Формирование когерентных по фазе сигналов по 12 каналам с помощью системы AWG

№ 1’2014
PDF версия
Для формирования сигналов радиолокационных станций (РЛС) необходим источник сигнала с динамическим диапазоном, свободным от паразитных составляющих (SFDR), и очень широкой полосой. Лучшие генераторы сигналов произвольной формы (AWG) могут генерировать сигналы РЛС с разрешением 12 или 14 разрядов. Столь высокое разрешение является обязательным условием достижения SFDR с уровнем до –80 дБн. Кроме высокого разрешения ЦАП, для получения полосы до 5 ГГц приходится использовать частоту дискретизации до 8 и даже до 12 Гвыб./с. В двухкоординатных, а особенно в трехкоординатных РЛС часто используются фазированные антенные решетки в сочетании с технологиями, известными как оценка направления прихода сигнала (DOA) или РЛС с синтезированной апертурой (SAR). Для тестирования приемника DOA и SAR нужен очень чистый сигнал с широчайшей полосой не только в одном, но и в нескольких каналах.

Введение

Последнее поколение генераторов сигналов произвольной формы поддерживает синхронизацию до 12 когерентных по фазе каналов, одновременно обеспечивая превосходное значение SFDR, фазового шума и полосы в каждом канале. Когерентность фазы достигается при одновременном сохранении гибкости генерирования сигнала. Каждый из 12 каналов позволяет:

  • Применять мощный секвенсор для генерации многоканальных сигналов и продления времени воспроизведения.
  • Применять потоковую передачу данных в комбинации с функциями сжатия и восстановления сигналов, что дополнительно увеличивает время воспроизведения.
  • Применять цифровое преобразование с повышением частоты, реализованное в специализированной ИМС генератора, для прямого генерирования сигналов ПЧ-диапазона.

Параметры каждого канала можно настраивать отдельно, при этом всю систему из 12 синхронных каналов AWG можно запускать и синхронизировать внешним сигналом с точностью фазы отдельных каналов до нескольких пикосекунд. Можно создать когерентную по фазе 12-канальную систему AWG, которая поддерживает потоковую передачу данных из внешнего RAID-массива или твердотельных накопителей (SSD) в каждый отдельный канал. Модулирующие сигналы или, альтернативно, сигналы ПЧ-диапазона можно генерировать в каждом из 12 каналов. В статье описаны преимущества когерентной по фазе системы AWG, которая позволяет тестировать и разрабатывать многоканальные РЛС.

 

Традиционный подход

Быстродействующие генераторы сигналов произвольной формы (AWG) имеют обычно не более двух каналов, а некоторые — даже один. Чтобы построить систему, состоящую из четырех и более каналов, нужно синхронизировать несколько AWG (рис. 1). Это значит, что разность задержки запуска одного канала AWG по отношению к любому каналу другого AWG не должна превышать нескольких пикосекунд. Для создания когерентных по фазе сигналов в двух и более генераторах очень часто нужен внешний осциллограф для калибровки фазовых сдвигов между AWG. И хотя такой подход вполне осуществим, он очень неудобен и обладает определенными ограничениями:

Синхронизация по фазе с помощью внешнего осциллографа

Рис. 1. Синхронизация по фазе с помощью внешнего осциллографа

  • Для измерения и компенсации задержки между разными AWG необходим дорогостоящий внешний высокоскоростной осциллограф.
  • Такую калибровку зачастую приходится выполнять после каждого выключения и включения питания системы или даже после изменения частоты.
  • Калибровку приходится выполнять вручную или с помощью внешних коммутаторов.
  • На калибровку уходит очень много времени.
  • Для многих AWG этот подход ограничен четырьмя, а иногда даже двумя каналами.

