Digitální anténní pole (DA) (anténní pole s digitálním zpracováním signálu) je anténní pole [1] se zpracováním signálu prvek po prvku, ve kterém jsou signály z vyzařujících prvků podrobeny analogově-digitální konverzi, po které následuje zpracování podle určitých algoritmů [2] .
Obecnější definice CAR zahrnuje digitální tvarování paprsku pro příjem i vysílání signálů:
Digitální anténní pole (DA) je pasivní nebo aktivní anténní systém, který je souborem analogově-digitálních (digitálně-analogových) kanálů se společným fázovým středem, ve kterém se tvarování paprsku provádí v digitální formě, bez použití fáze. řazení [3] . V zahraniční literatuře se používají ekvivalentní anglické termíny . digitální anténní pole nebo inž. chytrá anténa [4]
Rozdíl mezi CAR a typem aktivní fázované antény (AFAR) spočívá ve způsobech zpracování informací. AFAR je založen na modulu transceiveru (RPM), který zahrnuje dva kanály: přijímací a vysílací. V každém kanálu je instalován zesilovač a dvě zařízení pro řízení distribuce amplitudy a fáze: fázový posuvník a útlumový člen .
V digitálních anténních polích je v každém kanálu instalován modul digitálního transceiveru, ve kterém je systém řízení amplitudy a fáze analogového signálu nahrazen systémem pro syntézu a analýzu digitálního signálu ( DAC / ADC ) [3] [5] [6] [ 7] [8] .
Teorie digitálních anténních polí (DAA) vznikla jako teorie vícekanálové analýzy (Multichannel Estimation) [9] [10] . Jeho počátky sahají do 20. let 20. století z tehdy vyvinutých metod určování směrů příchodu rádiových signálů kombinací dvou antén podle fázového rozdílu nebo amplitud jejich výstupních napětí. Zároveň byl směr příchodu jednotlivého signálu odhadnut podle údajů na úchylkoměrech nebo podle tvaru Lissajousových obrazců nakreslených paprskem na obrazovce osciloskopu . Příkladem tohoto druhu je publikace [11] . Nejjednodušší patentová rešerše odhaluje několik desítek patentů využívajících podobná technická řešení pro radary , rádiové zaměřovače a navigační pomůcky. Hovoříme například o tzv. fázově srovnávacím zaměřovači (US patent č. 2423437) nebo amplitudově porovnávacím zaměřovači (US patent č. 2419946) [9] [10] .
Koncem 40. let 20. století tento přístup vedl ke vzniku teorie tříkanálových anténních analyzátorů, která poskytla řešení problému oddělení signálů vzdušného cíle a „antipodu“ odraženého od podkladového povrchu řešením systému rovnic vytvořených z komplexních napětí tříkanálové signálové směsi [12] . Výsledky experimentálních měření pomocí podobného tříanténního zařízení publikoval Frederick Brooks v roce 1951 [13] .
Rostoucí složitost řešení tohoto druhu radarových problémů koncem 50. let vytvořila předpoklady pro použití elektronické výpočetní techniky v této oblasti [9] . [10] . Například v roce 1957 byl publikován článek Bena S. Meltonta a Leslie F. Baileyho [14] , který navrhoval možnosti implementace operací algebraického zpracování signálů pomocí elektronických obvodů, které jsou jejich analogy, za účelem vytvoření strojového korelátoru ( strojový korelátor) nebo počítač pro zpracování signálů založený na analogovém počítači. Ve skutečnosti tak vznikla symbióza přijímacího systému a speciálního kalkulátoru pro odhad parametrů signálu.
Příchod nahradit analogové výpočetní prostředky digitální technologie doslova o tři roky později, v roce 1960, byl ztělesněn v myšlence použití vysokorychlostního počítače k vyřešení problému s hledáním směru, zpočátku ve vztahu k určení místa zemětřesení . epicentrum [9] [10] . B. A. Bolt [15] , který jako první uvedl tuto myšlenku do praxe, napsal pro IBM 704 program pro hledání seismického směru na základě metody nejmenších čtverců. Téměř současně s ním použil podobný přístup pracovník Australské národní univerzity Flynn [16] .
