Digital antenn array (DA) (en antenn array med digital signalbehandling) är en antenn array [1] med element för element signalbehandling, där signaler från strålande element utsätts för analog-till-digital omvandling, följt av bearbetning enligt vissa algoritmer [2] .
En mer allmän definition av CAR innebär digital strålformning för både mottagning och sändning av signaler:
Digital antenn array (DA) är ett passivt eller aktivt antennsystem, som är en uppsättning analog-digitala (digital-analoga) kanaler med ett gemensamt fascentrum, där strålformningen utförs i digital form, utan användning av fas växlare [3] . I utländsk litteratur används motsvarande engelska termer . digital antennuppsättning eller eng. smart antenn [4]
Skillnaden mellan CAR och en typ av aktiv fasad arrayantenn (AFAR) ligger i metoderna för informationsbehandling. AFAR är baserad på en transceivermodul (RPM), som inkluderar två kanaler: mottagning och sändning. En förstärkare är installerad i varje kanal, samt två enheter för att styra amplitud-fasfördelningen: en fasskiftare och en dämpare .
I digitala antennuppsättningar är en digital sändtagaremodul installerad i varje kanal, i vilken det analoga signalamplitud- och faskontrollsystemet ersätts av ett digitalt signalsyntes- och analyssystem ( DAC / ADC ) [3] [5] [6] [ 7] [8] .
Teorin om digitala antennuppsättningar (DAA) har sitt ursprung som en teori om flerkanalsanalys (Multichannel Estimation) [9] [10] . Dess ursprung går tillbaka till 1920 -talet från de då utvecklade metoderna för att bestämma ankomstriktningarna för radiosignaler genom en kombination av två antenner genom fasskillnaden eller amplituderna för deras utspänningar. Samtidigt uppskattades ankomstriktningen för en enstaka signal enligt avläsningarna av mätklockorna eller enligt formen på Lissajous-figurerna som ritades av strålen på oscilloskopskärmen . Ett exempel på detta är publikationen [11] . Den enklaste patentsökningen avslöjar flera dussin patent med liknande tekniska lösningar för radar , radioriktningssökare och navigeringshjälpmedel. Vi talar till exempel om den så kallade fasjämförande riktningsmätaren (US patent nr 2423437) eller amplitudjämförande riktningsmätare (US patent nr 2419946) [9] [10] .
I slutet av 1940 -talet ledde detta tillvägagångssätt till uppkomsten av teorin om trekanalsantennanalysatorer, som gav en lösning på problemet med att separera signalerna från ett luftmål och "antipoden" som reflekterades från den underliggande ytan genom att lösa ett system av ekvationer bildade från de komplexa spänningarna i en trekanalssignalblandning [12] . Resultaten av experimentella mätningar med en liknande anordning med tre antenner publicerades av Frederick Brooks 1951 [13] .
Den växande komplexiteten att lösa denna typ av radarproblem i slutet av 1950 -talet skapade förutsättningarna för användningen av elektronisk datorteknik inom detta område [9] . [10] . Till exempel, 1957, publicerades en artikel av Ben S. Meltont och Leslie F. Bailey [14] , som föreslog alternativ för att implementera algebraiska signalbehandlingsoperationer med hjälp av elektroniska kretsar, som är deras analoger, för att skapa en maskinkorrelator ( en maskinkorrelator) eller en signalbehandlingsdator baserad på en analog dator. Detta skapade faktiskt en symbios av det mottagande systemet och en speciell kalkylator för att uppskatta signalparametrar.
Att komma att ersätta analoga datormedel för digital teknik bokstavligen tre år senare, 1960, förkroppsligades i idén om att använda en höghastighetsdator för att lösa ett riktningssökande problem, initialt i förhållande till att bestämma platsen för en jordbävning epicentrum [9] [10] . B. A. Bolt [15] som var den första att omsätta denna idé i praktiken, skrev ett program för IBM 704 för seismisk riktningssökning baserat på minsta kvadratmetoden. Nästan samtidigt med honom användes ett liknande tillvägagångssätt av en anställd vid Australian National University Flynn [16] .
