Проектирование многоканальных систем ADC в радиолокационных приложениях

Введение в многоканальные системы ADC в радаре

Современные радиолокационные системы полагаются на многоканальные архитектуры аналого-цифрового преобразователя (ADC) для достижения высокого разрешения, улучшенного обнаружения цели и динамического формирования луча. Оцифровывая сигналы от нескольких антенных элементов одновременно, инженеры могут реализовать цифровое формирование луча, адаптивную обработку пространства-времени и другие передовые методы, которые улучшают характеристики радара в загроможденных или оспариваемых средах. Однако проектирование многоканальной подсистемы ADC, которая отвечает требовательным требованиям радиолокационных приложений, требует тщательного рассмотрения многочисленных технических параметров & #8212; от скорости отбора проб и динамического диапазона до синхронизации, энергоэффективности и управления температурой.

В этой статье рассматриваются ключевые конструктивные соображения для многоканальных систем ADC в радаре, обеспечивающие действенное руководство для системных архитекторов и инженеров-аппаратистов. Мы исследуем стратегии выборки, распределение часов, линейность, производительность шума, методы калибровки и проблемы интеграции, все это поддерживается ссылками на текущие отраслевые стандарты и технологии компонентов.

Основные параметры эффективности

Критерии выборки и Nyquist

Скорость отбора проб, возможно, является наиболее важным параметром. В радаре максимальная интересующая частота определяется частотой несущей и полосой пропускания передаваемого импульса. Согласно теореме выборки Nyquist-Shannon, ADC должен отбирать со скоростью, по меньшей мере, в два раза превышающей частоту сигнала (или в два раза превышающей полосу пропускания для отбора полос пропускания). На практике радиолокационные системы часто используют чрезмерную выборку для расслабления требований к аналоговому сглаживающему фильтру и улучшения отношения сигнал-шум (SNR). Например, типичный радар X-диапазона с полосой пропускания 1 ГГц может потребовать отбор проб ADC на частоте 2,5 ГГц или более для размещения полос защиты и неидеалов.

Выбор АЦП с достаточно высокой скоростью отбора проб также позволяет использовать архитектуры прямого отбора радиочастот, которые устраняют несколько этапов преобразования вниз и уменьшают количество компонентов, размер и мощность. Однако более быстрые АЦП обычно потребляют больше энергии и генерируют больше тепла, поэтому компромиссы должны быть сделаны на основе платформы (воздушной, наземной, морской) и операционной среды.

Разрешение и эффективное количество битов

Разрешение, выраженное в битах, определяет наименьшее изменение сигнала, которое можно отличить. В радаре высокое разрешение имеет важное значение для обнаружения небольших целей наряду с большими возвратами беспорядок. Теоретический динамический диапазон идеального ADC составляет примерно 6,02×N + 1,76 дБ, где N - число битов. 12-битный ADC предлагает идеальный динамический диапазон около 74 дБ, в то время как 14-битный ADC дает ~86 дБ. Однако реальная производительность захватывается эффективным количеством битов (ENOB), которое учитывает шум, искажение и дрожание. Высококачественный 16-битный ADC может иметь ENOB 12-13 бит на высоких частотах.

Инженеры должны выбрать разрешение ADC, которое обеспечивает достаточный динамический диапазон для требований мгновенного динамического диапазона радара (IDR). Для импульсно-доплеровских радаров, обнаруживающих быстро движущиеся цели в тяжелом наземном беспорядке, распространен 14- или 16-битный ADC. АЦП с более низким разрешением (10-12 бит) иногда используются в недорогих или сверхширокополосных системах, где скорость приоритетна над точностью.

Динамический диапазон и Spurious-Free Dynamic Range

Динамический диапазон в радиолокационных АЦП включает в себя как способность обрабатывать сильные сигналы без насыщения (большая производительность сигнала), так и обнаруживать слабые сигналы в присутствии сильных интерферентов (малая производительность сигнала).

В многоканальных системах динамический диапазон каждого АЦП должен соответствовать ожидаемым уровням сигнала. Автоматическое управление усилением (АУК) и фронтальные аттенюаторы часто используются для предотвращения насыщения при сохранении чувствительности.

Синхронизация и сроки в многоканальных системах

Распределение часов и фазовый шум

Точное выравнивание часов отбора проб по всем каналам имеет решающее значение для когерентной работы радара. Любое перекос или дрожание между каналами вносит фазовые ошибки, которые ухудшают точность формирования луча и обработку Доплера. Необходим источник часов с низким джиттером (например, чистый кристаллический осциллятор, за которым следует чип распределения часов). Джиттер часов должен быть значительно ниже спецификации джиттера диафрагмы ADC. Типичные требования к радиолокационным АДЦ - это джиттер диафрагмы ниже 100 фемтосекунд RMS.

