Цифровая антенная решётка

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Цифровая антенная решётка (ЦАР) (антенная решётка с цифровой обработкой сигнала) — антенная решётка[1] с поэлементной обработкой сигналов, в которой сигналы от излучающих элементов подвергаются аналого-цифровому преобразованию с последующей обработкой по определённым алгоритмам[2].

Цифровая антенная решётка (ЦАР) — пассивная или активная антенная система, представляющая собой совокупность аналого-цифровых (цифро-аналоговых) каналов с общим фазовым центром, в которой формирование диаграммы направленности осуществляется в цифровом виде, без использования фазовращателей[3]. В зарубежной литературе используются эквивалентные термины англ. digital antenna array или англ. smart antenna [4]

Различие между ЦАР и разновидностью активной фазированной антенной решётки АФАР заключается в методах обработки информации. В основе АФАР лежит приёмопередающий модуль (ППМ), включающий в себя два канала: приёмный и передающий. В каждом канале установлен нелинейный элемент — усилитель, а также по два устройства управления амплитудно-фазовым распределением: фазовращателем и аттенюатором.

В цифровых антенных решётках в каждом канале установлен цифровой приёмно-передающий модуль, в котором аналоговая система управления амплитудой и фазой сигнала заменена системой цифрового синтеза и анализа сигналов (ЦАП/АЦП)[3][5][6][7][8].

Приёмно-передающий модуль ЦАР[править | править вики-текст]

Цифровой приёмопередающий модуль ЦАР

В ППМ ЦАР существует два канала обработки данных[9][10]:

  • передающий канал
  • приёмный канал

Приёмный канал[править | править вики-текст]

Основа приёмного канала — АЦП[9][10]. Аналого-цифровой преобразователь заменяет в аналоговом варианте реализации активного модуля два устройства: фазовращатель и аттенюатор. АЦП позволяет перейти от аналогового к цифровому представлению сигнала для дальнейшего его анализа в схеме цифровой обработки сигнала.

Для корректной работы АЦП в канале также присутствуют ещё два устройства.

  • Малошумящий усилитель (МШУ)[9][10] — поднимает амплитуду сигнала до требуемого уровня для дальнейшей оцифровки.
  • Устройство защиты приёмника — в простейшем случае — обычный разрядник не позволяющий перегрузить приёмный канал высоким уровнем сигнала (помехи).

Передающий канал[править | править вики-текст]

Основа передающего канала — цифро-аналоговый преобразователь, применяемый для цифрового синтеза сигнала[9][10]. В передающем канале он заменяет фазовращатель и аттенюатор, а также какую-то часть генератора — устройство синтеза сигнала, модулятор и синтезатор частоты (гетеродин).

За ЦАП в канале сигнал проходит усилитель мощности и излучается антенной[9][10]. Требования в передающем канале к усилителю иные, чем в приёмном. Это связано с уровнем мощности на входе усилителя[3]. Принятый модулем из пространства сигнал на порядки ниже синтезированного ЦАП.

Разделение каналов[править | править вики-текст]

Так как оба канала работают на один излучатель, то появляется необходимость в развязке каналов, чтобы сигнал передающего канала не проникал в приёмный. Для этих целей в ППМ устанавливается циркулятор с развязкой порядка 30 дБ либо используют в антенном полотне вставки из метаматериалов.

Преобразование частоты в ЦАР[править | править вики-текст]

При работе с сигналами, оцифровка или цифро-аналоговое преобразование которых на несущей частоте является неэффективной (недостаточная разрядность и канальность имеющихся АЦП/ЦАП, их высокое энергопотребление и т. п.), в ЦАР может выполняться одно или несколько промежуточных преобразований частоты[9][10]. Следует отметить, что всякое преобразование частоты вносит дополнительные погрешности в обработку сигналов и снижает потенциальные характеристики ЦАР.

Система синхронизации[править | править вики-текст]

Данная система предназначена для формирования сетки опорных частот, обеспечивающих синхронную работу всех составных частей программно-аппаратного комплекса системы цифрового диаграммообразования, выдачи синхросигнала тактирования АЦП и ЦАП, стробирования децимирующих фильтров, формирования импульсов запуска передатчика с переменной скважностью, управляемой с центрального компьютерного модуля, выдачи опорного сигнала на аналоговый задающий генератор и управления коммутацией сигналов коррекции характеристик приёмных модулей[11]. Система синхронизации должна обеспечивать минимизацию джиттера синхросигналов тактирования АЦП и ЦАП, в противном случае будет снижаться точность угловой пеленгации источников сигналов и глубина подавления активных помех [12][13][14].

