Модуль бортовой цифровой антенной решетки, страница 7

Для стабилизации сигнал с выходаГУНоцифровываетсяипоступаетнаделительсдробно-переменнымкоэффициентом деления (ДПКД), после которого в импульсно-фазовом детекторе(ИФД) сравнивается с опорным высокостабильным низкочастотным сигналом.ИФД вырабатывает напряжение, пропорциональное разнице частот двухсигналов, которое через внешний ФНЧ поступает в качестве управляющего наГУН, стабилизируя частоту его выходного колебания. Процесс подстройкивыходной частоты ГУН осуществляется до тех пор, пока не будет достигнуторавенство сравниваемых частот.Управление амплитудой и фазой СВЧ сигнала передающего тракта модуляЦАР осуществляется с помощью КМ. Вместе с выходным сигналом ГУН на входКМ поступают дифференциальные синфазные иквадратурные сигналы,представляющие собой последовательность уровней постоянного напряжения,генерируемые в ЦАП под управлением ЦВМ.46Рисунок 2.6 – Структурная схема передающего тракта модуля ЦАР с ССЧ на основе цифрового кольца ФАПЧРисунок 2.7 – Структурная схема передающего тракта модуля ЦАР с прямым цифровым синтезатором и кольцом ФАПЧ47Стабильность частоты выходного СВЧ сигнала модуля ЦАР определяетсястабильностью опорного низкочастотного цифрового сигнала, поступающего навход ИФД ССЧ, и может быть значительно выше, чем в случае прямогоцифрового ССЧ.

Современные аналоговые ГУН обладают лучшей спектральнойчистотой и уровень побочных составляющих в выходном сигнале достаточнонизкий в сравнении с другими методами синтеза частоты.Использование ССЧ с цифровым кольцом ФАПЧ в передающем трактемодуляЦАРпозволяетбездополнительныхчастотныхпреобразованийформировать СВЧ сигнал вплоть до миллиметрового диапазона длин волн.Использованиетрехустройств(ФАПЧ,ЦАПиКМ)вместоодногоинтегрированного (прямой цифровой ССЧ) обеспечивает большую гибкость вполучении требуемых характеристик по скорости управления АФР (частотадискретизации ЦАП), дискрету фазы и амплитуды (разрядность ЦАП), фазовымшумам (ФНЧ в петле обратной связи ФАПЧ).

Недостатком такого подходаявляется увеличение габаритных характеристик передающего тракта модуля ЦАР,а также наличие продолжительного по времени процесса перестройки частоты.На относительно низких выходных частотах (единицы ГГц) и при высокихтребованиях к стабильности частоты возможен вариант построения модуля ЦАР сиспользованием петли цифровой ФАПЧ и прямого цифрового синтезатора вкачестве источника СВЧ сигнала вместо ГУН. Структурная схема такого вариантапоказана на рисунке 2.7.Сигнал с выхода прямого цифрового ССЧ проходит аналого-цифровоепреобразование и поступает на ДПКД. Напряжение, пропорциональное разницесравниваемых в ИФД частот, после ФНЧ поступает на ПЗУ. На основевстроенной в ПЗУ перекодировочной таблицы осуществляется формированиеновой выходной частоты для ССЧ. Такая схема путем небольшого увеличениягабаритов (цифровая часть ФАПЧ и ПЗУ) позволяет использовать все достоинствапрямого цифрового синтеза, обеспечив при этом высокую стабильность частоты.48Тем не менее, такой вариант не лишен таких недостатков прямого цифровогосинтеза, как большое энергопотребление и высокий уровень фазовых шумов.Проведённый анализ показал, наиболее оптимальным для бортовой ЦАРвариантом построения передающего тракта модуля ЦАР является ССЧ сцифровым кольцом ФАПЧ, позволяющий обеспечивать хорошую гибкостьструктуры, высокую стабильность частоты и малый уровень фазовых шумов,который можно корректировать подбором амплитудно-фазовой характеристикиФНЧ в ФАПЧ.2.1.2.

Приёмный тракт модуляОдними из основных требований к приёмному тракту модуля ЦАРявляются динамический диапазон, коэффициент шума и чувствительность. Взависимости от перечисленных требований и частотного диапазона возможнонесколько вариантов построения приёмного тракта модуля ЦАР.При высоких требованиях к динамическому диапазону приёмный трактмодуля целесообразно реализовать без частотного преобразования. В этом случаечастота дискретизации АЦП должна быть больше или равна требуемой частотесмены АФР, а эффективная полоса пропускания – больше или равнамаксимальной частоте входного СВЧ сигнала.Современные АЦП, как отечественные так и зарубежные, требуютпредставления входного сигнала в дифференциальной форме. Существуют двеосновные схемы преобразования одиночного сигнала в дифференциальный – спомощью трансформаторных схем и на операционных усилителях (рисунок 2.8).На низких частотах наиболее распространенным методом является использованиеодного или пары операционных усилителя.

Достоинством такого метода являетсятехнологичность (усилители могут быть выполнены в виде МИС или изделий встандартных корпусах) и коммерческая доступность подобных устройств.Недостатком такого метода является малая полоса пропускания (обычно не более492 – 3 ГГц) коммерчески доступных операционных усилителей и высокийреализуемый коэффициент шума (свыше 4-5 дБ).(а)(б)Рисунок 2.8 – Структурная схема приёмного тракта модуля ЦАР спреобразованием на несущей при использовании (а) трансформаторной схемы, (б)операционного усилителяПовышение частоты преобразования (СВЧ несущая) и требований кдинамическому диапазону системы приводит к необходимости использованиятрансформаторных схем формирования дифференциального сигнала.Динамический диапазон приёмного тракта дополнительно увеличивается сиспользованием в АЦП дитеринга – подмешивания искусственного шума в сигналАЦП.

