שיקולים עבור Multi Channel ADC מערכות ב- Radar Applications

מבוא ל- Multi-Channel ADC Systems ב- Radar

מערכות מכ"ם מודרניות מסתמכות על רב-ערוצי אנלוגי-ל-דיגיטלי המריאגים (ADC) כדי להשיג החלטה גבוהה, זיהוי מטרה משופר, ומדמדן דינמי.על ידי דיגיטציה של אותות מאלמנטים אנטנה מרובים בו-זמנית, מהנדסים יכולים ליישם את המוטב הדיגיטלי, עיבוד הסתגלות של זמן חלל, וטכניקות מתקדמות אחרות שמשפרות ביצועים מכ"ם בסביבה מחוסמת או תחרות.

מאמר זה בוחן את השיקולים העיקריים של מערכות ADC מרובות ערוצים ב מכ"ם, ומספק הדרכה מעשית עבור ארכיטקטים במערכת ומהנדסי חומרה.We לחקור אסטרטגיות דגימה, הפצת שעון, לינאריות, ביצועים רעש, טכניקות קליברציה, ואתגרי אינטגרציה, כולם נתמך על ידי אזכורים לסטנדרטים בתעשייה הנוכחית וטכנולוגיות רכיב.

המונחים: Fundamental Performance Parameters

שיעור הנפיחות וניקקט קריטריה

שיעור הדגימה הוא ככל הנראה הפרמטר הקריטי ביותר.ב מכ"ם, תדירות הריבית המקסימלית נקבעת על ידי תדירות המוביל ורוחב הפס של הדופק המועבר.על פי המשפט Nyquist-Shannon sampling, ADC חייב לדגום בקצב לפחות פעמיים את רכיב התדר הגבוה ביותר (או פעמיים את רוחב הפס עבור samplingsampling).

בחירת ADC עם שיעור גבוה מספיק גם מאפשר ארכיטקטורות RF ישירות, אשר מבטלת שלבים רבים של הפחתת הסגידה ולהפחית את ספירת הרכיב, גודל וכוח. עם זאת, מהיר יותר ADCs בדרך כלל לצרוך יותר כוח לייצר יותר חום, כך שפיפות מסחר חייב להיעשות על בסיס הפלטפורמה (אוויר, מבוסס קרקע, ימי) וסביבת תפעולית.

החלטה ומספר יעיל של ביטים

החלטה, המובאת ב bits, קובעת את השינוי הקטן ביותר שניתן להבחין בו.במ"ם, רזולוציה גבוהה היא חיונית לגילוי מטרות קטנות לצד החזרי קלוטרי גדול.טווח הדינמי התיאורטי של ADC אידיאלי הוא בערך 6.02 ×N + 1.76 dB, שבו N הוא מספר bits.A 12-bit ADC מציע טווח דינמי של כ-74B, בעוד ש- 14B3-Ab-Db-Db-Ab-Ab-Db-Db-Db- 1Db- 1Db- 1Db-Db- 1Db-Db-Db-Db-Db-Db-Db- 1 הוא מספר של ביצועים גבוה של 12 סיביות הוא מספר , עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם ביצועים של 12 סיביות הוא 10, עם ביצועים של 12 סיביות יעיל של 12 סיביות של 12 סיביות של 12 סיביות של 12 סיביות הוא 12 סיביות הוא 12 סיביות הוא 12 סיביות הוא 12 סיביות, עם ביצועים גבוה של 12 סיביות, עם ביצועים של 12 סיביות הוא 12 סיביות, 000 יעיל של 12 סיביות, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל של 12 סיביות, 000

מהנדסים חייבים לבחור החלטה ADC המספקת טווח דינמי מספיק עבור דרישות הדינמיקה המיידיות של המכ"ם (IDR).עבור מכ"מים הדופק-דופלר מזהים מטרות הנעות במהירות במגמנטל קרקע כבד, 14 או 16 סיביות ADC הוא נפוץ.

טווח דינמי ו-Spurious-Free Dynamic Range

טווח דינמי ב- AIADCs כולל את היכולת להתמודד עם אותות חזקים ללא היסוס (ביצוע אותות גדולים) ולזהות אותות חלשים בנוכחות של מפריעים חזקים (ביצועים קטנים של אות כוללים:

(FLT:0) , דינמיקה חופשית ללא תשלום (SFDR)אנדרל (FLT) 1 ו-#8211; היחס של האות הבסיסית לטון הגדול ביותר מעורר השראה.עבור מכ"ם, SFDR חייב להיות גבוה (לעתים קרובות >80 dBc) כדי למנוע אזהרות כוזבות ומטרות מסיכה.
(ב) [15] ,0) ,2 , ⁇ (SNR) 1 ו-#8211; כולל רעש תרמי, רעש קוונטי ורעש מעגלים גבוה יותר SNR משפר את טווח הגילוי.
(ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

במערכות מרובות ערוצים, הטווח הדינמי של כל ADC חייב להיות תואם לרמות האות הצפויות.שליטה אוטומטית של רווח (AGC) ו Attenuators הקדמי משמשים לעתים קרובות כדי למנוע משיכה תוך שמירה על הרגישות.