Trots det faktum att gränssnittet mellan sensorerna och datorn i dessa experiment implementerades med hjälp av stansade datainmatningskort, var en sådan lösning ett avgörande steg mot framväxten av CAR. Vidare återstod det bara att lösa problemet med att direkt mata in de digitala data som tas emot från sensorelementen till datorn , exklusive steget att förbereda hålkort och operatörens deltagande som en extra länk. Samtidigt kan lösningen av problemet med att förbättra behandlingen av information från samlingen av sensoriska sensorer reduceras till utvecklingen av mjukvara för en dator integrerad med dem [9] [10] . Från det ögonblicket kunde liknande lösningar replikeras i alla radiotekniska tillämpningar.
I Sovjetunionen var uppenbarligen den första som uppmärksammade potentialen hos flerkanalsanalysatorer Polikarpov B.I. datorer som bestämmer vinkelkoordinaterna för signalkällor. Polikarpov B. I. påpekade den grundläggande möjligheten att lösa signalkällor med ett vinkelavstånd som är mindre än bredden på antennsystemets huvudlob [9] [10] .
En specifik lösning på problemet med super-Rayleigh-upplösning av strålningskällor föreslogs emellertid först 1962 av Varyukhin V. A. och Zablotsky M. A. , som uppfann en lämplig metod för att mäta riktningar till källor för ett elektromagnetiskt fält [18] . Denna metod baserades på bearbetning av information som fanns i fördelningen av komplexa spänningsamplituder vid utgångarna från amplitud-, fas- och fasamplitud-flerkanalsanalysatorer, och gjorde det möjligt att bestämma vinkelkoordinaterna för källor som ligger inom huvudlobens bredd av det mottagande antennsystemet [9] [10] .
Senare utvecklade Varyukhin V. A. en allmän teori om flerkanalsanalysatorer baserad på bearbetning av information som finns i fördelningen av komplexa spänningsamplituder vid utgångarna på antennuppsättningen [10] . Denna teori överväger metoder för att bestämma vinkelkoordinaterna för källor beroende på vinkelavstånden mellan dem, fas- och energiförhållanden mellan signaler, såväl som funktionsdiagram av enheter som implementerar teoretiska slutsatser. Källparametrarna bestäms genom att direkt lösa system av transcendentala ekvationer av hög ordning som beskriver svarsfunktionen hos en flerkanalsanalysator. Svårigheter som uppstod i att lösa system av transcendentala ekvationer av hög ordning övervanns av Varyukhin V. A. genom "separation" av okända, där bestämningen av vinkelkoordinater reduceras till att lösa två eller till och med en ekvation, och bestämningen av komplexa amplituder reduceras till att lösa linjära ekvationssystem av ordningen N [19] .
En viktig milstolpe i erkännandet av V. A. Varyukhins vetenskapliga resultat var försvaret av hans avhandling för doktorsexamen i tekniska vetenskaper, som ägde rum 1967. Ett utmärkande drag för de teoretiska grunderna som utvecklats av honom är den maximala automatiseringen av process för att uppskatta koordinater och parametrar för signaler, medan utomlands denna gång föddes ett tillvägagångssätt baserat på bildandet av svarsfunktionen hos en seismisk flerkanalsanalysator och bedömningen av dess upplösning baserat på visuella intryck . Vi talar om Caponmetoden och de vidareutvecklade metoderna MUSIC, ESPRIT och andra projektionsmetoder för spektral estimering [20] . Originaliteten hos de viktigaste teoretiska prestationerna i Varyukhins vetenskapliga skola , erhållen av A.M.Vasilevskyhonom och hans elever (först och främst vid snabba Fourier-transformationsoperationen . Detta gäller att reducera problemet med super-Rayleigh-upplösning (superupplösning) av signaler vid utgångarna av sekundära mottagningskanaler till att lösa en algebraisk ekvation av grad M, där M är antalet källor, möjligheten till opartisk uppskattning av signalparametrar, fastställa ett okänt antal av deras källor och andra viktiga aspekter. Det angivna forskarteamet utvecklade och testade omfattande ett antal modeller av radarn med CAR, med deltagande av dess representanter genomfördes framgångsrika marktester av en prototyp av en unik 64-kanals radar med CAR [7] [8] ut .
Interdepartementalt vetenskapligt och tekniskt möte som hölls 1977 av Scientific Council of the USSR Academy of Sciences om problemet med "statistisk radiofysik" (ordförande - akademiker Yu. B. Kobzarev ) och luftförsvarsgrenen för markstyrkorna vid Military Artillery Academy . M. I. Kalinina ( Kiev ), gav officiell status till termen "digital antennuppsättning" och angav prioriteringen av den vetenskapliga skolan för V. A. Varyukhin i utvecklingen och praktiskt genomförande av motsvarande teori, som daterade början av forskning som utfördes under ledning av V.A. , 1962 [21] .
