Диссертация (Модуль бортовой цифровой антенной решетки), страница 6

Все это приводит к нецелесообразностииспользования прямого цифрового синтеза в бортовых антенных решетках, гдепредъявляются жесткие требования к энергопотреблению.В диссертационной работе предлагается структура ЦАР для бортовой РЭС,в которой отсутствует СВЧ распределительная система, вносящая существенныеошибки в АФР и увеличивающая энергопотребление всей системы (рисунок 2.2).ССЧ с цифровым кольцом ФАПЧ входит в состав каждого модуля исинхронизируются единым генератором тактовых импульсов. Распределительнаясистема становится полностью цифровой.Основой построения предложенной ЦАР служит её модули.

Кроме ССЧ сцифровойФАПЧвсоставкаждогомодулявходитмикроконтроллер,позволяющий оперативно изменять параметры выходного сигнала модуля. Вкачестве устройства управления амплитудно-фазовым распределением в ЦАРвыступает КМ. Обобщенная структурная схема предлагаемого в диссертационнойработе модуля ЦАР представлена на рисунке 2.3.38OnopHbiiiKBapueBbiflCucieMaCMHXpOHM 3aMMMreiiepaTopTenepaiopTaKTOBbIXHMnyjibcoe/JejimejibTaKTOBbIXHMnyjibcoeCiiHxpocm HUJI> Moflynb<U, HC[) pOBOHUAPLjMCjDpOBOMtCBM.BXOJ / BI,IXO.IBXO;I / BI IXO4kArnei-mayicumanbHbiMnpoueccoppemeTKa-V<-->,IuJ) pOBOHBXOJ / BBIXOJMoflynbUAP <CBMBXOfl / BblXOaРисунок 2.2 – Предлагаемая структурная схема ЦАР39IIHu <ppoeouethUroe?M[+liI,iII.-<Kltil lp l I1MIKjyiH mp-euMxpacUZMUli( '( 'ItMJq&poooy'I*-OnOpHbtUGUgHBfTРисунок 2.3 – Структурная схема модуля ЦАРПреобразование СВЧ сигнала в цифровую форму в приёмном трактемодуляЦАРосуществляетсянепосредственнонанесущей.Частотадискретизации АЦП в этом случае должна быть больше или равна требуемойчастоте выборки приёмного сигнала.

Аналого-цифровое преобразование нанесущей позволяет увеличить динамический диапазон приёмной системы иуменьшить коэффициент шума.В [42] и [43] был проведен обзор современной элементной базы ЦАР,включающей в себя АЦП, ЦАП, микроконтроллеры и ЦСП. Обзор показалвозможность реализации предлагаемой структуры модуля ЦАР в цифровой частив частотном диапазоне вплоть до 20 ГГц.Предлагаемый модуль ЦАР позволит обеспечить гибкое изменениехарактеристик всей радиосистемы и повысить точность и скорость формированиядиаграммы направленности ЦАР [44].

Объединение принципов цифровогодиаграммообразования с программно-реконфигурируемой архитектурой позволитсоздать новый класс устройств с повышенной степенью интеграции иулучшенными точностными характеристиками.402.1.Обоснование структуры модуляВысокие требования по массогабаритным параметрам, энергетическим иэлектрическим характеристикам ЦАР приводят к необходимости поискаоптимальной структуры модуля ЦАР для различных частотных диапазонов,уровней выходной мощности, требований к приёмному тракту.

Предлагаемая вдиссертационной работе структура ЦАР не содержит СВЧ распределительнойсистемы, как показано на рисунке 2.2. Формирование опорного колебания дляССЧ всех модулей и их синхронизация осуществляется с помощью ГТИпредставляющего собой кольцо ФАПЧ, на вход которого поступает сигнал с ОКГ,единого для всех модулей ЦАР.

