Multi-channel ADC için Tasarım Radar Uygulamalarında Sistemler

Radarta Multi-Channel ADC Systems'e Giriş

Modern radar sistemleri, çok kanallı analog-enerjik dönüştürücü (ADC) mimarilere güvenerek yüksek çözünürlük, gelişmiş bir hedef algılama ve dinamik kirişlenme ile sinyalleri aynı anda birden çok anten elementinden sayısal olarak kullanarak, sayısal olarak dijital kirişler, uzay-zamanlı uyarlanabilir işlem ve diğer gelişmiş enerji verimliliği ve ısıl yönetim için gelişmiş bir sistem tasarlayın.

Bu makale, radarda çok kanallı ADC sistemleri için anahtar tasarım gözlerini inceler ve sistem mimarları ve donanım mühendisleri için harekete geçebilir. Örnek stratejileri, saat dağıtım, lineerity, gürültü performansı, kalibrasyon teknikleri ve entegrasyon sorunları, tüm referanslar tarafından mevcut endüstri standartlarına ve bileşen teknolojilere destek veririz.

Temel Performans Parametreleri

Sampling Rate ve Nyquist Kriterleri

Örnekleme oranı muhtemelen en kritik parametredir. radarda, maksimum ilgi sıklığı taşıyıcı frekansı ve bu tür bir pul pul pulun genişliği tarafından belirlenir. Nyquist-Shannon örnekleme oranına göre ADC en az iki kat daha yüksek frekans bileşeni (veya iki kez bant genişliği için sinyal bantlama örneği) Uygulamada, radar sistemleri genellikle analog anti-aliasing filtre gereksinimlerine göre ve sinyal-noise oranını artırmak için aşırı derecede fazla kullanır.

Yeterli yüksek örnekleme oranı ile ADC seçmek, aynı zamanda platformun (havaya, zemine, denize) ve operasyonel ortamı ortadan kaldıran doğrudan RF mimarilerini de sağlar.

Bits ve Etkili Sayıları

Bazılarında ifade edilen karar, en küçük sinyal değişikliğini ayırt edebilir. radarda, yüksek çözünürlükte küçük hedefleri büyük bir karışıklık geri döndürürken tespit etmek önemlidir.ADC'nin teorik dinamik aralığı yaklaşık 6.02×N + 1.76 dB, N'nin az sayıda gürültü, ve jitter sunuyor.

Mühendisler radarın anlık dinamik aralığı için yeterli dinamik bir aralık sağlayan bir ADC kararı seçmeli (IDR) gereksinimlerine göre hızdaki hızların yüksek zeminde gecikmeli hedefler tespit edilmesi, 14- veya 16-bit ADC yaygındır.

Dinamik aralık ve Spurious-Free Dynamic Range and Spurious-Free Dynamic Range

Radar ADC'lerde dinamik aralığı hem de saturasyon olmadan güçlü sinyalleri ele geçirme yeteneği (geçici sinyal performansı) ve güçlü müdahaleleyicilerin (küçük sinyal performansı) varlığında zayıf sinyalleri tespit etmek için kapsar. Anahtar metrikler şunları içerir:

Multi-channel sistemlerinde, her ADC dinamik aralığı beklenen sinyal seviyelerine karşı eşleşmelidir. Otomatik kazanç kontrolü (AGC) ve ön uç attancular genellikle duyarlılığı korumak için kullanılır.

senkronizasyon ve Timing Multi-Channel Systems

Saat Dağıtımı ve Faz Gürültü

Tüm kanallardaki örnekleme saatlerinin hizalanması, eşanlı radar operasyonu için kritiktir. Herhangi bir skew veya jitter kanalları arasında kanallar arasında doğruluk ve Doppler işlemenin iyi bir şekilde tanımlanması gerekir. Düşük-jitter saat kaynağı (örneğin, bir saat dağıtım çipi tarafından takip edilen temiz kristal osilatör) gereklidir.