Synchronization and Timing in Multi-Channel Systems

התפלגות השעון ושלב רעש

היערכות מוקדמת של שעונים דגימה בכל הערוצים היא קריטית עבור פעולת מכ"ם קוהרנטית.כל סקייו או ג'ייטר בין הערוצים מציג שגיאות שלב כי degrade beamforming דיוק ו- Doppler עיבוד. מקור שעון נמוך ג'יטר (למשל, אוסטר קריסטל נקי לאחר שבב הפצה שעון) הוא חיוני.

רשתות הפצה של השעון צריך להיות מתוכנן עם אורך עקבות תואמים ו buffers מקהלות נמוך. כמה מודולים ADC רב ערוצים לשלב לולאה נעולה בשלב (PLL) שניתן לסנכרן ליחס חיצוני. עבור ערכים גדולים, כוכב או daisy-שרשרת טופולוגיה עם שליטה קפדנית נעשה שימוש.

ערוץ אל-ג'נל סקאלו וקלבריון

גם עם שעון משותף, הבדלים ב- PCB routing, מתחי סף המכשיר, ועיכובים אנלוגיים לפני נספחים סיבתיים בין ערוצים.יש למדוד את ה- PCB ולהפצה דיגיטלית או באמצעות קווי עיכובים מתאימים. הרבה ADCs מודרניים כוללים שגרות של תאורה בנויות כי להתאים את התזמון של דגימות בתוך כמה פיקוכיות.

(ב) ◄ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Digital Down-Conversion and Decimation

לאחר הדגימה, הנתונים הדיגיטליים מכל ערוץ מעובדים לעתים קרובות על ידי מהפך דיגיטלי (DDC) לפס הבסיס, ואחריו decimation כדי להפחית את שיעורי הנתונים. עיבוד זה חייב להיות קוהרנטי על פני ערוצים.שימוש בסימן oscillator מבוקר מספרד משותף (NCO) ו מסנכרן decimation מסנכרן מבטיח כי שלב ועיכוב מערכות יחסים נשמרים על ידי שרשרת שדה (RCC) או עיבוד זה.

ניהול חשמל ו-Thermal Management

ADC Power Dissipation

ADCs במהירות גבוהה (מדגם > 1 GSPS) יכול לפסול כוח משמעותי, לעתים קרובות מעל 1-3 W לערוץ עבור 12-14 מכשירים bit. במערכת 64 ערוצים, כוח ADC הכולל יכול להגיע 150 W או יותר, לא כולל עיבוד דיגיטלי וחלוקת השעון.חום זה חייב להיות הוסר כדי לשמור על ביצועים.

צמצום צריכת החשמל ללא הקרבה ביצועים הוא אתגר קבוע.חלק ADCs מציעים מצבי כוח-האטה לתקופות של idle, או שהם יכולים להיות מופעלים בשיעורי מדגם נמוכים יותר במהלך מצבי חיפוש.

השפעות על ADC Performance

שינויים בטמפרטורות משפיעים על הליניאנס ADC, רווח, ויציאה.לדוגמה, סחף מלמטה יכול לשנות את סף הקוונטיזציה, גרימת שגיאות של DC כי הם מזיקים במיוחד ב- MTI (העברת יעד) עיבוד.Gettens סחף את ערוץ אל ערוצים למשחק amplitude.מעצבים חייבים לשלב פיצוי תרמי באמצעות טבלאות תצוגה או ריצוף בזמן אמת.

קוהרנטיות, המשמעת והאינדיוטנדות

חוסר שקיפות ובינלאומית

אי-לינאריות אינטגרלית (INL) ואי-לינאריות שונה (DNL) מתאר את הסטייה של הפונקציה העברת ADC משורה קדמית אידיאלית. High INL או DNL גורם עיוות הרמוני ודרונות.ב מכ"ם, אפילו סדר הרמוניות יכול alias לתוך בסיס, יצירת מטרות כוזבות רבות ביצועים גבוהים ADC מבטיח בתוך כמה LS צריך במיוחד בסקירה של נתונים טיפוסיים.

Input Bandwidth ו- Analog Front-End

רוחב הפס האנלוגי של ADC חייב לעלות על תדירות האות המקסימלית.עבור sampling RF ישיר, רוחב הפס חייב להרחיב מעבר לתדירות המוביל הגבוהה ביותר (למשל, 3-6 GHz עבור S-band, 8-12 GHz עבור X-band) רחב פס ADCs (עד 6 GHz או יותר) זמינים, אבל הביצועים שלהם מדגמי קלט גבוה יותר בשל קפיצות וכיסומים מינימליים של פילטרים לא מספיק כדי לתקן את אותות ה-מונים של תואמים את ה-F.