 

Синхронизация по фазе с помощью модуля синхронизации

Для устранения задержек между несколькими AWG можно использовать не внешний осциллограф, а специальный модуль синхронизации. На рис. 2а показана типичная схема синхронизации четырех каналов AWG с частотой дискретизации 12 Гвыб./с. А на рис. 2б приведена схема синхронизации 12 каналов AWG с частотой дискретизации 12 Гвыб./с. Это дает следующие преимущества:

  • Не требуется внешний осциллограф.
  • При калибровке не нужно вручную подключать кабели и использовать матричный коммутатор.
  • Погрешность задержки после выключения и включения питания не превышает одной пикосекунды.
Синхронизация фаз с помощью интегрированного модуля

Рис. 2. Синхронизация фаз с помощью интегрированного модуля:
а) четырех каналов;
б) 12 каналов

 

Калибровка на системном уровне

На рис. 3 показана упрощенная схема фазированной антенной решетки. Расстояние d между элементами антенны может составлять несколько миллиметров, и иногда эти элементы могут располагаться внутри одной ИМС (интегральной микросхемы). Но порой расстояние между элементами антенны может достигать 1 км. Общая проблема описанной конфигурации заключается в обеспечении минимальной задержки между каналами, подающими сигнал на элементы антенны. Приведенный ниже пример показывает, что для достижения максимальной точности приходится компенсировать даже разницу в длине кабеля от AWG до элементов антенны.

Фазированная антенная решетка

Рис. 3. Фазированная антенная решетка

Предположим, что h = 10 км, d = 1 м, а задержка между каналами равна 10 пс. Результирующая погрешность угла составит 0,04°, что приведет к погрешности положения ~8 м для объекта, находящегося на расстоянии 10 км. Если нам нужна большая точность, то можно выполнить калибровку антенной решетки. Один из способов калибровки заключается в том, что приемник устанавливают в фиксированной точке над антенной решеткой, а затем фазу между элементами антенны регулируют так, чтобы обеспечить максимальный уровень в точке приема. Для этого нужен AWG, позволяющий регулировать задержку с очень мелким шагом. Используя в данном примере AWG с шагом установки задержки 50 фс, можно откалибровать угол с разрешением 0,003°.

 

Потоковая подача когерентных по фазе сигналов

Новейшие AWG оборудованы памятью сигнала объемом в несколько гигавыборок. В сочетании с функцией формирования последовательностей это позволяет решить многие задачи. Если приложение не допускает предварительного расчета импульсов и последующего их воспроизведения, а требует расчета в реальном времени на основе внешних событий, то в таком случае необходимо использовать потоковую передачу импульсов из управляющего ПК в AWG.

На рис. 4а показана схема потоковой подачи сигнала из внешнего RAID-массива во все четыре канала AWG. В этой схеме все четыре канала используют общий канал PCIe. Поскольку импульсы РЛС хорошо поддаются сжатию и восстановлению внутри AWG, то эта схема пригодна для загрузки импульсов с очень широкой полосой. Подробная информация приведена в статье «Методы сжатия данных для потоковой подачи импульсов РЛС с максимально широкой полосой» [2]. Если необходима максимально широкая полоса, то можно использовать схему, показанную на рис. 4б. В этом случае для каждого канала AWG используется отдельный ПК и отдельный RAID-массив.

Потоковая передача данных в четыре канала AWG

Рис. 4. Потоковая передача данных в четыре канала AWG:
а) из одного ПК;
б) из четырех ПК

 

Заключение

Технологии определения направления прихода сигнала (DOA) или РЛС с синтезированной апертурой (SAR) обычно требуют применения когерентных по фазе сигналов в четырех и более каналах генератора сигналов произвольной формы с точностью задержки в пределах нескольких фемтосекунд. AWG последнего поколения поддерживают генерирование когерентных по фазе сигналов, которые не нужно калибровать с помощью внешнего осциллографа. При необходимости можно использовать потоковую передачу данных из внешнего носителя или алгоритмическую генерацию данных в управляющем ПК.

Литература
  1. Höhne B. Digital Up Conversion VS IQ modulation using a wideband Arbitrary Waveform Generator. IEEE Xplore 06334570. Sept. 2011.
  2. May M. Data Compression Methods to Stream Highest Bandwidth Radar Pulses. IEEE Xplore. Sept. 2013.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *