем числе приемопередающих каналов ЦАР, если по каким-либо соображениям применение многослотовых шасси нежелательно (например, из-за больших токовых нагрузок).

Один из основных источников выделяемой мощности в МЦПМ (МЦПдМ) – микросхемы АЦП (ЦАП). Так, одна микросхема АЦП AD6645 потребляет до 1,75 Вт, а при размещении на одной плате 16 таких микросхем рассеиваемая мощность достигает 28 Вт. Выход из этого тупика – применение интегрированных решений, суть которых сводится к размещению в одном корпусе нескольких быстродействующих 12–14-бит АЦП (ЦАП). Примером может служить микросхема сдвоенного 14-бит АЦП типа AD9248 компании Analog Devices (рис.9) [9]. При потребляемой мощности 600 мВт на корпус и тактовой частоте каждого из двух преобразователей 65-МГц микросхема AD9248 оцифровывает сигнал с полосой до 500 МГц по дифференциальному входу. Свободный от искажений динамический диапазон (SFDR) составляет 85 дБс (85 дБ по отношению к несущей), а отношение сигнал–шум – около 75 дБ. При этом заметно уменьшены и габариты корпуса микросхемы.

Появление на рынке АЦП AD9248 позволяет модернизировать рассмотренные выше платы МЦПМ для оцифровки комплексных аналоговых сигналов 16 антенных элементов. Это потребует размещения на одной плате МЦПМ 16 таких микросхем и соответствующей компоновки разъемов для аналоговых входов. В результате, несмотря на увеличение числа каналов вдове, рассеиваемую сегментом АЦП мощность удается снизить более чем в два раза по сравнению с платой на базе 14-бит АЦП типа AD 6545. Следует отметить, что такой разительный прогресс уже не является пределом. Еще более продвинутое схемотехническое решение позволило разработчикам компании Analog Devices создать счетверенные 12-бит АЦП типа AD9229 (рис.10) [10]. В каждом канале микросхемы, так же, как и в AD9248, при тактовой частоте 65 МГц может выполняться оцифровка дифференциальных аналоговых сигналов с граничной полосой 500 МГц. При этом рассеиваемая одним каналом мощность составляет 270 мВт, что меньше, чем у АЦП AD9248 (300 мВт).

АЦП AD9229 – первая многоканальная микросхема компании Analog Devices, в которой, подобно АЦП TC1210 фирмы Telasic [11], для выдачи результатов преобразования используются последовательные LVDS-каналы. Отношение сигнал–шум по выходу микросхемы составляет 70 дБ, поэтому, несмотря на проигрыш в разрядности, AD9229 может стать козырной картой в назревающем буме Smart-антенных решений [12]. Благодаря малым габаритам (7х7 мм) на плате МЦПМ формата 6U можно легко разместить 16 таких корпусов, что обеспечивает обработку одним модулем МЦПМ комплексных сигналов 32 антенных элементов. Аналогичную микросхему АЦП типа MAX1127 выпускает компания Maxim Integrated Products [13]. От четырехканальных АЦП фирмы Analog Devices MAX1127 отличается значительно меньшим энергопотреблением и сниженным уровнем джиттера (0,4 пс вместо 1 пс). При этом его тактовая частота также равна 65 МГц.

Четырехканальное построение АЦП с выдачей данных по последовательному интерфейсу LVDS по сути становится стандартным решением, однако подлинным достижением современной микроэлектроники явились восьмиканальные 12-бит АЦП серии ADS527x компании Texas Instruments на тактовые частоты 40, 50, 65 и 70 МГц (рис.11) [14]. Причем речь идет не только об уникальном числе каналов, но и о низкой рассеиваемой мощности в пересчете на один канал АЦП. Эти микросхемы устраняют последние технологические преграды на пути массового внедрения ЦАР и делают цифровое диаграммообразование предельно доступной и экономически оправданной технологией (стоимость самой дорогой микросхемы ADS5273 с тактовой частотой 70 МГц в малых партиях составляет примерно 200 долларов).

Основные характеристики анонсированных фирмами Analog Devices, Maxim и Texas Instruments многоканальных 12-бит АЦП приведены в таблице. По-видимому, в ближайшее время можно ожидать появления аналогичных микросхем ЦАП.