Saat dağıtım ağları, büyük diziler için, dikkatli bir şekilde kontrol edilen bir faz kilitlenmiş döngü (PLL) entegre eder. büyük diziler için, dikkatli bir şekilde incelenen bir yıldız veya dais-zin-zincir topolojisi kullanılır.

Kanal-to-Channel Skew ve Kalibrasyon

Ortak bir saatle bile, PCB'deki farklar, cihaz eşleme gerilimleri ve analog ön uç gecikmeler, kanallar arasında oturmaz. Bu skew, bilinen bir test ton (örneğin, tüm kanallarda) kullanılarak ölçülmelidir.

[FONT=0)Reference: [FONTT:0]Analog Cihazları ve #8211; Fazlı Radar için Çok İyileştirme[Döndüşün:2]

).

Dijital Down-Convers and Decimation

Örneklemeden sonra, her kanaldan dijital veriler genellikle dijital alt-konverter (DDC) tarafından veri oranlarını azaltmak için takip edilir. Bu işlem, paylaşılan sayısal olarak kontrol edilen oscillator (NCO) kullanarak işlenir ve senkronize edilebilir bir geçiş filtrelerinin korunması gerekir.

Güç tüketimi ve ısı Yönetimi

ADC Power Dissipation

Yüksek hızlı ADCs (sampling >1 GSPS) önemli gücü dağıtabilir, genellikle 12-14 bit cihaz için kanal başına 1-3 W'yi aşabilir. 64 kanal sisteminde, toplam ADC gücü dijital işleme ve saat dağıtım dahil olmak üzere 150 W veya daha fazla ulaşabilir. Bu ısı, ısıyı korumak için kaldırılır.

Performansı ödün vermeden güç tüketimini azaltmak sürekli bir meydan okumadır. Bazı ADCs boş dönemler için güç indirme modları sunar veya arama modları sırasında daha düşük örnek oranlarında çalıştırılabilir.Suç akımları ve saat frekansına uyan çok fazla işlem gelişmiş dönüştürücü ailelerde mevcuttur.

ADC Performansı Üzerine Termal Etkileri

Sıcaklık değişiklikleri ADC lineerliği, kazan ve dengeleme. Örneğin, dengelemek, ölçüm eşlerini değiştirebilir, özellikle MTI'de (öndergi işareti) işlemde zararlı olan DC dengeleme hatalarına neden olabilir.Get drag alters the Channel-tochannel amplitude match.

Linearity, Distortion ve Access Band geniş

Integral ve Diferansiyel Olmayanlık

Integral non-linearity (INL) ve diferansiyel non-linearity (DNL) ADC transfer fonksiyonunu ideal bir çizgiden tanımlamayı garanti eder. Yüksek INL veya DNL harmonik bozulma ve teşvik eder. radarda, hatta sipariş harmonikler bazanlara katılabilir, yanlış hedefler oluşturabilir. Birçok yüksek performanslı ADC transfer fonksiyonunun birkaç LSB içinde tipik INL arsalarını incelemelidir.

Giriş Band genişlik ve Analog Front-Bit

ADC'nin analog giriş bant genişliğinin maksimum sinyal frekansının ötesine geçmeli, ancak yüksek yükleme ve bağlantı frekansının (örneğin, X-band için 8-12 GHz) Wideband ADCs (daha fazla) kullanılabilir, ancak performans degradları filtre ve bağlantı hattının değiştirilmesi ve değiştirilmesi nedeniyle daha yüksek giriş frekanslarında uzatmamalıdır.

Yüksek Dinamik Aralığı Signals'leri işleme

Radar genellikle güçlü bir klişe geri dönüş ve zayıf bir hedef yankı & #8211; ADC bu kadar çok fazla baskıyı tek bir yakalamada çalıştıramaz. Bunun yerine, sistem ADC'yi kullanarak, birden çok kez kazanır veya bir araya gelen bir çift kanal ADC'nin, en düşük çözünürlükte veya log amplifikasyon olmadan en yüksek ayarlanmayı desteklemesi gerekir.