Navzdory skutečnosti, že v těchto experimentech bylo rozhraní mezi senzory a počítačem implementováno pomocí děrných datových vstupních karet, bylo takové řešení rozhodujícím krokem ke vzniku CAR. Dále zbývalo pouze vyřešit problém přímého dodávání digitálních dat přijatých ze senzorových prvků do počítače , s vyloučením fáze přípravy děrných štítků a účasti operátora jako zvláštního spojení. Zároveň by se řešení problému zlepšení zpracování informací z pole senzorických senzorů mohlo zredukovat na vývoj softwaru pro počítač s nimi integrovaný [9] [10] . Od tohoto okamžiku by podobná řešení mohla být replikována v jakékoli radiotechnické aplikaci.
V SSSR zřejmě první, kdo upozornil na potenciál vícekanálových analyzátorů , byly počítače Polikarpov B.I. Polikarpov B. I. poukázal na zásadní možnost rozlišení zdrojů signálu s úhlovou vzdáleností menší, než je šířka hlavního laloku anténního systému [9] [10] .
Konkrétní řešení problému super-Rayleighova rozlišení zdrojů záření však navrhli až v roce 1962 Varyukhin V. A. a Zablotsky M. A. , kteří vynalezli vhodnou metodu pro měření směrů ke zdrojům elektromagnetického pole [18] . Tato metoda byla založena na zpracování informací obsažených v rozložení komplexních amplitud napětí na výstupech amplitudových, fázových a fázově amplitudových vícekanálových analyzátorů a umožnila určit úhlové souřadnice zdrojů umístěných v šířce hlavního laloku. přijímacího anténního systému [9] [10] .
Později Varyukhin V. A. vyvinul obecnou teorii vícekanálových analyzátorů založenou na zpracování informací obsažených v rozložení komplexních amplitud napětí na výstupech anténního pole [10] . Tato teorie uvažuje o metodách určování úhlových souřadnic zdrojů v závislosti na úhlových vzdálenostech mezi nimi, fázových a energetických vztazích mezi signály a také o funkčních schématech zařízení, které implementují teoretické závěry. Parametry zdroje jsou určeny přímým řešením systémů transcendentálních rovnic vysokého řádu, které popisují funkci odezvy vícekanálového analyzátoru. Obtíže vznikající při řešení systémů transcendentálních rovnic vysokého řádu překonal Varyukhin V. A. „separací“ neznámých, ve které je určování úhlových souřadnic redukováno na řešení dvou nebo dokonce jedné rovnice a určování komplexních amplitud je redukováno na řešení lineární soustavy rovnic řádu N [19] .
Důležitým mezníkem v uznání vědeckých výsledků V. A. Varyukhina byla obhajoba jeho disertační práce pro udělení titulu doktora technických věd, která se uskutečnila v roce 1967. Výrazným rysem jím vyvinutých teoretických základů je maximální automatizace proces odhadu souřadnic a parametrů signálů, zatímco v zahraničí se tentokrát zrodil přístup založený na vytvoření funkce odezvy seismického vícekanálového analyzátoru a posouzení jeho rozlišení na základě vizuálních dojmů . Hovoříme o Caponově metodě a dále rozvíjených metodách MUSIC, ESPRIT a dalších projekčních metodách spektrálního odhadu [20] . Originalita hlavních teoretických úspěchů Varyukhinovy vědecké školy , které získal on a jeho studenti (především nyní ve A.M.Vasilevsky operace rychlé Fourierovy transformace . Jedná se o redukci problému super-Rayleighova rozlišení (super-rozlišení) signálů na výstupech sekundárních přijímacích kanálů na řešení algebraické rovnice stupně M, kde M je počet zdrojů, možnost nezkresleného odhadu parametrů signálu, určení neznámého počtu jejich zdrojů a dalších důležitých aspektů. Zadaný vědecký tým vyvinul a komplexně otestoval řadu maket radaru s CAR, za účasti jeho zástupců proběhly úspěšné pozemní zkoušky prototypu unikátního 64kanálového radaru s CAR [7] [8]. ven .