המונחים: high Dynamic Range Signals

לעתים קרובות חייב רדאר לעבד החזרה חזקה קלוטרית והמטרה החלשה ד"ר ו-#8211; טווח דינמי שיכול לעלות על 100 dB. ADC אינו יכול להתמודד עם טווח כזה בלכידת יחיד. במקום זאת, המערכת משתמשת אנלוגיה AGC, שלבים מרובים, או דוא"ל ADCs עם נתיבי רווח נפרדים כי הם משולבים דיגיטלית (למשל, באמצעות גל או גלציה).

אינטגרציה אלקטרומגנטית ו- Signal Integrity

מגן וקרקע

לוחות ADC Multi-ערוצים רגישים להתערבות אלקטרומגנטית (EMI) מהחלפת אספקת חשמל, מעבדים דיגיטליים ומקורות חיצוניים.מגן נכון עם מחסנים מוליכים ו-EMI גזים הוא קריטי.תוכניות קרקעיות חייבות להפריד אנלוגי ודיגיטלי, להחזיר אותם בנקודה אחת (star Grounding) או באמצעות מטוס קרקע מוצק עם מחיצה זהירה.

המונחים: Multi-Channel ADCs

החלת אותות אנלוגיים ושעוןים רבים במהירות גבוהה על אחד דרישות תשומת לב זהירה לשליטה, קרוסטור וזוגות שונים.כל ערוץ ADC צריך להיות מטוס קרקע אות ייעודי משלו, וניתן לגשת אליו אותות שעון צריך להיות נתבע על שכבות פנימיות עם מגן הקרקע כדי למנוע קרינה לתוך נתיבים אנלוגיים.

◄ [13] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

טכניקת סגירה ומילוי

קבל וOffset Calibration

רווח ערוץ-ל ערוצים ועיוותים מדומים מציגים רעש קבוע ושילוב קוהרנטי.קליברציה יכולה להתבצע במהלך בדיקות במפעל או בסטארט-אפ על ידי הזרקת רמת DC ידועה (לאחרונה) וגל חטא (לרווח ושלב) את התקני התיקון נשמרים בזיכרון לא-מעורש ומיושם בלוגיקה דיגיטלית.

שלב אלור ותזמון - מועדות

מעבר לרווח סטטי ולסט, מערכות מרובות ערוצים חייבות לתקן שגיאות שלב ברחבי הלהקה.זה נעשה לעתים קרובות באמצעות מסנן הסתגלות בזמן אמת או תגובה אימפולס סופי (FIR) שווה ערך לערוץ.האפקטים השוויצריים מתלכדים במהלך ריצוף המערכת באמצעות אות מוזרק לתוך אנטנה.

טמפרטורה Drift Compensation

כפי שמשתפת המכ"ם, שינויי טמפרטורה גורמים לסחף ב- ADC פרמטרים. חיישן טמפרטורה ייעודי על לוח ADC יכול לגרום ל-Rebration. Alternatively, לולאה איטיה שמנטרת את ה- DC של ערוץ לא משומש או מתח התייחסות מתואם טמפרטורה יכול לעדכן את ערכי התיקון. Advanced ADCs לספק פלטי טמפרטורה ועל ה-fly Scrolls.

שילוב עם Digital Beamforming and Signal Processing

ההרחבה Data Interface and Bandwidth

הנתונים הסטטנמיים מכל הערוצים חייבים להיות מוזרים למעבד מרכזי.עבור מערכת 64 ערוצים עם החלטה 14 סיביות ו 1 GSPS, שיעור הנתונים הגולמי הוא בערך 112 Gbps. ממשקים סדרתיים מהירים (JESD204B/C, LVDS, או SerDes) הם סטנדרטיים. JESD204B/C מעדיף את ספירת ה-D2 וה-DRMIFIFIFIFDR.

שרשרת עיבוד FPGA

FPGAs הם הבחירה הרגילה לעיבוד חזיתי של ADC. הם מטפלים בסידור נתונים, דיגיטציה דיגיטלית, השמדה, דחיסה, דחיסה של ממשק ADC לפני דחיסה. FPGA חייב להיות מספיק תאים לוגיים, DSP פרוסות, וזיכרון כדי להתאים את הערוץ.