Как известно, в системах связи, в отличие от радиолокационных, благодаря известным частотам сигналов и местоположению их источника (например, в радиорелейных средствах) на этапе декодирования сообщений возможно вещественное представление аналоговых сигналов. В схемотехническом плане это означает, что одна плата МЦПМ с восемью АЦП типа ADS5273 способна оцифровать выходы 64 антенных элементов, например ЦАР в конфигурации 4х16. Нетрудно подсчитать, что одной такой платы достаточно для обработки сигналов четырехсекторной приемной антенной системы базовой станции. Разумеется, для подключения подобного числа аналоговых каналов необходима конструкция формата 8HP, поскольку на лицевой панели МЦПМ нужно разместить 64 входных разъема.

Очевидно, для обработки столь огромного потока данных необходимы более продвинутые схемотехнические решения. При использовании многоканальных микросхем АЦП ограниченные габариты формата 6U вынуждают перейти к размещению в одном корпусе ПЛИС обработчика сигналов четырех и более микросхем АЦП. Такая интеграция возможна в случае применения нового поколения ПЛИС, таких как ПЛИС семейств Virtex II Pro, Virtex II Pro X и Virtex-4 фирмы Xilinx [15]. Появление в портфеле Xilinx этих семейств FPGA существенно расширяет рамки возможного в системо- и схемотехнике цифрового сегмента ЦАР. Особенность архитектуры FPGA Virtex II Pro X и Virtex-4, выполненных, соответственно, по 0,13-мкм и 0,09-мкм технологиям, – наличие встроенных мультигигабитных трансиверов Rocket I/O и PowerPC-процессорных ядер [15]. В наиболее продвинутых микросхемах семейства Virtex-II Pro возможна интеграция до четырех ядер процессоров PowerPC 405 с рабочей частотой свыше 300 МГц, а также до 24 трансиверов с пропускной способностью каждого 3,2 Гбит/с. В серии Virtex II Pro X трансиверы интерфейса Rocket I/O поддерживают скорость передачи 10 Гбит/с, а в Virtex-4-FX – до 11,1 Гбит/с. Длина Rocket-интерфейсов с таким трафиком может достигать 0,5 м. При этом тактовая частота микросхемы семейства Virtex-4 составляет 500 МГц. Благодаря переходу к 0,09-мкм технологии рассеиваемая семейством Virtex-4 мощность снижена почти на 50%, улучшена радиационная стойкость микросхемы, а скорость передачи встроенных каналов LVDS достигла 1 Гбит/с. Пока что автору неизвестны модификации на базе Virtex II Pro X, а тем более Virtex-4, монолитных плат формата 6U компании Scan Engeneering (мезонинные же модули фирмы NallaTech с Virtex II Pro – менее изящное решение), поэтому, упреждая ход событий, имеет смыл рассмотреть возможные варианты применения таких ПЛИС в цифровых модулях формирования луча.

Особенностью МЦПМ на базе Virtex-II Pro X или Virtex-4, безусловно, станет параллельная обработка сигналов четырех и более микросхем АЦП (ЦАП) в одном чипе ПЛИС (при наличии в АЦП LVDS-интерфейсов последовательной передачи данных в принципе одна ПЛИС большой логической емкости может обрабатывать сигналы с выходов восьми каналов АЦП). Кроме того, эшелонированное размещение ПЛИС на плате позволит распределить функции между элементами в соответствии с этапами цифровой обработки данных. Например, в ПЛИС первого эшелона МЦПМ, непосредственно контактирующих с АЦП, могут быть реализованы первичная или согласованная цифровая фильтрация сигналов с прореживанием информационного потока и формированием квадратурных составляющих; коррекция квадратичных погрешностей, неидентичностей АЧХ и ХН первичных каналов. И наконец, благодаря наличию блока менеджмента алгоритмов обработки появится возможность их выбора в соответствии с требуемым режимом функционирования. Во втором эшелоне ПЛИС целесообразно реализовывать процедуры межканальной обработки, например заготовки для цифрового диаграммообразования. Возможный вариант модифицированной платы МЦПМ с FPGA семейств Virtex-II Pro X, Virtex 4 в первом и втором эшелонах показан на рис.12, при этом для передачи данных между эшелонами ПЛИС предусмотрен последовательно-параллельный LVDS-интерфейс, что существенно упрощает разводку печатной платы. Для контроля функционирования МЦПМ наравне с рабочими могут использоваться и специальные тестовые прошивки архитектуры ПЛИС, записанные во флэш-память и позволяющие диагностировать правильность работы FPGA на конкретных фазах обработки сигналов. Для ускорения сброса данных в последующие устройства обработки могут использоваться трансиверы Rocket I/O.

Модифицированный на базе Virtex-II Pro (X), Virtex 4 объединительный модуль (рис.13) может быть использован: для сбора по последовательным интерфейсам результатов первичной обработки сигналов в МЦПМ; выполнения над выходными данными нескольких плат МЦПМ операции цифрового диаграммообразования по второй угловой координате; вычитания помех по известным угловым координатам, загружаемым с управляющего процессора; формирования сетки частотных фильтров при OFDM-связи; демодуляции сигналов и передачи обработанных массивов данных в оперативную память модуля управляющего компьютера по шине CompactPCI. В передающем сегменте архитектура установленных на ОМ ПЛИС перепрошивается для решения задач формирования заготовок OFDM-пакетов с требуемым фазовым сдвигом от канала к каналу по одной из угловых координат, QAM-модуляции цифровых сигналов в соответствии с передаваемым набором символов, внесения предыскажений для компенсации взаимного влияния антенных элементов и нелинейных деформаций аналоговых сигналов в усилителях мощности.

В отличие от связных задач, сложность которых пока ограничивается применением восьми- или даже четырехэлементных ЦАР по трем-четырем секторам, для совместного решения задач связи и радиолокации структура сегментов ЦАР минимальной конфигурации содержит 8х16 или даже 16х16 антенных элементов. Очевидно, при создании таких ЦАР возможности объединительной платы, приведенной на рис.13, могут оказаться недостаточными не только с точки зрения выполнения вычислительных операций, но и с точки зрения реализации, если учесть требуемое число разъемов для интерфейса Rocket I/O. Шина CPCI не в состоянии пропустить такой массив данных в разумное время. Поэтому для объединения выходов плат ОМ сложных по структуре ЦАР единственное решение – применение дополнительного объединительного модуля, в котором бы завершалось формирование вторичных пространственных каналов по второй угловой координате. В таком дополнительном модуле должен быть размещен шлюз на шину CPCI. В дополнительном ОМ могут выполняться последние слои ЦДО над откликами частотных фильтров, синтезированными в платах ОМ первого уровня иерархии приемного сегмента, а также загрузка данных в буферы большого объема для сокращения перерывов в обработке информации.

Естественно, для обслуживания большого числа плат МПЦМ и “выкачки” результатов их функционирования в объединительную плату второго иерархического уровня необходимо модифицировать рассмотренный ранее вариант платы ОМ, для чего в FPGA второго эшелона используются не ядра шины CPCI, а последовательные интерфейсы Rocket I/O. Кроме того, в модифицированном варианте ОМ (МОМ) могут применяться более мощные по своим функциональным возможностям микросхемы FPGA. Рассмотренная же выше плата ОМ на этот раз выступает в роли объединительной платы второго уровня, через которую могут проходить двунаправленные потоки данных с МЦПМ и в МЦПдМ (рис.14).

Рассмотрение возможностей современной элементной базы при реализации технологии ЦАР было бы неполным без анализа новых тенденций в развитии аналоговой техники, учитывающих специфику ЦДО. Характерный пример – продукция фирмы RFTune [16] и Telasic [17], анонсировавших, соответственно, специализированные под Smart-антенны чипсеты трансиверов и многоканальный программируемый тюнер TC4000, существенно упрощающие технологию построения приемопередающих антенных решеток. Фирма RFTune продвигает идею объединения в одном корпусе двух приемопередающих модулей для двух антенных элементов (микросхемы RFT2401, RFTXX01, рис.15). Хотя эти разработки нацелены пока исключительно на частоты стандарта 802.11а/b/g, в принципе они смогут найти применение и в других приложениях, тем более что в ближайшее время не исключено появление четырехканальных чипсетов аналогичного типа.