Mezirezortní vědeckotechnické setkání pořádané v roce 1977 Vědeckou radou Akademie věd SSSR k problému "statistické radiofyziky" (předseda - akademik Yu. B. Kobzarev ) a Oddělení protivzdušné obrany pozemních sil Vojenské dělostřelecké akademie . M. I. Kalinina ( Kyjev ), udělil oficiální status termínu „digitální anténní pole“ a uvedl prioritu vědecké školy V. A. Varyukhina ve vývoji a praktické implementaci odpovídající teorie, datující počátek výzkumu prováděného pod vedením V. A. , 1962 [21] .
Vyvodit závěr o prioritě a důležitosti určitých vědeckých přístupů v procesu formování obecné teorie CAR je samozřejmě nevděčný úkol vzhledem k uzavřenosti většiny prací a chybějící možnosti detailního seznámení se vědecké dědictví té doby. Zde nastíněná historická odbočka pouze odkrývá závoj času nad vývojem vědeckého výzkumu a měla na historickém pozadí naznačit společný výklenek a časový rámec pro vznik teorie vícekanálové analýzy. Samostatnou úvahu si zaslouží podrobné představení historických etap ve vývoji teorie CAR.
V CAR PPM jsou dva kanály zpracování dat [22] [23] :
Základem přijímacího kanálu je ADC [22] [23] . Analogově-digitální převodník nahrazuje dvě zařízení v analogové implementaci aktivního modulu: fázový posuvník a atenuátor. ADC umožňuje přepnout z analogového na digitální reprezentaci signálu pro další analýzu v obvodu digitálního zpracování signálu.
Pro správnou funkci ADC jsou v kanálu také další dvě zařízení.
Základem vysílacího kanálu je digitálně-analogový převodník používaný pro syntézu digitálního signálu [22] [23] . Ve vysílacím kanálu nahrazuje posouvač a atenuátor fáze a také některé části generátoru - zařízení pro syntézu signálu, modulátor a frekvenční syntezátor ( lokální oscilátor ).
Po DAC v kanálu prochází signál přes výkonový zesilovač a je vysílán anténou [22] [23] . Požadavky na vysílací kanál k zesilovači jsou jiné než na přijímací. To souvisí s úrovní výkonu na vstupu zesilovače [3] . Signál přijímaný modulem z vesmíru je řádově nižší než syntetizovaný DAC .
Protože oba kanály pracují pro jeden vysílač, je nutné kanály oddělit, aby signál z vysílacího kanálu nepronikl do přijímacího. Pro tyto účely je v PPM instalováno oběhové čerpadlo s decouplingem cca 30 dB nebo jsou použity metamateriálové vložky do anténního plechu .
Při práci se signály, jejichž digitalizace nebo digitálně-analogový převod na nosné frekvenci je neefektivní (nedostatečná bitová šířka a channelizace dostupného ADC / DAC , jejich vysoká spotřeba energie atd.), lze provést jednu nebo více mezifrekvenčních konverzí. v DAC [22] [23] . Je třeba poznamenat, že jakákoli frekvenční konverze přináší další chyby ve zpracování signálu a snižuje potenciální charakteristiky CAR.
Tento systém je navržen tak, aby vytvořil mřížku referenčních frekvencí, které zajišťují synchronní provoz všech součástí softwarového a hardwarového komplexu digitálního systému formování paprsku, vydává hodinový signál pro ADC a DAC , hradluje decimační filtry, generuje spouštěcí impulzy vysílače pomocí proměnný pracovní cyklus řízený z centrálního počítačového modulu, vysílá referenční signál do analogového hlavního oscilátoru a přepíná řídicí signály pro korekci charakteristik přijímacích modulů [24] . Synchronizační systém musí zajistit minimalizaci jitteru hodinových signálů ADC a DAC , v opačném případě se sníží přesnost úhlového určení směru zdrojů signálu a hloubka potlačení aktivního rušení [25] [26] [27] .
Digitální systém pro korekci charakteristik přijímacích kanálů je navržen tak, aby digitálně kompenzoval technologické chyby, které vedou k mezikanálové a kvadraturní neidentitě v charakteristikách přijímacích kanálů CAR.
Ve vícekanálových systémech, které zahrnují digitální anténní pole, je mezikanálová identita amplitudově-frekvenčních charakteristik (AFC) velmi důležitá pro minimalizaci multiplikativní interference, ke které dochází během mezikanálového zpracování signálu. Čím vyšší je tento ukazatel (zpravidla se v oblasti hlavní šířky pásma frekvenční charakteristiky snaží dosáhnout mezikanálové korelace koeficientů přenosu kanálu do 0,999 a výše) a tím širší je frekvenční pásmo, ve kterém splňuje požadavky, tím větší je odolnost odpovídajícího radiotechnického systému proti rušení.
Pro zvýšení specifikované identity by měly být použity speciální algoritmy pro mezikanálovou korekci frekvenční odezvy přijímacích kanálů [28] .
V aktivních CAR lze také korigovat charakteristiky vysílacích kanálů. [29] Činnost korekčního systému probíhá ve dvou hlavních režimech - výpočet korekčních koeficientů z řídicích signálů a režim korekce digitálních odečtů signálových napětí v procesu jejich zpracování podle dříve vypočtených váhových koeficientů. [30] [31] [32]
Digitální beamforming implikuje digitální syntézu vyzařovacího diagramu v přijímacím režimu a také vytvoření daného rozložení elektromagnetického pole v otvoru anténního pole - ve vysílacím režimu [33] [34] . S velkým počtem kanálů se jedná o počítačovou síť, která kombinuje několik modulů digitálního zpracování signálu [33] [34] . Digitální tvarování paprsku založené na operaci rychlé nuly nejrozšířenějšíje[37][36][35][29]Fourierovy transformace
Metody tvorby digitálního diagramu se dělí na adaptivní a neadaptivní.
Transformace CAR na standardní řešení pro moderní prostředky radaru, komunikace a satelitní navigace je dána řadou jejich výhod oproti PAR [7] :
Z historického hlediska byl vývoj elementové základny CAR významně ovlivněn přechodem z jednokanálových na vícekanálové ADC ( DAC ) mikroobvody, vznikem nových standardů pro sběrnice rozhraní a moduly vestavěných počítačových systémů, zpoždění ve zdokonalování digitálních signálových procesorů ( DSP ) od univerzálních mikroprocesorů, pokrok ve vývoji programovatelných logických integrovaných obvodů ( FPGA ) typu FPGA . V souladu s tím lze při vývoji specifikované základny prvků ve vztahu k přijímajícím CAR podmíněně rozlišit čtyři období [10] .
Technologie prvního z nich jsou spojeny s použitím jednokanálových ADC a implementací digitálního zpracování signálu v přijímacích kanálech pomocí jednotlivých mikroobvodů [10], registrů atd.sčítaček v letech 1989-1992 (viz foto).
Druhé období je způsobeno výskytem prvních průmyslových počítačů a rozhraní crossboardů standardů ISA a PCI , kdy bylo možné použít vlastní DSP modul pro každý přijímací kanál , konstruktivně vymezující digitální a analogové segmenty CAR. [8] [10] [33] [40] . Potřeba těsné synchronizace primárního digitálního zpracování signálu ve všech přijímacích kanálech CAR nás však donutila v budoucnu opustit DSP moduly a nahradit je speciálně navrženými moduly s FPGA typu FPGA .
Třetí období ve vývoji základny prvků je spojeno s přechodem na používání standardu CompactPCI a používání 4- a 8-kanálových ADC čipů v modulech vícekanálového digitálního zpracování signálu [8] [10] [33] [ 34] [40] . Jeho hlavními principy byla maximální integrace digitálního zpracování s instalací až 32 kanálů konverze analogově-digitálního signálu na jednu desku formátu 6U a tomu odpovídajícím vrstveným zpracováním jejich výstupních vzorků nejprve v několika a poté v jednom FPGA . Současně došlo k přechodu na integrované moduly zpracování analogového signálu. V případech, kdy to bylo vhodné, byly k takové integraci použity vícekanálové analogové zesilovací čipy, v ostatních případech byla integrace provedena konstruktivní kombinací několika přijímacích modulů (až 4 - 8) do jedné jednotky se společnou kabeláží pro napájení, ovládání signály, signály lokálního oscilátoru a vícekanálový konektor pro komunikaci s digitálním blokem (viz foto).