Система коррекции характеристик приёмных каналов[править | править вики-текст]

Цифровая система коррекции характеристик приёмных каналов предназначена для цифровой компенсации технологических погрешностей, приводящих к межканальным и квадратурным неидентичностям характеристик приёмных каналов ЦАР. В активных ЦАР может выполняться также коррекция характеристик передающих каналов. Функционирование системы коррекции осуществляется в двух основных режимах - расчёт коэффициентов коррекции по контрольным сигналам и режим коррекции цифровых отсчётов напряжений сигналов по рассчитанным весовым коэффициентам. [15][16] [17][18]

Система цифрового диаграммообразования (ЦДО)[править | править вики-текст]

Обеспечивает цифровой синтез диаграммы направленности в режиме приёма, а также формирование заданного распределения электромагнитного поля в раскрыве антенной решётки - в режиме передачи[19][20]. При большом количестве каналов представляет собой вычислительную сеть, объединяющую несколько цифровых модулей обработки сигналов[19][20]. Наибольшее распространение получило выполнение цифрового диаграммообразования (англ. digital beamforming) на основе операции быстрого преобразования Фурье.

Преимущества перед аналоговыми ФАР[править | править вики-текст]

Превращение ЦАР в стандартное решение для современных средств радиолокации, связи и спутниковой навигации обусловлено целым рядом их преимуществ по сравнению с ФАР[7]:

  • Приёмные ЦАР – высокоинформативные приёмные системы, способные воспринять всю информацию, содержащуюся в структуре пространственно-временных электромагнитных полей в раскрыве решётки, и практически без потерь трансформировать её в данные о наличии и параметрах объектов.
  • Цифровое формирование высокоидентичных частотных фильтров на выходе приёмных устройств обеспечивает глубокую компенсацию широкополосных помеховых сигналов. В сочетании с расширением динамического диапазона при накоплении в процессе пространственно-временной обработки это обеспечивает недостижимую ранее помехозащищённость. Максимальная глубина "нулей" диаграммы направленности в направлениях на источники помех в ФАР ограничена малой разрядностью фазовращателей (5 - 6 бит), в ЦАР же используются АЦП с разрядностью 12 - 16 бит.
  • При выполнении приёмопередающих модулей ЦАР с программно-конфигурируемой архитектурой в полной мере может быть реализован принцип интегрированной апертуры. В это понятие входит объединение антенных систем и ВЧ-блоков всех типов бортовых радиотехнических средств в единую структуру с минимизацией единиц аппаратуры, а также побочных радиоизлучений. При этом достигается оперативная функционально-ресурсная адаптация архитектуры бортового радиоэлектронного оборудования и существенно возрастает эффективность всего радиоэлектронного комплекса.
  • Способность ЦАР к многосигнальному приёму в широком телесном угле при организации многопозиционных комплексов позволяет преодолеть большинство недостатков, присущих аналогичным традиционным системам с электронной или механической перестройкой узкого приёмопередающего луча.

Элементная база[править | править вики-текст]

В историческом аспекте существенное влияние на развитие элементной базы ЦАР оказал переход от одноканальных к многоканальным микросхемам АЦП (ЦАП), появление новых стандартов на интерфейсные шины и модули встраиваемых компьютерных систем, отставание в совершенствовании процессоров цифровой обработки сигналов (DSP) от микропроцессоров универсального назначения, прогресс в разработке программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) типа FPGA.

В России выпускается ряд интегральных микросхем для построения ЦАР. Для использования в передающем тракте предназначена микросхема цифрового вычислительного синтезатора 1508ПЛ8Т. Данная микросхема реализует функции синтеза сложного (включая ЛЧМ и другие виды модуляции) широкополосного (до 800 МГц) зондирующего сигнала, введения амплитудно-фазовых предыскажений и цифро-аналогового преобразования. Также имеются средства синхронизации для обеспечения работы в составе ЦАР.

