Модуль бортовой цифровой антенной решетки, страница 4

Важной задачейявляется формирование требований к данным устройствам в составе ЦАР, а такжеанализ существующих промышленных аналогов.Частота дискретизации АЦП и ЦАП определяется шириной спектраизлучаемого сигнала и требуемой скоростью управления амплитудно-фазовымраспределением. В реальных системах АФАР обычно достаточной являетсячастота дискретизации порядка 100 – 200 МГц.ВажнойопределяющийхарактеристикойотношениеЦАРявляетсямаксимальнодинамическийдопустимогоидиапазон,минимальногодетектируемого сигналов. При использовании цифрового диаграммообразованиядинамический диапазон ЦАР определяется следующим выражением [1]:‫ܦ‬ʥʏʟ ൫ܰʏʥʞ ǡ ܰǡ ܴʬʣʣ ൯ ൌ ͸ ή ܰʏʥʞʬʣʣ ൅ ͳͲ ή Ž‘‰ሺܰሻ ൅ ͳͲ ή Ž‘‰ሺܴʬʣʣ ሻ െ ܰʞʟʛ ,(1.1)где ܰʏʥʞ – эффективное количество разрядов АЦП приёмного тракта;ܰ – количество элементов в антенной решетке (при наличии АЦП в каждоммодуле);ܴʬʣʣ – эффективная размерность частотно-временной обработки сигналов ЦАР(число анализируемых сигнальных гипотез).ܰʞʟʛ – коэффициент шума приёмного тракта ППМ, дБ.Количествоанализируемыхсигнальныхгипотезопределяетсяреализуемым дискретом фазы и количеством лучей:ܴʬʣʣ ሺο߮ǡ ܰʚʢʦ ǡ ܰி ሻ ൌгде ܰʚʢʦ – количество лучей в ДН ЦАР;ଷ଺଴οఝܰʚʢʦ ܰி ,(1.2)где ܰி – количество анализируемых частот;ο߮ – дискрет управления фазой, град.Требуемая производитель ЦСП при пространственной обработке согласно[1] определяется следующим выражением:ʞʞʟ ሺܰǡ ܰʚʢʦ ǡ ݂ʓ ሻ ൌ ܰ ή ܰʚʢʦ ή ݂ʓ ,где ݂ʓ – частота дискретизации, Гц.(1.3)25Рынок современных коммерчески доступных высокоскоростных АЦП иЦАП стремительно развивается.

Проведем анализ таких устройств и оценимвозможности их использования в составе модулей ЦАР.Одними из наиболее известных фирм-разработчиков высокоскоростныхАЦП являются Texas Instruments [21], E2V [22], Hittite Microwave [23], AnalogDevices [19]. Для повышения конкурентоспособности последние две фирмы всередине 2014 года объявили о слиянии, что может в будущем значительноускорить темпы развития разрабатываемых ими цифровых устройств.В 2014 году фирмаTexasInstrumentsпредставила свойсамыйвысокоскоростной на данный момент АЦП ADC12J4000. Частота дискретизации внём может достигать 4 ГГц, а ширина полосы пропускания входного СВЧ сигналасоставляет 3 ГГц. АЦП имеет дифференциальные СВЧ вход и вход сигналасинхронизации. Управление осуществляется универсальным последовательнымSPI-интерфейсом.Прямым конкурентом ADC12J4000 является АЦП EV10AQ190, частотадискретизации которого достигает 5 ГГц, а полоса входного СВЧ сигнала такжесоставляет 3 ГГц.