Сети распределения часов должны быть спроектированы с соответствующими длинами следов и буферами с низким перекосом. Некоторые многоканальные модули ADC интегрируют фазовый цикл (PLL), который может быть синхронизирован с внешней ссылкой. Для больших массивов используется топология звезды или цепи с тщательным управлением импедансом.

Канал-канал Скью и калибровка

Даже при наличии общих часов различия в маршрутизации ПХД, пороговых напряжениях устройства и аналоговых фронтальных задержках вызывают остаточное перекос между каналами. Этот перекос должен измеряться и компенсироваться цифровым способом или через регулируемые линии задержки. Многие современные АЦП включают встроенные процедуры калибровки, которые выравнивают время выборки в течение нескольких пикосекунд. В многочиповых системах периодическая калибровка с использованием известного тестового тона (например, общий сигнал, вводимый во все каналы) может использоваться для поддержания синхронизации по температуре и старению.

Ссылка: Аналоговые устройства & #8211; Многоканальная синхронизация ADC для фазированного радара лучей

Цифровая нисходящая конверсия и децимация

После отбора проб цифровые данные из каждого канала часто обрабатываются цифровым нисходящим преобразователем (DDC) в базовую полосу, за которым следует децимация для снижения скорости передачи данных. Эта обработка должна быть когерентной по всем каналам. Использование совместно используемого численно управляемого осциллятора (NCO) и синхронизированных фильтров децимации гарантирует сохранение фазовых и задерживающих связей. Полевые программируемые затворные массивы (FPGA) или выделенные ASIC обрабатывают эту цепочку обработки сигналов.

Потребление энергии и тепловое управление

ADC Power Dissipation (распад мощности)

Высокоскоростные АЦП (отбор >1 ГСПС) могут рассеивать значительную мощность, часто превышающую 1-3 Вт на канал для 12-14-битных устройств. В 64-канальной системе общая мощность АЦП может достигать 150 Вт и более, не включая цифровую обработку и распределение часов. Это тепло должно быть удалено для поддержания производительности. Проводящее охлаждение через радиаторы, принудительное воздушное или жидкостное охлаждение распространено в военном и аэрокосмическом радаре.

Сокращение энергопотребления без ущерба для производительности является постоянной проблемой. Некоторые АЦП предлагают режимы отключения электроэнергии в течение холостых периодов, или они могут работать с более низкой частотой выборки во время режимов поиска. Многорежимная операция, которая регулирует токи смещения и тактовую частоту на лету, становится доступной в продвинутых семействах преобразователей.

Термические эффекты на производительность ADC

Изменения температуры влияют на линейность, коэффициент усиления и смещения АЦП. Например, дрейф смещения может сместить порог квантования, вызывая ошибки смещения постоянного тока, которые особенно вредны при обработке MTI (перемещение указания цели). Дрифт усиления изменяет соответствие амплитуды канала к каналу. Конструкторы должны включать термическую компенсацию через таблицы поиска или калибровку в реальном времени. Сохранение температуры АЦП стабильной в узком диапазоне (например, ±10 & #176;C) уменьшает эти эффекты. Тепло, распространяющееся через медные плоскости и тепловые каналы, имеет важное значение.

Линейность, искажение и пропускная способность входа

Интегральная и дифференциальная нелинейность

Интегральная нелинейность (INL) и дифференциальная нелинейность (DNL) описывают отклонение функции передачи ADC от идеальной прямой. Высокий INL или DNL вызывает гармонические искажения и шпоры. В радаре гармоники равномерного порядка могут заходить в базовую полосу, создавая ложные цели. Многие высокопроизводительные ADC гарантируют INL в пределах нескольких LSBs. Инженеры должны просматривать типичные участки INL в таблице данных, особенно на интересующих частотах.

Входная полоса пропускания и аналоговый фронт-энд

Для прямого радиочастотного отбора полоса пропускания должна выходить за пределы самой высокой несущей частоты (например, 3-6 ГГц для S-диапазона, 8-12 ГГц для X-диапазона). Доступны широкополосные АЦП (до 6 ГГц и более), но их производительность ухудшается на более высоких входных частотах из-за емкостной нагрузки и индуктивности проводов связи. Антисглаживающий фильтр с достаточным сворачиванием гарантирует, что внедиапазонные сигналы не сворачиваются в полосу. Изменение групповой задержки фильтра должно быть минимальным для сохранения формы импульса и разрешения диапазона.