Att dra en slutsats om prioriteringen och betydelsen av vissa vetenskapliga tillvägagångssätt i processen att bilda en allmän teori om CAR är en otacksam uppgift, med tanke på den slutna karaktären hos de flesta verk och avsaknaden av möjligheten till en detaljerad bekantskap med dåtidens vetenskapliga arv. Den historiska utvikningen som beskrivs här lyfter bara tidens slöja över utvecklingen av vetenskaplig forskning och var avsedd att mot den historiska bakgrunden indikera en gemensam nisch och tidsram för framväxten av teorin om flerkanalsanalys. En detaljerad presentation av de historiska stadierna i utvecklingen av CAR-teorin förtjänar separat övervägande.
Det finns två databehandlingskanaler i CAR PPM [22] [23] :
Grunden för den mottagande kanalen är ADC [22] [23] . Analog-till-digital-omvandlaren ersätter två enheter i den analoga implementeringen av den aktiva modulen: en fasskiftare och en dämpare. ADC låter dig växla från analog till digital representation av signalen för vidare analys i den digitala signalbehandlingskretsen.
För att ADC ska fungera korrekt finns det även ytterligare två enheter i kanalen.
Grunden för den sändande kanalen är en digital-till-analog-omvandlare som används för digital signalsyntes [22] [23] . I sändningskanalen ersätter den fasförskjutaren och dämparen , såväl som en del av generatorn - en signalsyntesanordning, en modulator och en frekvenssyntes ( lokal oscillator ).
Efter DAC i kanalen passerar signalen genom effektförstärkaren och sänds ut av antennen [22] [23] . Kraven på sändningskanalen till förstärkaren är annorlunda än i den mottagande. Detta är relaterat till effektnivån vid ingången till förstärkaren [3] . Signalen som mottas av modulen från rymden är storleksordningar lägre än den syntetiserade DAC .
Eftersom båda kanalerna fungerar för en sändare, blir det nödvändigt att koppla bort kanalerna så att signalen från den sändande kanalen inte tränger in i den mottagande kanalen. För dessa ändamål installeras en cirkulator med en frånkoppling på cirka 30 dB i PPM, eller så används metamaterialinsatser i antennskivan .
När man arbetar med signaler vars digitalisering eller digital-till-analog-omvandling vid bärvågsfrekvensen är ineffektiv (otillräcklig bitbredd och kanalisering av tillgänglig ADC / DAC , deras höga strömförbrukning etc.), kan en eller flera mellanfrekvensomvandlingar utföras i DAC [22] [23] . Det bör noteras att varje frekvensomvandling introducerar ytterligare fel i signalbehandlingen och minskar CAR:ns potentiella egenskaper.
Detta system är utformat för att bilda ett rutnät av referensfrekvenser som säkerställer synkron drift av alla komponenter i mjukvaru- och hårdvarukomplexet i det digitala strålformningssystemet, avger en klocksignal för ADC och DAC , grindar decimeringsfilter, genererar sändartriggerpulser med en variabel arbetscykel styrd från en central datormodul, avge en referenssignal till den analoga masteroscillatorn och växla styrsignaler för att korrigera egenskaperna hos de mottagande modulerna [24] . Synkroniseringssystemet måste säkerställa minimering av jitter i klocksignalerna från ADC och DAC , annars kommer noggrannheten i vinkelriktningsavkänningen av signalkällor och djupet för undertryckandet av aktiv interferens att minska [25] [26] [27] .
Det digitala systemet för att korrigera egenskaperna hos mottagande kanaler är utformat för att digitalt kompensera för tekniska fel som leder till inter-kanal och kvadratur icke-identitet i egenskaperna hos mottagningskanalerna i CAR.
I flerkanalssystem, som inkluderar en digital antennuppsättning, är interkanalidentiteten för amplitud-frekvenskarakteristiken (AFC) mycket viktig för att minimera den multiplikativa interferens som uppstår under interkanalsignalbehandling. Ju högre denna indikator (som regel, i området för huvudbandbredden för frekvenssvaret , strävar de efter att uppnå interkanalkorrelation av kanalöverföringskoefficienter upp till 0,999 och högre) och desto bredare är frekvensbandet där det möter krav, desto högre brusimmunitet för motsvarande radiotekniska system.