При наличии малого СВЧ сигнала (срабатывании только младшего разрядаАЦП) микроконтроллер модуля ЦАР вырабатывает управляющую команду вАЦП на подмешивание в сигнал белого гауссовского шума с известнымистатистическими параметрами, что позволяет увеличить величину входногосигнала на 8 – 10 дБм. Так как разрядность сигнальных процессоров превышаетразрядность АЦП, в результате обработки информации от модуля такой заранееизвестный шум возможно устранить, тем самым повысив эффективныйдинамический диапазон системы на 8 – 10 дБ.50При необходимости оцифровки СВЧ сигнала на частотах свыше 4 – 5 ГГцв приёмном тракте модуля возможно использовать частотное преобразование.Традиционная структурная схема модуля, где в качестве преобразователяиспользуется микрополосковый СВЧ смеситель, представлена на рисунке 2.9.Рисунок 2.9 – Структурная схема приёмного тракта модуля ЦАР с СВЧсмесителемПреобразование в дифференциальный сигнал в этом случае целесообразнореализовать с помощью трансформаторной схемы, описанной выше.

Суммарныепотери СВЧ смесителя и трансформатора в СВЧ диапазоне составляют не менее14 – 18 дБ в сантиметровом диапазоне длин волн. Для компенсации необходимоувеличивать коэффициент усиления МШУ, что приводит к снижению КПД иухудшению габаритных характеристик модуля ЦАР. Такая схема построенияприёмного тракта модуля приводит к значительному снижению динамическогодиапазона и возрастанию коэффициента шума.Вместо смесителя в приёмном тракте модуля ЦАР возможно использоватьквадратурный демодулятор (КДМ). Структурная схема в этом случае будетвыглядеть так, как показано на рисунке 2.10.Рисунок 2.10 – Структурная схема приёмного тракта модуля ЦАР с квадратурнымдемодулятором51Так как в КДМ используются балансные схемы смесителей, как былоописано ранее, сигнал на их выходе представлен в дифференциальном виде, инеобходимость в дополнительном преобразовании отпадает.

Коэффициент шумаКДМ обычно составляет 10 – 14 дБ, что показывает выигрыш в 4 – 5 дБдинамического диапазона (и коэффициента шума) относительно варианта содиночнымсмесителем.НедостаткомиспользованияКДМявляетсянеобходимость наличия двухканального АЦП (в остальных вариантах был нужентолько один канал).Таким образом, оптимальным по электрическим и энергетическимхарактеристикам вариантом построения модуля ЦАР является использованиеССЧ с цифровым кольцом ФАПЧ и приёмный тракт с аналого-цифровымпреобразованием непосредственно на несущей.

Необходимо провести анализэнергетических и точностных характеристик предложенной структуры модуляЦАР.2.2.Амплитудно-фазовые ошибки передающего тракта модуляОсновными источниками амплитудно-фазовых ошибок в выбраннойструктуре модуля ЦАР является ССЧ с цифровымкольцомФАПЧиКМ.Конструктивно ССЧ часто совмещают с КМ, образуя интегрированное устройство– формирователь сигналов (ФС). Проведем оценку ошибок ФС и их влияние навыходные характеристики модуля.Рассмотрим ФС, на I/Q входы которого поступают уровни напряжения всоответствии с выражениями (1.7) и (1.8).Основными источниками возникновения амплитудных ошибок в ФСявляются [48, 49]:•Наличиедополнительногопостоянногосмещениявквадратурном каналах;•Неидентичность АЧХ синфазного и квадратурного каналов;синфазноми52Основными источниками фазовых ошибок КМ являются:•Неидентичность ФЧХ синфазного и квадратурного каналов;•Фазовые шумы сигнала опорного СВЧ генератора;•Нестабильность тактовой частоты ЦАП и частоты опорного генератора;•Неточность формирования 90° фазового сдвига сигнала гетеродина.Для оценки влияния рассмотренных источников ошибок ФС на еговыходныехарактеристикибыласоставленааналитическаямодельФС,структурная схема которой показана на рисунке 2.11.

Белым цветом обозначеныидеализируемые блоки, оранжевым – блоки, вносящие ошибки. На входы ЦАПподавалисьсигналов,псевдослучайныесоответствующиепоследовательностиТТЛ.Количествоуниполярныхбитвпачкецифровыхцифровойпоследовательности составляло 16 для моделирования 16-разрядного ЦАП.Фазовый дискрет модели составлял 90°.Для упрощения анализа все элементы аналитической модели являютсячастотно-независимыми, отсутствуют задержки сигнала.

Частота дискретизацииЦАП составляла одну десятую частоты генератора несущей.Рисунок 2.11 – Аналитическая модель ФС53НаличиепостоянногосмещениянаI/QвходахФСиошибкидискретизации ЦАП представлены в качестве добавочных уровней напряжения ܷூи ܷொ . Неидентичность АЧХ I/Q каналов моделируется введением усилителей скоэффициентами передачи ݃ூ и ݃ொ . Неидентичность ФЧХ I/Q каналовмоделируется введением дополнительных фазовых сдвигов ߮ூ и ߮ொ . Ошибкаформирования 90° фазового сдвига представлена в виде фазы ошибки ߮ʒ икоэффициента передачи усилителя ݃ఛ . Рассмотрение влияния ошибок навыходной сигнал ФС целесообразно проводить независимо друг от друга – приусловии равенства нулю всех ошибок, кроме рассматриваемой.В состав каждогомодуляЦАР входит ССЧ, ошибки которогохарактеризуются спектром его фазовых шумов.