Стабильность частоты ССЧ модуля определяетсяв первую очередь стабильностью используемого ОКГ. Опорный сигнал послеГТИ поступает на распределитель тактовых импульсов.Высокоскоростные АЦП и ЦАП чувствительны к уровню джиттераопорного сигнала, который для частоты дискретизации 100 МГц при сохранениинеобходимого динамического диапазона должен составлять не более 0,5 пс.Формирование диаграмм направленности на приём и передачу осуществляется вспециализированном ЦСП.Развязка приёмного и передающего тракта осуществляется с помощьюферритового циркулятора.

Для распределения синхронизирующих сигналов наплате модуля ЦАР расположен распределитель тактовых импульсов, с которогоопорный сигнал поступает на приёмный и передающий тракты.Управление параметрами модуля ЦАР осуществляется с помощьювстроенного микроконтроллера (МК). МК связан с цифровыми устройствамиППМ посредством универсального последовательного SPI-интерфейса.41SPIrTPMMnKpoKOHTponnepCTRLc= >SPUc=><<Bl/lflBMflSPInpaDIN/DOUTLVDS<„ npflLlucfipOBaaCBHHadbnacTbOHBunnPM1MHTepcJjeMCCCLKJUiraLlMCfipoBaflCBHnacTbnacTbRFIN/OUT<UwSPIn21ejiHTejibCLK>TaKTOBbIXCLKnHMnyjibcoB+27BMoflyxib 14A PBTOpHHHblH>MCT04 HHKnilTaHHH( BHII)-npfl-nPMMKComacoBaHHanHarpy3 KaРисунок 2.4 – Функциональная схема модуля ЦАР-42Каждой частотной литере модуля ЦАР во внутренней постоянной памятиМК соответствуют свои значения целочисленного и дробного коэффициентаделения ССЧ, а также значение выходного тока ССЧ, определяющего еговыходнуюмощностьнакаждойконкретнойчастоте,чтопозволяеткорректировать неравномерность АЧХ передающего тракта модуля.

Каждойчастотной литере в памяти МК также соответствуют значения корректирующихамплитуд и фаз выходного сигнала ССЧ. Память современных МК позволяетхранить до нескольких сотен частотных литер. Включение в состав модуля ЦАРвнешнего относительно МК постоянного запоминающего устройства (ПЗУ)позволяет значительно повысить объем хранимой информации.Цифровые устройства модуля ЦАР обладают возможностью программногоотключения питания, во время которого сохраняются все текущие значениярегистров внутренней памяти.

Включение режима малого потребления токаосуществляется с помощью МК.Выбор интерфейса взаимодействия модуля ЦАР с ЦВМ осуществляется впервую очередь исходя из объема передаваемых данных. Увеличение требуемойскорости управления АФР ЦАР и параметрами выходного сигнала модуля вплотьдо 100 – 200 МГц приводит к необходимости использования высокоскоростныхцифровых интерфейсов связи, обеспечивающих низкое потребление источникапитания и малые вносимые шумы в передаваемый сигнал.

Требуемая скоростьпередачи данных на интерфейсе модуль ЦАР - ЦВС определяется следующимвыражением:где ‫ܨ‬஽஺஼ ǡ ‫ܨ‬஺஽஼‫ܨ‬஽஺்஺ ൌ ʹ ή ‫ܨ‬஽஺஼ ܰ஽஺஼ ൅ ‫ܨ‬஺஽஼ ܰ஺஽஼ ൅ ‫ܨ‬ெ௄ ܰ஽஺்஺ ǡ– частота дискретизации ЦАП и АЦП, Гц;(2.1)ܰ஽஺஼ ǡ ܰ஺஽஼ –разрядность ЦАП и АЦП, бит;‫ܨ‬ெ௄ - частота управления микроконтроллером, Гц;ܰ஽஺்஺ - разрядность управляющего слова, бит.Полоса пропускания канала цифровой связи должна быть на 10 – 20%больше частоты, рассчитанной согласно выражению (2.1).43ВкачествеANSI/TIA/EIA-644цифрового(LVDS)–интерфейсанизковольтнаясвязииспользуетсястандартдифференциальнаяпередачасигналов, спецификация на которую приведена в таблице 2.1.Таблица 2.1 – Спецификация стандарта LVDSПараметрЗначениеДифференциальное выходноенапряжение, мВНапряжение смещения, ВМаксимальный входной ток, мАДиапазон входного напряжения, ВМаксимальная скорость передачиданных (теоретическая), Мбит/сек247 – 4541,125 – 1,375 В200 – 2,4655 (1923)Передача данных в LVDS осуществляется по двум дифференциальнымлиниям с противоположенным по знаку значением напряжения в каждый моментвремени.