För att öka den specificerade identiteten bör speciella algoritmer för interkanalkorrigering av de mottagande kanalernas frekvenssvar användas [28] .
I aktiva CAR kan egenskaperna hos de sändande kanalerna också korrigeras. [29] Korrigeringssystemets funktion utförs i två huvudlägen - beräkningen av korrigeringskoefficienter från styrsignaler och korrigeringssättet för digitala avläsningar av signalspänningar i processen för deras bearbetning enligt tidigare beräknade viktkoefficienter. [30] [31] [32]
Digital strålformning innebär den digitala syntesen av strålningsmönstret i mottagningsläget, såväl som bildandet av en given fördelning av det elektromagnetiska fältet i öppningen av antennuppsättningen - i sändningsläget [33] [34] . Med ett stort antal kanaler är det ett datornätverk som kombinerar flera digitala signalbehandlingsmoduler [33] [34] . Digital strålformning baserad på den snabba Fouriertransformoperationen . mest utbreddaär de[37][36][35]29][
Metoder för digital diagrambildning är indelade i adaptiva och icke-adaptiva.
Förvandlingen av CAR till en standardlösning för moderna metoder för radar, kommunikation och satellitnavigering beror på ett antal av deras fördelar jämfört med PAR [7] :
I en historisk aspekt påverkades utvecklingen av elementbasen i CAR avsevärt av övergången från enkanaliga till flerkanaliga ADC ( DAC ) mikrokretsar, uppkomsten av nya standarder för gränssnittsbussar och moduler i inbyggda datorsystem, eftersläpning i förbättringen av digitala signalprocessorer ( DSP ) från universella mikroprocessorer, framsteg i utvecklingen av fältprogrammerbara logiska integrerade kretsar ( FPGA ) av FPGA -typ . Följaktligen, vid utvecklingen av den specificerade elementbasen i förhållande till mottagande CAR, kan fyra perioder villkorligt särskiljas [10] .
Teknikerna för den första av dem är förknippade med användningen av enkanaliga ADC :er och implementeringen av digital signalbehandling i de mottagande kanalerna med hjälp av individuella mikrokretsar av [10], register etc.adderare 1989-1992 (se bild).
Den andra perioden beror på uppkomsten av de första industriella datorerna och gränssnittskorten för ISA- och PCI-standarderna , när det blev möjligt att använda sin egen DSP -modul för varje mottagande kanal , vilket konstruktivt avgränsade de digitala och analoga segmenten i CAR [8] [10] [33] [40] . Behovet av tät synkronisering av primär digital signalbehandling i alla mottagningskanaler i CAR tvingade oss dock att överge DSP -moduler i framtiden och ersätta dem med specialdesignade moduler med FPGA - typ FPGA .
Den tredje perioden i utvecklingen av elementbasen är förknippad med övergången till användningen av CompactPCI- standarden och användningen av 4- och 8-kanals ADC -chips i flerkanaliga digitala signalbehandlingsmoduler [8] [10] [33] [ 34] [40] . Dess huvudprinciper var den maximala integrationen av digital bearbetning med installationen på ett 6U-formatkort av upp till 32 kanaler för analog-till-digital signalomvandling och motsvarande skiktad bearbetning av deras utgångsprov först flera, och sedan i en FPGA . Samtidigt skedde en övergång till integrerade analoga signalbehandlingsmoduler. I de fall det var lämpligt användes flerkanaliga analoga förstärkarchips för sådan integration, i andra fall utfördes integrationen genom att konstruktivt kombinera flera mottagningsmoduler (upp till 4 - 8) till en enhet med en gemensam ledning för ström, styrning signaler, lokaloscillatorsignaler och en flerkanalskontakt för kommunikation med ett digitalt block (se bild).
Den nuvarande fjärde perioden kännetecknas av skalningen av tidigare generationers lösningar för att använda datormoduler och gränssnitt enligt PCI Express -standarderna . I det här fallet kan standarderna CompactPCI Serial , CompactPCI utveckling, etc.OpenVPX,PlusIO [41] . Vi talar också om att bädda in ADC- och FPGA -chips i block av flerkanaliga signalmottagare baserade på LTCC- teknologier och dess analoger. Övergången till OpenVPX- standarden , trots alla problem som är förknippade med den, låter dig öka dataöverföringshastigheten avsevärt, vilket minskar tiden för bearbetning av dem.