Обработка сигналов высокого динамического диапазона

Радар часто должен одновременно обрабатывать сильный возврат загромождения и слабое эхо цели – динамический диапазон, который может превышать 100 дБ. ADC не может обрабатывать такой диапазон в одном захвате. Вместо этого система использует аналоговый AGC, несколько стадий усиления или двухканальные ADC с отдельными путями усиления, которые объединены в цифровом виде (например, через свертку или усиление журнала). Другой подход заключается в использовании усилителя переменного усиления (VGA) перед ADC, который регулирует усиление на импульс или на диапазон бин. ADC должен иметь низкий шум для поддержки самой низкой настройки усиления и высокую линейность для обработки самого высокого сигнала без искажений.

Электромагнитная интерференция и целостность сигнала

Щит и заземление

Многоканальные платы АЦП чувствительны к электромагнитным помехам (ЭМИ) от переключения источников питания, цифровых процессоров и внешних источников. Критически важно правильное экранирование проводящими корпусами и прокладками ЭМИ. Схемы заземления должны отделять аналоговое и цифровое основание, возвращая их в единую точку (заземление звезд) или используя сплошную плоскость грунта с тщательным разделением. Ферритовые бусины и заглушки общего режима на силовых и сигнальных линиях фильтруют высокочастотный шум. Следует внимательно соблюдать рекомендации по закладке от производителей АЦП, особенно в отношении отсоединения конденсаторов и трассировки трассировки.

PCB Layout для многоканальных ADC

Маршрутизация многих высокоскоростных аналоговых сигналов и часов на одной ПХБ требует тщательного внимания к управлению импедансом, перекрестным и дифференциальным парам. Каждый канал АЦП должен иметь свою собственную выделенную сигнальную наземную плоскость и обратный путь. Сигналы часов должны быть маршрутизированы на внутренних слоях с наземным экранированием для предотвращения излучения на аналоговые пути. В больших массивах (например, 128 каналов) использование нескольких слоев и методов полосовой линии является обязательным.

Справочно: Texas Instruments & #8211; Руководство по высокоскоростному слою для систем ADC

Методы калибровки и компенсации

Набор и калибровка Offset

В случае несоответствия между каналами и офсетами вводятся шумы фиксированного шаблона и ухудшается когерентная интеграция. Калибровка может быть выполнена во время заводских испытаний или при запуске путем введения известного уровня постоянного тока (для офсета) и синусоидальной волны (для усиления и фазы). Коэффициенты коррекции хранятся в энергонезависимой памяти и применяются в цифровой логике. Некоторые АЦП включают калибровку на чипе, которая автоматически исправляет эти ошибки. Для очень больших массивов встроенная процедура самотестирования (BIST) периодически проверяет каждый канал.

Выравнивание фазы и компенсация за задержку времени

Помимо статического усиления и смещения, многоканальные системы должны исправлять фазовые ошибки по всей полосе. Это часто делается с помощью адаптивного фильтра в реальном времени или эквалайзера с конечным импульсным откликом (FIR) на канал. Коэффициенты эквалайзера вычисляются во время калибровки системы с использованием опорного сигнала, вводимого в антенную апертуру. В радиолокационных станциях с частотной модуляцией непрерывных волн (FMCW) фазовые ошибки также включают нелинейности в чирпе, которые должны быть линеаризованы перед оцифровкой.

Компенсация за температурный дрейф

По мере работы радара изменения температуры вызывают дрейф параметров АЦП. Выделенный датчик температуры на плате АЦП может инициировать перекалибровку. Альтернативно, медленный сервопет, который контролирует смещение постоянного тока неиспользуемого канала или компенсированное температурой опорное напряжение, может обновлять значения коррекции. Передовые АЦП обеспечивают выходы датчика температуры и регистры компенсации смещения на лету.

Интеграция с цифровыми формами луча и обработкой сигналов

Интерфейс данных и пропускная способность

Оцифрованные данные со всех каналов должны передаваться в центральный процессор. Для 64-канальной системы с 14-битным разрешением и 1 GSPS скорость передачи данных составляет около 112 Гбит/с. Высокоскоростные последовательные интерфейсы (JESD204B/C, LVDS или SerDes) являются стандартными. JESD204B/C предпочтительнее для его уменьшенного количества контактов и детерминированной задержки. Сериализатор и десериализатор должны быть сконфигурированы со скоростями полосы движения до 12,5 Гбит/с или выше. Необходимо соблюдать осторожность для удовлетворения требований к хронометражам и диаграмме глаз.

Цепочка обработки FPGA

FPGA являются обычным выбором для многоканальной обработки ADC front-end. Они обрабатывают сериализацию данных, цифровую нисходящую конверсию, децимацию, весы формирования луча и сжатие импульсов. FPGA должна иметь достаточно логических ячеек, срезов DSP и памяти для размещения количества каналов. Высокопроизводительные устройства, такие как Xilinx RFSoC или Intel Agilex, интегрируют ADC непосредственно в FPGA, уменьшая сложность платы. Однако автономные ADC с интерфейсами JESD предлагают гибкость в выборе оптимального преобразователя для каждого канала.