Приём сигналов LVDS осуществляется путем сравнения напряжения наобеих линиях, что позволяет устранить влияние шумов, вносящих паразитнуюпостоянную составляющую в сигнал и уменьшить требуемое для передачинапряжение, что в свою очередь снижает энергопотребление интерфейса. Общаяструктура LVDS интерфейса представлена на рисунке 2.5.ripi/ieMHMKflepeflaTHHK>VLVDS100 OM+Рисунок 2.5 - Общая структура LVDS интерфейсаСкорость передачи данных по дифференциальным линиям значительновыше, чем по интерфейсу на транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ). ЭтопозволяетмультиплексироватьнесколькоТТЛсигналовводнудифференциальную линию, значительно сокращая размеры соединителей икабелей.Кроме интерфейса модуль ЦАР – ЦВМ дифференциальные линиииспользуются для разводки высокочастотных тактовых импульсов по плате44модуля.

Расстояние между линиями должно быть минимальным для выбранногокласса точности. Оптимальное согласование устройств на основе LVDSосуществляется тогда, когда волновое сопротивление дифференциальных линийсоставляет 100 Ом. Расчет требуемых значений ширины линий проводился исходяиз следующих выражений [90]:ௌܼ஽ூிி̴ெௌ௅ ሺܵǡ ݄ሻ ൌ ʹ ή ܼ଴̴ெௌ௅ ሺͳ െ ͲǤͶͺ݁ ି଴Ǥଽ଺௛ ሻǡௌܼ஽ூிி̴ௌ்௅ ሺܵǡ ݄ሻ ൌ ʹ ή ܼ଴̴ௌ்௅ ሺͳ െ ͲǤ͵͹ͷ݁ ିଶǤଽ௛ ሻǡͶ݄͸Ͳܼ଴̴ெௌ௅ ሺܹǡ ݄ǡ ‫ݐ‬ǡ ߝ௥ ሻ ൌŽሺሻǡඥͲǤͶ͹ͷߝ௥ ൅ ͲǤ͸͹ ͲǤ͸͹ ή ሺͲǤͺܹ ൅ ‫ݐ‬ሻܼ଴̴ௌ்௅ ሺܹǡ ݄ǡ ‫ݐ‬ǡ ߝ௥ ሻ ൌͶ݄͸ͲŽሺሻǡξߝ௥ ͲǤ͸͹ ή ሺͲǤͺܹ ൅ ‫ݐ‬ሻ(2.2)(2.3)(2.4)(2.5)где ܼ஽ூிி̴ெௌ௅ǡ ǡ ܼ஽ூிி̴ௌ்௅ – дифференциальное сопротивление микрополосковых(несимметричных) и симметричных линий передач соответственно, Ом;ܼ଴̴ெௌ௅ ǡ ܼ଴̴ௌ்௅– волновое сопротивление микрополосковой и симметричнойлинии передачи соответственно, Ом;݄ – толщина диэлектрической подложки, мкм;ܵ – расстояние между дифференциальными линиями, мкм;ܹ – ширина дифференциальных линий, мкм;‫ – ݐ‬толщина металлизированного слоя дифференциальных линий, мкм;ߝ௥ – относительная диэлектрическая постоянная подложки.Ключевыми элементами модуля ЦАР являются его передающий иприёмный тракты.