Elektromanyetik Interference ve Signal Integrity

Shielding ve Grounding

Multi-channel ADC tahtaları elektromanyetik müdahaleye karşı hassastır (EMI) anahtarlama güç malzemeleri, dijital işlemciler ve dış kaynaklardan. Proper kalkaning with behaviorive Storages and EMI Gaskets is critical. Grounding programs must separate analog and digital reasons, return them at a single point (star zemining) or using a solid ground-roading. Ferrite beads and common-mode chokes on power and signal lines high-frezegens. Layout codes from ADC models should separate analog and digital reasons, especially about decoupling cleors and trace.

PCB Multi-Channel ADCs için Layout

Tek bir PCB'de birçok hızlı analog sinyalleri ve saatlerini takip etmek, kontrol etmek, çapraztalk ve diferansiyel çiftleri kullanmaya dikkat etmek için dikkatli bir şekilde ihtiyaç duyuyor.Her ADC kanalının kendi özel sinyal zemin düzlemi ve geri dönüş yolu olması gerekir. Saat sinyalleri, radyasyonun analog yollara engelleyici yollar ile iç tabakalarda yollanmalıdır.

Referans:0)Texas Instruments – ADC Systems için Yüksek Hızlandırılmış Kılavuzları[Dön 1: 1)

Kalibrasyon ve Açıklama Teknikleri

Lig ve Offset Kalibrasyon

Kanal kanal kazanıp yanlış eşleşmeleri ortaya koyar ve sabit olmayan gürültü ve degrad koherent entegrasyon. Kalibrasyon, bilinen bir DC seviyesine (uzlaşacak ve bir sine dalgasına (örneğin) ve bir düzeltme katsayısı, her kanalda düzenli olarak depolanır.

Faz uyumu ve Zaman-Delay Compensation

Statik kazanç ve dengenin ötesinde, çok kanallı sistemler gruptaki faz hataları için doğrulanmalıdır. Bu genellikle gerçek zamanlı agresif filtre veya kanal başına sonlu bir dürtü cevabı (FIR) eşitleyicidir.Sistem kalibrasyonu sırasında hesaplanan ölçümler, frekans-moder sürekli dalga (FMCW) radarlarında, faz hataları da kanalda doğrusal olmayanlar içerir.

Sıcaklık Drift Compensation

Radar çalışırken, sıcaklık değişiklikleri ADC parametrelerine sürüklenme nedeni verir. ADC kurulunda özel bir sıcaklık sensörü yeniden ayarlanabilir. Alternatif olarak, kullanılan bir kanal veya sıcaklık azaltıcı bir referans geriliminin DC dengelemesini izleyen yavaş servo döngüsü düzeltme değerleri sağlayabilir. Advanced ADCs sıcaklık sensörü çıktılarını ve on-fly dengeleme kayıtlarını sağlar.

Dijital Kirişme ve İşaret İşleme ile Entegrasyon

Data Interface ve Band geniş

Tüm kanallardan sayısal veriler merkezi bir işlemciye aktarılmalıdır. 64 kanal sistemi için 14-bit çözünürlük ve 1 GSPS ile, ham veri oranı 112 Gbps ve yüksek hızlarda (JESD204B/C, LVDS veya SerDes) standart olarak seçilmelidir.

FPGA Processing Chain

FPGAs, multi-channel ADC ön uç işleme için her zamanki seçimdir.Sing data serialization, digital down-convers, decimation, kirişform ağırlıkları ve pulslama. FPGA, JESD arabirimleri ile yeterince esneklik sunar, DSP dilimleri ve her kanal için en iyi dönüştürücüleri seçmek için hafıza.

Birden Çok FPGA Nodes

Çok büyük dizilerde ( binlerce kanala yüzler), birden fazla FPGA düğümleri gereklidir. düğümler arasında senkronizasyon, veri akışında bir sistem referans saati ve bir senkronizasyon (SYSREF for JESD204B) için yapılır. Tüm dönüştürücüler referans saatinin aynı kenarında örnek.