Синхронизация через несколько узлов FPGA

В очень больших массивах (от сотен до тысяч каналов) требуется множество узлов FPGA. Синхронизация по узлам достигается с помощью системных опорных часов и синхронизационного импульса (SYSREF для JESD204B). Все преобразователи выборки на одном краю опорных часов. Алгоритмы обработки должны учитывать меж-FPGA вариации задержки. Общий подход заключается в вставке в поток данных штампов времени и выравнивании их на центральном процессоре.

Тематические исследования и конкретные соображения применения

Бортовой радар управления огнем

Для истребителей система ADC должна быть легкой, компактной и работать при экстремальной температуре и вибрации. Для уменьшения размера используются многочиповые модули (MCM), которые упаковывают два-четыре канала ADC в одном пакете. Образцовые данные отправляются по оптическим каналам на блок обработки для минимизации веса. Потребление мощности жестко заложено в бюджет, часто ограничивая разрешение ADC до 12-14 бит. Требование к широкой мгновенной полосе пропускания (сотни МГц) и высокому динамическому диапазону приводит к выбору ADC с высоким SFDR и низким уровнем шума.

Наземный радар наблюдения

Наземные радары имеют более расслабленные размеры и ограничения мощности, что позволяет использовать 16-битные или более высокие АЦП с превосходной линейностью. Основное внимание уделяется обнаружению на больших расстояниях и отторжению загромождений. Многоканальные АЦП используются в фазированных антеннах с цифровым формированием луча, часто использующих сотни каналов. Данные обрабатываются в выделенных серверах с графическими процессорами или FPGA. Тепловое управление проще с принудительным воздушным охлаждением. Однако надежность в течение длительных периодов (лет непрерывной работы) требует акцента на срок службы компонентов и избыточность.

Автомобильный радар (77/79 ГГц)

Автомобильные радиолокационные системы используют антенные решетки MIMO и требуют небольших недорогих многоканальных ADC. Как правило, 12-битных ADC со скоростью выборки 50-100 MSPS достаточно, потому что пропускная способность узкая (несколько сотен МГц). ADC часто интегрируются в единый чип RF CMOS, который включает в себя приемопередатчик, ADC и обработку базовой полосы. Потребление энергии должно быть ниже 1 Вт на чип. Основной задачей проектирования является достижение приемлемого фазового шума и межканальной изоляции при сохранении низкой стоимости.

Будущие тенденции

Прямая выборка РФ на более высоких частотах

Достижения в процессах CMOS и SiGe выдвигают показатели выборки ADC за пределы 10 GSPS с 12-14 битами ENOB. Это позволяет напрямую отбирать сигналы X-диапазона и Ku-диапазона, устраняя множественные нисходящие преобразования и упрощая архитектуру приемника. Такие компании, как Texas Instruments, Analog Devices и Teledyne e2v, производят преобразователи, которые пробуют до 20 GSPS. Становятся доступными многоканальные версии с 4 или 8 каналами в одном пакете.

Цифровой луч с сотнями каналов

Будущие цифровые радары с фазированными лучами с сотнями или тысячами элементов потребуют систем ADC, которые плотно интегрированы и маломощны. Технология 3D-IC, укладывающая кости ADC, память и логику обработки, будет использоваться для удовлетворения требований к размеру, весу и мощности (SWaP). Калибровка на чипе и схемы самовосстановления уменьшают необходимость внешних регулировок.

Машинное обучение на основе калибровки

Алгоритмы машинного обучения можно обучить прогнозированию нелинейностей АЦП и компенсации в реальном времени. Нейронные сети, работающие на FPGA или встроенных процессорах, могут исправлять искажения интермодуляции и фазовый шум, улучшая эффективный динамический диапазон без аппаратных изменений.

Заключение

Проектирование многоканальных систем АЦП для радиолокационных приложений требует глубокого понимания компромиссов аналоговых и цифровых цепочек сигналов. Ключевые соображения включают выбор соответствующей скорости и разрешения выборки, обеспечение точной синхронизации по каналам, управление мощностью и теплом, поддержание линейности в широком динамическом диапазоне и сохранение целостности сигнала в условиях ЭМИ. Калибровка на уровне системы для получения, смещения, фазы и дрейфа температуры имеет важное значение для достижения согласованности, требуемой цифровым формированием луча и передовой обработкой импульса-доплера. По мере развития технологии прямая радиочастотная выборка и плотно интегрированные многоканальные АЦП позволят еще более высокопроизводительные радары в меньших пакетах. Решая эти конструктивные соображения на ранних этапах цикла разработки, инженеры могут поставлять надежные радиолокационные системы, которые надежно работают в самых требовательных средах.

Ссылка: Microwave Journal & #8211; Многоканальные ADC-проекты для радарных систем