Současné, čtvrté období je charakteristické škálováním řešení předchozí generace na využití počítačových modulů a rozhraní standardů PCI Express . V tomto případě lze použít standardy CompactPCI Serial , CompactPCI .atdOpenVPX,PlusIO [41] . Hovoříme také o zabudování čipů ADC a FPGA do bloků vícekanálových přijímačů signálu založených na technologiích LTCC a jejich analogech. Přechod na standard OpenVPX , navzdory všem problémům s tím spojeným, umožňuje výrazně zvýšit rychlost přenosu dat a zkrátit dobu jejich zpracování.
V Rusku se vyrábí řada integrovaných obvodů pro konstrukci CAR. Mikroobvod digitálního syntezátoru 1508PL8T je určen pro použití ve vysílací cestě . Tento čip implementuje funkce syntézy komplexního (včetně chirpování a dalších typů modulace) širokopásmového (až 800 MHz) snímacího signálu, zavádí amplitudově-fázové předzkreslení a digitálně-analogový převod. Existují také synchronizační nástroje pro zajištění provozu v rámci CAR.
V přijímací cestě je možné použít digitální čtyřkanálový přijímač 1288XK1T, který vybírá a digitálně předzpracovává signály přijímané z ADC [42] . Velmi efektivním řešením je blok 16kanálové konverze analogového signálu na digitální PKK Milandr JSC, který obsahuje šestnáct 14bitových ADC K5101NV01, digitální signálové procesory K1967VN04 a FPGA pro předběžné digitální zpracování vzorků ADC , včetně jejich decimace a filtrování . [43] .
Podrobný popis možných možností hardwarové implementace digitálního zpracování signálu v CAR V.I.Slyusarpublikacíchvuvedenje
Charakteristickým rysem této etapy je také přechod k širokému využití radiofotonických technologií ve Středoafrické republice.
Zpočátku byla myšlenka použití radiofotonických technologií v CAR zredukována na optické zapojení hodinových impulzů ADC přes celou sadu přijímacích kanálů. V tomto případě, aby se spustil ADC , musely být optické pulsy převedeny na hodinové video signály pomocí fotodetektorů. [25] . Tento přístup umožňuje například zjednodušit přenos hodinových signálů ADC přes otočné kontaktní spoje z pevného zařízení nosné platformy do otočného pole digitálních antén.
V současné době rozvoj radiofotoniky umožňuje využít optické rozhraní také pro přenos rádiových signálů přijímaných anténními prvky CAR [46] [47] . Nejprve na výstupu analogového přijímače širokopásmový rádiový signál moduluje optickou nosnou a před přivedením do ADC dojde k inverzní konverzi, přičemž rádiový signál je obnoven pro jeho následnou digitalizaci. Podobné operace s optickým vytvářením rádiových signálů lze využít i při vysílání CAR [47] .
Radiofotonické CAR jsou základem radiofotonových radarů . Kromě toho lze radiofotonické technologie implementovat do interních rozhraní CAR příští generace základnových stanic pro mobilní komunikaci 5G a 6G . Pro práci s předplatiteli na horní polokouli (komunikace s mnoha bezpilotními prostředky , přenos dat na palubách pilotovaných letadel, komunikace se satelity na nízké oběžné dráze) bude počet anténních prvků systémů Massive MIMO několik stovek. Pro zjednodušení hardwarové implementace a snížení nákladů na takové vícekanálové DAC je použití multimódových optických rozhraní v nich jako druhu radiofotoniky jedinou rozumnou volbou nejen pro příjem signálů, ale také pro přenos dat.
Tento typ CAR je kombinací zrcadlového reflektoru a CAR umístěného v jeho ohniskové rovině . Tato konstrukce umožňuje získat vícecestný vyzařovací diagram v úzkém prostorovém sektoru. [48] .
Giraffe AMB [8] - radar na Le Bourget Airshow 2007
Radarová stanice Voronezh-M ( Lekhtusi ). Vývojářský koncern "RTI Systems"
Radarový komplex AN / TPY-2 THAAD
CAPTOR-E, DSEI -2019
Radar AMDR AN / SPY-6 (implementovaná technologie digitálního beamformingu [49] )
CAR se používá v celulárních komunikačních systémech, které implementují technologii MIMO [3] (Massive MIMO).
Technologie CAR se používá v hydroakustických systémech ( sonary ) a ultrazvukových diagnostických nástrojích [50] [51] .
ALOKA SSD-3500SV (256 kanálů)