Vaka Çalışmaları ve Uygulama-Specific

Havayla Ateş Kontrol Radar

Savaşçı uçaklar için, ADC sistemi hafif, kompakt ve aşırı sıcaklık ve titreşim altında çalışmalıdır. Multi-chip modülleri (MCM) bu paketin iki ila dört ADC kanalını tek bir pakette azaltmak için kullanılır. Örneklenmiş veriler, yüksek SFDR ve düşük gürültü ile işlem ünitesine gönderilir.

Ground-Based Surveillance Radar

Zemin tabanlı radarlar daha rahat boyut ve güç kısıtlamalarına sahiptir, 16-bit veya daha yüksek ADC'lerin üstün lineerliğe sahip olması sağlar.Kılımlı algılama ve dağınık reddedilme ile ilgilidir. Multi-channel ADCs, uzun süreler boyunca (geçmiş-array antenleri dijital kirişlerle kullanılır, çoğu zaman yüzlerce kanal çalıştırılır. Veriler, genellikle yüzlerce kanal veya FPGA'larla adanmış sunucularda işlenir.

Otomotiv Radarı (77/79 GHz)

Otomotiv radar sistemleri MIMO anten dizilerini kullanıyor ve transiver, ADC ve bazband işlemesini içeren küçük, düşük maliyetli bir çip gerektiriyor. 50-100 MSPS örnekleme oranları ile 12bit ADCs yeterlidir çünkü bant genişliği düşük maliyetlidir (birkaç yüzöldürücü). ADCs genellikle transiver, ADC ve bazband işleme içeren tek bir RF CMOS çipine entegre edilir.

Future Trendleri

Doğrudan RF Yüksek Frequencies

CMOS ve SiGe süreçleri ADC örnekleme oranları 10 GSPS'nin 12-14 bitleri ile sürüyor. Bu, X-band ve Ku-band sinyallerinin doğrudan örneklemesini sağlar, birden fazla geri dönüşümleri ortadan kaldırır ve Texas Instruments, Analog Cihazlar ve Teledyne e2v gibi şirketler, örnek 20 GSPS'ye kadar olan dönüştürücüler üretmektedir.

Dijital Kiriş yüzlerce Kanalla Bilgi

Geleceğin dijital fazlı radarları yüzlerce veya binlerce elementle birlikte yoğun olarak entegre ve düşük güç olan ADC dice, hafıza ve işleme mantığı, ağırlık ve güç (SWaP) gereksinimleri karşılamak için kullanılacaktır.

Makine Öğrenme-Temel Kalibrasyon

Makine öğrenme algoritmaları ADC doğrusal olmayanları tahmin etmek ve gerçek zamanlı olarak telafi etmek için eğitilmiş olabilir. FPGA'larda çalışan veya gömülü işlemciler, donanım değişiklikleri olmadan etkili dinamik aralığı düzeltebilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Radar uygulamaları için multi-channel ADC sistemleri, EMI. Sistem seviyesindeki analog ve dijital sinyal zinciri ticaret-offlarını kapsamlı bir şekilde anlamak, uygun örnekleme oranını ve çözümü seçmek, kanal boyunca hassas senkronizasyon sağlamak, güç ve ısıyı yönetmek, lineerliği geniş bir dinamik aralığı üzerinde tutmak ve EMI. Sistem seviyesindeki kalibrasyonunu sağlamak, dengelemek, faz ve sıcaklık sürüklenme, dijital kirişler ve gelişmiş pul-Doppler işleme ile gerekli olan tutarlılığı sağlamak için gereklidir. Teknoloji geliştikçe, doğrudan RF örnekleme ve yoğun olarak entegre edilmiş multi-kansızlanma ADC'ler için daha küçük radarlar için daha yüksek radarlar sağlayacaktır.

Referans:0)Mikro dalga Journal – Radar Sistemleri için Multi-Channel ADC Designs).