В таблице 1.6 представлены сравнительные параметрырассмотренных АЦП.Таблица 1.6 – Сравнительные параметры высокоскоростных АЦППараметрРазрядностьЧастота дискретизации, ГГцПолоса входного сигнала, ГГцПотребляемая мощность, ВтГабаритные размеры, ммАЦПфирмыTexasADC12J40001243210 × 10InstrumentsобладаетEV10AQ1901053329,21 × 29,21меньшимигабаритнымиразмерами и большей разрядностью, что позволит обеспечить более высокийдинамический диапазон приёмного тракта модуля ЦАР.Analog Devices специализируется в основном на низкоскоростных АЦП счастотой дискретизации до 2 ГГц и полосой СВЧ сигнала до 1 ГГц.26Повышение допустимой полосы входного СВЧ сигнала в АЦП приводит ксущественному уменьшению его разрядности. HMCAD5831LP9BE фирмы HittiteMicrowaveобладаетрекорднымидляпромышленныхАЦПчастотойдискретизации равной 26 ГГц и полосой входного СВЧ сигнала, равной 20 ГГц,что позволяет оцифровывать сигнал непосредственно на несущей вплоть домиллиметрового диапазона длин волн.

Такие характеристики приводят к низкойразрядности (3 разряда) и высокой потребляемой мощности (4,2 Вт).Использование АЦП с широкой полосой входного сигнала особенноактуально для систем РЭБ, традиционно перекрывающие несколько декад. Встатье [24] был освящен обзор АЦП и ЦАП для перспективных комплексов РЭБ,гдепоказанаактуальностьипринципиальнаявозможностьпоявлениясверхвысокоскоростных, сверхширокополосных цифровых преобразователей вближайшее десятилетие.Американское агентство DARPA в 2009 года начала осуществлениеразработки нового класса цифровых устройств – реконфигурируемых АЦП [25].Основной целью данной разработки было создание высокоскоростных АЦП(частота дискретизации 20 ГГц) с полосой СВЧ сигнала порядка 10 ГГц, 10-битнойразрядностью, малой потребляемой мощностью и габаритами.

Для этого интерфейсАЦП становится последовательно-параллельным.В 2013 году стало известно о начале разработки бортовых РЛС на принципахSDR [26]. Формирование многолучевых диаграмм направленности и адаптация привоздействии нескольких внешних помех требуют наличия сверхскоростных ЦАП иАЦП, частота дискретизации которых составляет не менее 25 ГГц, а разрядность неменее 10.Среди производителей высокоскоростных ЦАП выделяются фирмы AnalogDevices, Maxim Integrated [27], IDT [28]. Наиболее совершенными ЦАП AnalogDevices являются 4-канальный AD9144, обеспечивающий частоту дискретизации2,6 ГГц и 16 разрядов и 1-канальный AD9129.

В фирме Maxim Integratedвыделяется ЦАП MAX19693 с частотой дискретизации 4 ГГц, а в IDT особое27внимание представляет DAC1653D/DAC1658D. Сравнительные характеристикирассматриваемых ЦАП представлены в таблице 1.7.Таблица 1.7– Сравнительные характеристики высокоскоростных ЦАППараметрAD9144AD9129MAX19693DAC1658DРазрядность16141216Частота2,85,642дискретизации,ГГцЧисло каналов4142Потребляемая1,71,31,30,8мощность, ВтХарактеристики современных ЦАП достаточно близки друг к другу.Особенностью использования ЦАП и АЦП в ЦАР является отсутствиенеобходимости в высокой частоте дискретизации.

Современные бортовые РЭС,например РЛС и средства РЭБ, требуют длительного времени накопления сигналадля его обработки и не требуют скорости управления амплитудно-фазовымраспределением (АФР) более 100 – 200 МГц. Количество каналов ЦАП для егоиспользования в составе модуля ЦАР должно составлять два на каждый каналмодуля (синфазный и квадратурный каналы квадратурного модулятора).НеобходимаяразрядностьЦАПопределяетсятребуемымфазовымиамплитудным дискретом в ЦАР, что будет подробнее описано в разделе 1.3.Основным требованием к АЦП в составе модуля ЦАР являетсяобеспечение требуемой разрядности (не меньше 10) и наличие широкой полосывходного СВЧ сигнала для его обработки непосредственно на несущей.