В приёмном тракте возможно применение цифрового четырёхканального приёмника 1288ХК1Т, который осуществляет селекцию и цифровую предобработку сигнала, принятого с АЦП[21].

Подробное описание возможных вариантов аппаратной реализации цифровой обработки сигналов в ЦАР представлено в публикациях Слюсаря В.И.[8][9][10][19] [22][20], а также серии патентов[23], перечень которых продолжает пополняться.

Примеры реализации ЦАР[править | править вики-текст]

Радиолокационные станции[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Антенная решётка — совокупность излучающих элементов, расположенных в определённом порядке, ориентированных и возбуждаемых так, чтобы получить заданную диаграмму направленности.
  2. ГОСТ 23282-91. Решётки антенные. Термины и определения.
  3. 1 2 3 Слюсар, В.И. Основные понятия теории и техники антенн. Антенные системы евклидовой геометрии. Фрактальные антенны. SMART-антенны. Цифровые антенные решётки (ЦАР). MIMO–системы на базе ЦАР.. Разделы 9.3 - 9.8 в книге «Широкополосные беспроводные сети передачи информации». / Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. – М.: Техносфера. – 2005. C. 498 – 569 (2005).
  4. Слюсар, В.И. Smart-антенны пошли в серию.. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2004. - № 2. C. 62 – 65 (2004).
  5. Слюсар, В.И. Цифровое диаграммообразование - базовая технология перспективных систем связи.. Радиоаматор. – 1999. - № 8. C. 58 – 59 (1999).
  6. Слюсар, В.И. Цифровое формирование луча в системах связи: будущее рождается сегодня.. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2001. - № 1. C. 6 - 12 (2001).
  7. 1 2 3 4 Слюсар, В.И. Цифровые антенные решётки: будущее радиолокации.. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2001. - № 3. C. 42 - 46. (2001).
  8. 1 2 3 Слюсар, В.И. Цифровые антенные решётки: аспекты развития.. Специальная техника и вооружение. - Февраль, 2002. - № 1,2. С. 17 - 23. (2002).
  9. 1 2 3 4 5 6 7 Слюсар, В.И. Идеология построения мультистандартных базовых станций широкополосных систем связи.. Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника.- 2001. - Том 44, № 4. C. 3 - 12. (2001).
  10. 1 2 3 4 5 6 7 Слюсар, В.И. Многостандартная связь: проблемы и решения.. Радиоаматор. – 2001. № 7 - C. 54 - 54, № 8. – C. 50 - 51. (2001).
  11. Патент України на корисну модель № 47675. МПК (2009) МПК 7 G 01 S 13/08-13/44, G 01 S 7/02-7/46, H 02 K 15/00-15/16. Система обробки сигналів приймальної цифрової антенної решітки. //Слюсар В.І., Волощук І. В., Гриценко В. М., Бондаренко М. В., Малащук В. П., Шацман Л. Г., Нікітін М. М. - Заявка на видачу патенту України на корисну модель № u200903986 від 22.04.2009. - Патент опубліковано 25.02.2010, бюл. № 4. - http://www.slyusar.kiev.ua/47675.pdf
  12. Слюсар, В.И. Влияние нестабильности такта АЦП на угловую точность линейной цифровой антенной решетки.. Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника.- 1998. - Том 41, № 6. C. 77 - 80 (1998).
  13. Бондаренко М.В., Слюсар В.И. Влияние джиттера АЦП на точность пеленгации цифровыми антенными решетками.// Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. – 2011. - № 8. – C. 41 - 49. - [1].
  14. Bondarenko M.V., Slyusar V.I. Limiting depth of jammer's suppression in a digital antenna array in conditions of ADC jitter.// 5th International Scientific Conference on Defensive Technologies, OTEH 2012. - 18 - 19 September, 2012. - Belgrade, Serbia. - Pp. 495 - 497. [2].
  15. Слюсар В. И. Коррекция характеристик приёмных каналов цифровой антенной решётки по контрольному источнику в ближней зоне.// Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника.- 2003. - Том 46, № 1. - C. 44 - 52. - http://www.slyusar.kiev.ua/IZV_VUZ_2003_1.pdf
  16. Патент України на корисну модель № 66902 МПК (2011.01) G01S 7/36 (2006.01) H03D 13/00. Спосіб корекції міжканальних і квадратурних неідентичностей приймальних каналів цифрової антенної решітки./ Слюсар В.І., Корольов М. О., Цибульов Р. А. - Заявка на видачу патенту України на корисну модель № u201107655 від 17.06.2011. - Патент опубліковано 25.01.2012, бюл. № 2. - http://www.slyusar.kiev.ua/66902.pdf
  17. Патент України на корисну модель № 33257. МПК7 G 01 S7/36, H 03 D13/00. Спосіб корекції квадратурного розбалансу з використанням додаткового стробування відліків аналого-цифрового перетворювача.// Слюсар В.І., Масесов М. О., Солощев О. М. - Заявка на видачу патенту України на корисну модель № u200802467 від 26.02.2008. - Патент опубліковано 10.06.2008, бюл. № 11. - http://www.slyusar.kiev.ua/33257.pdf
  18. Slyusar, V. I., Titov I.V. Correction of smart antennas receiving channels characteristics for 4G mobile communication// Рroceedings of the IV-th International Conference on Antenna Theory and Techniques, 9-12 September 2003. Sevastopol, Pp. 374 – 375. - http://www.slyusar.kiev.ua/MKTTA_2003.pdf
  19. 1 2 3 Слюсар, В.И. Схемотехника цифрового диаграммообразования. Модульные решения.. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2002. - № 1. C. 46 - 52. (2002).
  20. 1 2 3 Слюсар, В.И. Схемотехника цифровых антенных решёток. Грани возможного.. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2004. - № 8. C. 34 - 40. (2004).
  21. Шахнович И. Российский цифровой приемник 1288ХК1Т - первый представитель серии Мультифлекс.//Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2006. -№ 2. - С. 24 - 31. [3]
  22. Слюсар, В.И. Модульные решения в схемотехнике цифрового диаграммообразования.. Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника.- Том 46, № 12. C. 48 - 62. (2003).
  23. 1 2 Патент України на корисну модель № 39243. МПК (2006) G01S 13/00, G01S 7/00, H02K 15/00. Багатоканальний приймальний пристрій.// Слюсар В.І., Волощук І.В., Алесін А.М., Гриценко В.М., Бондаренко М.В., Малащук В.П., Шацман Л.Г., Нікітін М.М. - Заявка на видачу патенту України на корисну модель № u200813442 від 21.11.2008. - Патент опубліковано 10.02.2009, бюл. № 3
  24. Slyusar, V. I. The way of correction of DAA receiving channels characteristics using the heterodyne signal// Proceedings of the III International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT - 99), 8-11 September 1999, Sevastopil, pages 244 - 245. [4]