I Ryssland produceras ett antal integrerade kretsar för konstruktionen av CAR. Den digitala synthesizermikrokretsen 1508PL8T är avsedd för användning i sändningsvägen . Detta chip implementerar funktionerna att syntetisera en komplex (inklusive chirp och andra typer av modulering) bredbands (upp till 800 MHz) sonderingssignal, vilket introducerar amplitudfasfördistorsion och digital-till-analog-omvandling. Det finns också synkroniseringsverktyg för att säkerställa drift som en del av CAR.
I mottagningsvägen är det möjligt att använda en 1288XK1T digital fyrkanalsmottagare, som väljer ut och digitalt förbehandlar signaler som tas emot från ADC :n [42] . En mycket effektiv lösning är blocket av 16-kanals analog-till-digital signalkonvertering av PKK Milandr JSC, som innehåller sexton 14-bitars ADC :er K5101NV01, digitala signalprocessorer K1967VN04 och FPGA för preliminär digital bearbetning av ADC- sampel , inklusive deras decimering och filtrering . [43] .
En detaljerad beskrivning av möjliga alternativ för hårdvaruimplementering av digital signalbehandling i CAR presenteras .V.I.Slyusaravpublikationernai
Ett inslag i detta skede är också övergången till den utbredda användningen av radiofotonisk teknik i Centralafrikanska republiken.
Inledningsvis reducerades idén om att använda radiofotonisk teknik i CAR till fiberoptiska ledningar för ADC - klockpulserna över hela uppsättningen av mottagande kanaler. I det här fallet, för att trigga ADC , måste optiska pulser omvandlas till klockvideosignaler med hjälp av fotodetektorer. [25] . Detta tillvägagångssätt gör det till exempel möjligt att förenkla överföringen av ADC- klocksignaler genom roterande kontaktleder från bärplattformens fasta utrustning till en roterande digital antennuppsättning.
För närvarande gör utvecklingen av radiofotonik det möjligt att använda det fiberoptiska gränssnittet även för överföring av radiosignaler som tas emot av CAR:ns antennelement [46] [47] . Först, vid utgången av den analoga mottagaren, modulerar bredbandsradiosignalen den optiska bärvågen, och innan den matas till ADC :n sker den omvända omvandlingen, varvid radiosignalen återställs för dess efterföljande digitalisering. Liknande operationer med optisk bildning av radiosignaler kan också användas vid sändning av CARs [47] .
Radiofotoniska CAR är grunden för radiofotoniska radarer . Dessutom kan radiofotoniska teknologier implementeras i de interna gränssnitten för CAR:erna i nästa generations 5G och 6G cellulära kommunikationsbasstationer . För att arbeta med abonnenter på det övre halvklotet (kommunikation med många obemannade flygfarkoster , dataöverföring ombord på bemannade flygplan, kommunikation med lågomloppssatelliter), kommer antalet antennelement i Massive MIMO- system att vara flera hundra. För att förenkla hårdvaruimplementeringen och minska kostnaderna för sådana flerkanaliga DAC:er är användningen av multimodfiberoptiska gränssnitt i dem som ett slags radiofotonik det enda rimliga valet, inte bara för att ta emot signaler utan också för dataöverföring.
Denna typ av CAR är en kombination av en spegelreflektor och en CAR placerad i dess fokalplan . Denna design gör det möjligt att erhålla ett flervägsstrålningsmönster i en smal rumslig sektor. [48] .
S1850M [7] ombord på den italienska fregatten Andrea Doria (D 553)
Giraffe AMB [8] - radar på Le Bourget Airshow 2007
Radarstation Voronezh-M ( Lekhtusi ). Utvecklarproblem "RTI Systems"
Radar AN / TPY-2 komplex THAAD
CAPTOR-E, DSEI -2019
Radar AMDR AN / SPY-6 (implementerad digital strålformningsteknik [49] )
CAR används i cellulära kommunikationssystem som implementerar MIMO -teknik [3] (Massive MIMO).
CAR-teknik används i hydroakustiska system ( ekolod ) och ultraljudsdiagnosverktyg [50] [51] .
ALOKA SSD-3500SV (256 kanaler)