Важнымтакже является наличие управляемого диттеринга.1.3.Квадратурный модулятор в качестве устройства управленияамплитудно-фазовым распределением цифровой антенной решеткиВ качестве устройства управления амплитудно-фазовым распределением вЦАР на передачу целесообразно использовать квадратурный модулятор.Квадратурный модулятор (КМ) – устройство балансного типа, фаза и амплитуда28выходного СВЧ колебания которого зависит от соотношения амплитуд междусигналами синфазного I и квадратурного Q входных каналов. Модулируемое СВЧколебание поступает на смесители в синфазный и квадратурный каналы, причем вквадратурный канал после осуществления фазового сдвига в девяносто градусов.Сигналы с выхода смесителей поступают на выходной операционный усилитель,преобразующий дифференциальный сигнал в одиночный.

Выходной сигнал КМопределяется следующим выражением:‫ݏ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ ‫ܫ‬ሺ‫ݐ‬ሻ …‘•ሺ߱଴ ‫ ݐ‬൅ ߮଴ ሻ ൅ ܳሺ‫ݐ‬ሻ•‹ሺ߱଴ ‫ ݐ‬൅ ߮଴ ሻ,(1.4)где ߱଴ – несущая частота, рад/сек;߮଴ - начальная фаза, рад;‫ܫ‬ሺ‫ݐ‬ሻǡ ܳሺ‫ݐ‬ሻ - синфазный и квадратурный сигнал соответственно.Входные I/Q сигналы представляют собой последовательности цифровыхимпульсов, формируемых ЦАП из внешнего набора цифровых данных всоответствии с требуемым законом изменения параметров опорного СВЧколебания.

Для устранения широкополосного шума ЦАП на информационныевходы КМ ставят фильтры нижних частот (ФНЧ), частота среза которых должнабыть равна максимальной частоте I/Q сигналов. Обобщенная структурная схемаКМ показана на рисунке 1.10.Рисунок 1.10 - Структурная схема КМОсновным элементом современных квадратурных модуляторов являетсясмеситель на ячейках Гилберта [29]. Ячейка Гилберта представляет собойбалансное устройство, выполненное на четырех транзисторах, имеющее29дифференциальные входы и выходы. Упрощенная электрическая схема ячейкиГилберта представлена на рисунке 1.11.Рисунок 1.11 – Упрощенная схема ячейки ГилбертаНоменклатура коммерчески доступных аналоговых КМ на данный моментдостаточно широка. Это вызвано в первую очередь тем, что КМ активноиспользуется в передающих модулях телекоммуникационных систем третьего ичетвертого поколения.

Массовое использование КМ в аппаратуре мобильнойсвязи привело к относительно низкой стоимости аналоговых модуляторов,работающих в соответствующих частотных диапазонах (1-6 ГГц).Наиболее полно номенклатура коммерчески доступных КМ представленафирмами Analog Device, Hittite Microwave Corporation и Texas Instruments ипоказана в таблице 1.8.Таблица 1.8 - Коммерчески доступные модуляторыФирмапроизводительМодельДиапазонвыходныхчастот, ГГцАмплитудный ифазовый баланс,дБ/град.НаличиеЦАПMITEQSSM0812LC2MDQ8 – 121,5 / 7°-ET IndustriesAnalog DevicesM-8000-QPSKADL53757,5 – 8,50,4 – 62 / 5°0,1 / 1,7°+-Hittite MicrowaveCorporationHMC496LP34–71,5 / 4°-Linear TechnologyLTC5588-10,2 – 60,1 / 2°+Texas InstrumentsTRF3720170,3 – 4,80,1 / 1,3°+30Современные коммерческие КМ представляют собой конструктивнозавершенныеаналого-цифровыеустройства,содержащиесистемыавтокалибровки, встроенные микроконтроллеры, регистры внутренней памяти,датчики температуры.