Литература[править | править вики-текст]

  • Варюхин В.А. Основы теории многоканального анализа. - Киев: Наук. думка, 2015 - 168 с.
  • Воскресенский Д. И. Проектирование активных фазированных антенных решёток. Под. ред. Д. И. Воскресенского. — М.: Радиотехника, 2003. — С. 334—351.
  • Воскресенский Д.И., Овчинникова Е.В., Шмачилин П.А. Бортовые цифровые антенные решетки и их элементы. М.: Радиотехника, 2013.
  • Вишневский В. М., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. — М.: Техносфера, 2005. — 592 c.
  • Проблемы антенной техники. Под. ред. Л. Д. Бахрака, Д. И. Воскресенского. — М.: Радио и связь, 1989. — 368 с.
  • Миночкин А.И., Рудаков В.И., Слюсар В.И. Основы военно-технических исследований. Теория и приложения. Том. 2. Синтез средств информационного обеспечения вооружения и военной техники.//Под ред. А.П. Ковтуненко. - Киев: «Гранмна». – 2012. – С. 7 - 98; 354 - 521 [5]
  • Пономарев Л.И., Вечтомов В.А., Милосердов А.С. Бортовые цифровые многолучевые антенные решетки для систем спутниковой связи. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2016. – 216 c.
  • Добычина Е.М., Кольцов Ю.В. Цифровые антенные решетки в бортовых радиолокационных системах. М.: МАИ, 2013. 160 с.
  • Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. - Киев: КВИЦ. - 2000. - 428 с.