סינכרון על פני מספר FPGA Nodes

במערך גדול מאוד (hundreds לאלפים של ערוצים), נדרשים מספר רב של FPGA. Synchronization על פני נקודות מושגת באמצעות שעון התייחסות למערכת ו הדופק מסונכרן (SYSREF עבור JESD204B) כל הממירים דגימה על אותו קצה של שעון ההתייחסות.האלגוריתמים לעיבוד חייבים לקחת בחשבון את ההבדלים בין-FPGA. גישה משותפת היא להכניס זמן בתאים מרכזי של הנתונים ומעבדים.

תוצאות חיפוש ושיקולים של Application-Specific

בקרת אש באוויר ראדר

עבור מטוס קרב, מערכת ADC חייבת להיות קלה, קומפקטית, ולפעול תחת טמפרטורה קיצונית וטטראט. Multi-chip מודולים (MCM) כי החבילה 2 עד ארבעה ערוצים ADC בחבילה אחת משמשים כדי להפחית את הגודל.הנתונים המצוינים נשלחים באמצעות קישורים אופטיים ליחידת העיבוד כדי למזער משקל. צריכת חשמל היא תקציב הדוק, לעתים קרובות מגבילה את ההחלטה ADC ל 12-14 סיביות.

המונחים: Ground-based Surveillance Radar

מכ"מים מבוססי קרקע יש יותר נינוחים גודל ומגבלות כוח, המאפשרים שימוש ב-16 סיביות או יותר ADC עם לינאריות גבוהה יותר.ההתמקדות היא על גילוי לטווח ארוך ודחייה קלוטרית. Multi-channel ADCs משמשים באנטנות בשלבd-array עם מערכי דיגיטלי, לעתים קרובות מעסיקה מאות ערוצים.המידע מעובד לשרתים עם GPUs או FPGAsmal ניהול הוא פשוט יותר עם תקופות זמן ארוכות עוצמה.

רכב רדאר (77/79 GHz)

מערכות מכ"ם רכב להשתמש במערך האנטנה MIMO ודורשות קטנות בעלות נמוכה ADCs.בדרך כלל, 12 סיביות ADCs עם שיעורי דגימה של 50-100 MSPS מספיק כי רוחב הפס הוא צר (כמה מאות MHz) ADCs משולבים לעתים קרובות לתוך שבב RF יחיד CMOS הכולל את transceiver, ADC, ו- Power.

מגמות עתידיות

RF ישיר - Frequencies

ההתקדמות ב CMOS ו- SiGe תהליכים דוחפים את שערי ADC ל- 10 GSPS עם 12-14 ביטים ENOB. זה מאפשר דגימה ישירה של X-band ו- Ku-band אותות, ביטול מספר פחתות ופשט את הארכיטקטורה של המקלט. חברות כמו טקסס מכשירים, Analog מכשירים, ו- Telede2vers להמיר את הדגימה עד 20 גירסאות GS עם גירסאות יחיד או גירסאות.

פרסום דיגיטלי עם מאות ערוצים

מכ"מים דיגיטליים עתידיים של קרינת רנטגן עם מאות או אלפי אלמנטים ידרוש מערכות ADC כי הם משולבים בצפיפות וכוח נמוך. 3D-IC טכנולוגיה מחסני ADC, זיכרון ולוגיקה עיבוד ישמש כדי לעמוד בגודל, משקל וכוח (SWaP) דרישות. על-chip calibration ועיגולים עצמיים להפחית את הצורך עבור התאמות חיצוניות.

Machine Learning- Based Calibration

אלגוריתמי למידת מכונות יכולים להיות מאומן לחזות את ה-ADC ללא לינאריות ולהפצה בזמן אמת.רשתות נילי הפועלות על מעבדי FPGAs או מעבדים משובצים יכולים לתקן עיוות בין-מודולציה ורעש שלב, שיפור טווח דינמי יעיל ללא שינויים בחומרה.

מסקנה

תכנון מערכות ADC מרובות ערוצים עבור יישומים מכ"ם דורש הבנה מעמיקה של אנלוגיה ודיגיטלית שרשרת אותות מסחר-offs. שיקולים מרכזיים כוללים בחירת קצב הדגימה המתאים ורזולוציה, הבטחת סינכרוניזציה מדויקת על פני ערוצים, ניהול כוח וחום, שמירה על לינאריות מתפתחת על טווח דינמי רחב, ושימור שלמות האות בפני תצורה של EMI. מערכת-levelliation עבור רווח, החל בשלב, וטמפרטורה חיונית עבור טיפול אסטרטגי מתקדם, כמו גם על ידי שיפור יעיל יותר, כמו גם על ידי שיפור יעיל יותר, כמו גם על ידי אופטימיזציה דיגיטלית, כמו גם על ידי אופטימיזציה מהירה יותר, כמו גם על ידי אופטימיזציה מהירה יותר, שמירה על ידי אופטימיזציה מהירה יותר של ביצועים מתקדמים של מערכת ההפעלה יעילה יותר.