В заключение следует отметить, что представленная многоиерархическая концепция построения цифрового сегмента ЦАР – фактически предельно возможная в современной системотехнике CPCI, и поэтому она может рассматриваться как средство реализации авангардных проектов в ближайшие пять–десять лет. В дальнейшем развитие элементной базы может существенно изменить системо- и схемотехнические подходы к реализации ЦАР средних размеров, однако рассмотренная идеология многоуровневого масштабирования в основе своей сохранит право на жизнь и при реализации многоэлементных ЦАР более сложных форматов. Предпосылкой этому служит технология объединительных модулей, позволяющая осуществлять сбор выходных сигналов приемопередающих каналов ЦАР через последовательные интерфейсы даже в случае реализации принципа система-на-кристалле, когда АЦП (ЦАП) входят не в состав плат МЦПМ (МЦПдМ), а в каждый отдельно взятый аналого-цифровой канал. При этом результирующие напряжения с выходов СВЧ-приемопередатчиков в цифровом виде могут, по-прежнему, подаваться по волоконно-оптическим линиям связи на входы ОМ, а уж затем – на шину CPCI. Для высокопроизводительных телекоммуникационных систем существует также возможность переноса рассмотренных подходов на новый стандарт шинного интерфейса AdvancedTCA, использующего до 16 каналов последовательного протокола PCI-Express. Но это уже совсем другая история.

Литература

1. Слюсар В. И. Схемотехника цифрового диаграммообразования. Модульные решения. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2002, № 1, с.46–52.

2. www.nallatech.com.

3. Модуль 18-ти канального аналого-цифрового преобразования – АЦП-18К. – Scan Engineering Telecom. – Воронеж.– www.setdsp.ru/products/instrumental/cpci/adc18k/.

4. 5-slot backplane. – www.onestopsystems.com/products/pages/2626.asp.

5. Модуль цифровой обработки сигналов на ПЛИС серии Virtex-II SETLINK. – Scan Engineering Telecom. – Воронеж– www.setdsp.ru/products/instrumental/cpci/plisar001/.

6. Слюсар В. И., Солощев О. Н., Титов И. В. Метод коррекции квадратурного разбаланса приемных каналов цифровой антенной решетки.– Радиоэлектроника (Изв. высш. учеб. заведений), 2004, № 2, с. 42–50.

7. ZT5088e 12U General Purpose Packet-Switched Platform. www.ziatech.com/Manuals/IPnexus_ZT_5088e_Manual.pdf.

8. www.rtsoft.ru/products/CompactPCI/6U/.

9. 14-Bit, 20/40/65 MSPS Dual A/D Converter AD9248. Preliminary Technical Data.– www.analog.com/Analog_Root/productPage/.

10. Quad 12-Bit, 50/65 MSPS Serial LVDS 3V A/D Converter AD9229. Preliminary Technical Data.– www.analog.com/Analog_Root/productPage/.

11. Слюсар В. И. Суперскоростные АЦП и ЦАП. Новые игроки

на рынке. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2003, № 6, с.18 – 20.

12. Слюсар В. И. Smart-антенны пошли в серию. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, № 1, с.52 – 55.

13. 12-Bit, 40/65 MSPS Quad A/D Converter MAX1127. – http://www.maxim-ic.com.

14. Octal 12-Bit, 40/65/70 MSPS A/D Converter ADS5273. – www.ti.com.

15. Кузелин М. Современные ПЛИС фирмы Xilinx. Серия Virtex – ни года без нового семейства. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, № 4, с. 20–24.

16. www.rftune.com.

17. BaseFlex™ Chipset. – www.telasic.com/live/products/baseflex_chip-set.shtml.

Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА № 5(79) 2009

66

УДК 621.396.96

Структура канальных трактов

цифровых антенных решеток

В.Ю.Кочетков

Московский государственный институт электронной техники

(технический университет)

Предложена методика калибровки и структура построения канальных

трактов цифровой антенной решетки.

В последнее время созданы антенны нового типа, представляющие собой антенные

решетки с цифровым формированием диаграммы. Основным преимуществом примене-

ния цифровой антенной решетки (ЦАР) перед фазированными антенными решетками

является возможность формирования диаграммы направленности произвольной формы

и работа с многими лучами.

Структурная схема однолучевой приемной ЦАР приведена на рис.1.

Аналоговый сигнал с элемента антенны подается на вход аналогового приемника,

где сигнал усиливается и демодулируется в квадратурные составляющие (либо перено-

сится на промежуточную частоту). Далее сигнал преобразуется с помощью аналого-

цифрового преобразователя (АЦП) в циф-

ровую форму .

i

xr После этого, в зависимо-

сти от требуемой диаграммы направлен-

ности, обеспечивается изменение фазового

сдвига сигнала на требуемый угол i

ϕ и его

усиление на коэффициент .

i

k Демодуля-

ция сигнала, в зависимости от конкретного

применения, может осуществляться как в

аналоговом виде, так и в цифровом. В рас-

сматриваемом примере реализована анало-

говая демодуляция.

Назовем элементы антенны и аналоговые приемники аналоговой частью, а то, что

находится в канальном тракте после АЦП – цифровой частью.

Окончательное формирование луча осуществляется посредством синфазного взве-

шенного суммирования обработанных сигналов с каждого элемента антенны. Аналити-

ческое выражение, описывающее работу однолучевой ЦАР, можно записать следую-

щим образом

 .

i

j

ie

k

=

t

s ϕ

 (1)

Параметры канальных трактов аналоговой части существенно отличаются друг от

друга. Например, разброс коэффициента усиления может достигать 3 дБ, а сдвиг фаз

увеличиться до 90. Ясно, что работа решетки при таких разбросах будет нарушена,

снизятся точностные параметры формирования диаграммы и результирующий энерге-

тический выигрыш.

Приемник

Приемник

Приемник

АЦП

АЦП

АЦП

st

()

k1

k2

kn

x1

x2

xn

А1

А2

Аn

k

k

k

.

.

.

Рис.1. Структурная схема однолучевой ЦАР

 В.Ю.Кочетков, 2009

Структура канальных трактов...

Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА № 5(79) 2009 67

В процессе производства можно обеспечить идентичность аналоговых канальных

трактов. Это требует применения дополнительных подстроечных элементов и введения

новых технологических операций, что в конечном итоге негативно скажется на надеж-

ности антенной решетки и приведет к дополнительным неоправданным затратам люд-

ских, временных и материальных ресурсов.

В настоящей работе рассматриваются метод коррекции амплитудно-частотных ха-

рактеристик канальных трактов и структура построения ЦАР с функцией встроенной

калибровки. При применении встроенной системы калибровки не требуется выполнять

операции настройки, что снижает затраты при производстве аналоговой части и увели-

чивает надежность и тактико-технические характеристики ЦАР по сравнению с актив-

ными фазированными решетками (АФАР).

Известно, что параметры элементов цифровой части постоянны и один канал по точ-

ностным характеристикам не отличается от остальных, и, следовательно, калибровку не-

обходимо проводить только для аналоговой части. Применение цифровой обработки сиг-

налов позволяет учесть неидентичность аналоговых канальных трактов путем добавления

поправочных коэффициентов для корректировки сдвига фаз и коэффициента усиления

( ,

0

i

ϕ

0

i

k ) при выполнении синфазного взвешенного суммирования. Результирующее вы-

ражение работы алгоритма коррекции будет выглядеть следующим образом:

    

0

0 i

i

j

i

i e

k

+

k

=

t

s ϕ

ϕ

 . (2)

Для нахождения поправочных коэффициентов необходимо подать на каждый ана-

логовый тракт калибровочный сигнал и провести анализ выходного сигнала по пара-

метрам фазового сдвига и коэффициента усиления. Результатом анализа будет набор

значений фазового сдвига и коэффициента усиления.

Любое из получившихся значений фазового сдвига (он будет называться первым)

принимаем за начальное значение. Для нахождения 0

i

ϕ необходимо каждое значение

фазового сдвига уменьшить на величину первого сдвига. Для нахождения поправок ко-

эффициента усиления находим максимальный коэффициент усиления, и его значение

принимаем за эталон. Остальные нормируются относительно этого значения. Таким

образом, получим значения .

0

i

k Можно взять в качестве эталона минимальное значение

коэффициента усиления, но тогда, при реализации цифровой части, потеряется часть

динамического диапазона результирующего сигнала.

Возможно два варианта калибровки: через эфир* и посредством подачи калибро-

вочного сигнала непосредственно на вход приемного модуля.

Калибровка через эфир обеспечивает полную калибровку аналогового тракта с ан-

тенной. Применение данного способа возможно в безэховой камере, либо в условиях

отсутствия помех. Источник калибровочного сигнала располагается на расстоянии от

антенной решетки таким образом, чтобы можно было считать, что расстояние от ис-

точника до любого элемента антенны одинаково. В противном случае, нужно будет

учесть разность расстояния до конкретного элемента решетки относительно источника

сигнала в результирующих коэффициентах калибровки. Источник сигнала расположен

в ближней зоне, поэтому фронт волны в данном случае является сферическим и его не-

обходимо учитывать (преобразовать в плоский посредством компенсации набега фаз,

обусловленных кривизной фронта).

*

Слюсар В.И. Коррекция характеристик приемных сигналов цифровой антенной решетки

по контрольному источнику в ближней зоне // Радиоэлектроника. − 2003. − № 1. – С. 44–52.

В.Ю.Кочетков

Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА № 5(79) 2009

68

Второй вариант калибровки не учитывает характеристики (параметры) конкретной

антенны, но позволяет проводить калибровку непосредственно в составе комплекса пе-

ред применением ЦАР либо между интервалами полезной работы. Характеристики ан-

тенн мало отличаются друг от друга и их разбросом можно пренебречь. Непосредст-

венно на вход аналогового тракта подается тестовый сигнал и проводится измерение

амплитудно-частотных характеристик. Для реализации этого механизма в аналоговый

тракт необходимо ввести схему переключения источника входного сигнала.

Для проведения калибровки в качестве калибровочного сигнала (КС) применяется

промодулированный гармонический сигнал. Подобный сигнал сформировать не слож-

но, а его обработка не требует больших вычислительных затрат. Формирование сигнала

можно организовать как средствами ЦАР, так и с использованием внешнего генератора.

Входной сигнал имеет широкий спектр и очевидно, что аналоговая часть не являет-

ся линейной. Для калибровки системы в данном случае необходимо найти передаточ-

ные функции каждого канала (для этого потребуется усложнить процесс формирования

и обработки) и ввести в цифровую части фильтры, выравнивающие передаточные ха-

рактеристики аналогового тракта. Современные системы связи и локации работают с

цифровой передачей данных, для которых свойственно наличие небольшого количества

кратных гармоник в полосе сигнала, и можно считать, что передаточные характеристи-

ки аналоговой части в этой полосе линейны.

Для оценки фазы и амплитуды применяется математический аппарат на основе ком-

плексного фурье-анализа. В случае формирования эталонного сигнала средствами ЦАР,

анализ ведется относительно зондирующего сигнала либо относительно любого канала.

При калибровке через эфир анализ может производиться относительно любого канала.

Методика калибровки будет состоять в следующем:

- в исходном состоянии необходимо подать на все фазосдвигающие цепочки циф-

ровое значение управляющего сигнала, обеспечивающее нулевой сдвиг фаз ( i

ϕ= 0), а

для усилителей единичные коэффициенты усиления ( i

k = 1);

- для нахождения корректирующих значений необходимо на вход аналогового

тракта подать калибровочный сигнал и провести накопление цифрового сигнала для

всех каналов в течение интервала времени t (интервал зависит от объема памяти);

- используя комплексное преобразование Фурье каждого массива информации на-

ходим значения сдвига фаз ti

ϕ и амплитуды

ti

k в аналоговом тракте;

- для вычисления корректирующего значения фазовой характеристики значение

фазового сдвига первого канала обозначим как ,

norm

ϕ и для всех значений сдвига фаз

ti

ϕ вычислим поправочные значения согласно выражению

ti

norm

i = ϕ

−

ϕ

ϕ

0 ; (3)

- для нахождения корректирующих значений амплитудной характеристики опреде-

лим максимальное значение ti

k и обозначим его как .

max

k Для всех значений амплитуд

kti находим значение поправочного коэффициента:

ti

i k

k

=

k /

max

0 . (4)

Для проведения калибровки в структуру цифровой части необходимо добавить в

каждый канальный тракт элемент памяти для накопления цифрового сигнала, а также вве-

сти в состав управления антенной решеткой схему управления калибровкой с общим за-

пуском (рис.2). По команде от управляющей системы ЦАР система калибровки начинает

Структура канальных трактов...

Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА № 5(79) 2009 69

формировать калибровочный сигнал (КС), который поступает на все приемники антенной

решетки. После этого формируется сигнал общего накопления («Старт») и начинается на-

копление информации в памяти выборки одновременно для всех каналов. По окончании

накопления система калибровки возвращает связи в начальное положение и можно начи-

нать обрабатывать массивы значений согласно приведенному выше алгоритму, результа-

том работы которого являются поправочные коэффициенты 0

i

ϕ и .

0

i

k

Выбор объема памяти выборки зависит от точности проводимых вычислений, от

разрядности АЦП, частоты дискретизации, технических возможностей реализации.

Практически достаточно выбрать память исходя из необходимости накопления при-

мерно десяти периодов эталонного гармонического сигнала.

Данная методика калибровки была опробована на макете 4-элементной ЦАР. В ре-

зультате удалось провести калибровку по фазе с точностью ±1, а по амплитуде ±0,5%,

что в конечном итоге позволило добиться подавления сигнала помехи до уровня

−35 дБ, причем подавление помехи возможно как для сигнала в боковом, так и в основ-

ном луче. При реализации системы обработки целесообразно использование програм-

мируемых логических интегральных микросхем типа FPGA, которые обладают боль-

шим быстродействием, имеют встроенную память и позволяют в малых габаритах

реализовать обработку цифровой информации.

Процедура встроенной калибровки может проводиться в любое время и не требует

дополнительного внешнего оборудования, а ее применение существенно увеличит точ-

ность формирования диаграммы направленности, повысит надежность системы и сни-

зит ее трудоемкость при изготовлении и обслуживании.

Статья поступила

10 апреля 2009 г.

Кочетков Василий Юрьевич – кандидат технических наук, доцент кафедры вы-

числительной техники, старший научный сотрудник НИИ вычислительных средств

и систем управления МИЭТ. Область научных интересов: цифровая обработка

сигналов, проектирование специализированных цифровых вычислительных уст-

ройств и автоматизированных систем управления, радиолокация. E-mail:

[e-mail]

А1

Аn

Приемник

Приемник

АЦП

АЦП

КС

КС

КС

Память

выборки 1

Память

выборки n

Старт

Управляющая

система

Старт ЦАП Система

калибровки

x1

xn

kn

k1

zn

z1

Старт

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

... zn

z1

k

k

Рис.2. Структурная схема однолучевой ЦАР с функцией коррекции

фазового сдвига и коэффициента усиления

http://144.206.159.178/ft/7821/650007/13038076.pdf

16 ПЕРВАЯ МИЛЯ 5/2008

Inmarsat-4

Гибридная технология ЦАР используется в спутниках серии

Inmarsat-4 [8]. Первый из них (Inmarsat-4 F1) запустили на гео-

стационарную орбиту (точка стояния 64° в.д.) 11 марта 2005

года. В зоне его обслуживания находятся Европа, Африка,

Центральный Восток и Азия. КА Inmarsat-4 F2 был запущен

8 ноября 2005 года [9], а в конце 2005 года переведен в ра-

бочую точку 53° з.д. В зону покрытия двух этих КА попадает

около 85% земной суши. С добавлением в 2008 году в состав

спутниковой группировки третьего аппарата этой серии, раз-

мещенного на геостационарной орбите над Тихим океаном,

КА Inmarsat-4 покроют практически всю территорию земно-

го шара, за исключением полярных областей, создав косми-

ческий сегмент глобальной сети спутниковой широкополос-

ной связи BGAN (Broadband Global Area Network). Новая сеть

должна обеспечить мобильных пользователей большим спек-

тром телекоммуникационных услуг (широкополосный доступ

в Интернет, мобильная факсимильная и телефонная связь,

трансляция сигналов цифрового телевидения, HDTV на ста-

ционарные и подвижные объекты, передача видеоизображе-

ний по запросам абонентов, видеоконференцсвязь и т.д.) на

скорости обмена до 492 кбит/с. Кроме того, Inmarsat-4 подде-

рживают стандарты сотовой связи третьего поколения. Их ка-

нальная емкость больше, чем у предшественников (Inmarsat-