Matrice de antene digitale (DA) (o matrice de antene cu procesare digitală a semnalului) este o matrice de antene [1] cu procesare a semnalului element cu element, în care semnalele de la elementele radiante sunt supuse conversiei analog-digitale, urmată de procesare conform anumitor algoritmi [2] .
O definiție mai generală a CAR implică formarea digitală a fasciculului atât pentru recepția, cât și pentru transmiterea semnalelor:
Matricea de antene digitale (DA) este un sistem de antenă pasiv sau activ, care este un set de canale analog-digitale (digital-analogic) cu un centru de fază comun, în care formarea fasciculului se realizează în formă digitală, fără utilizarea fazei. schimbatoare [3] . În literatura străină se folosesc termeni englezi echivalenti . matrice de antene digitale sau ing. antenă inteligentă [4]
Diferența dintre CAR și un tip de antenă active phased array (AFAR) constă în metodele de procesare a informațiilor. AFAR se bazează pe un modul transceiver (RPM), care include două canale: recepție și transmisie. În fiecare canal este instalat un amplificator, precum și două dispozitive pentru controlul distribuției amplitudine-fază: un comutator de fază și un atenuator .
În rețelele de antene digitale, în fiecare canal este instalat un modul transceiver digital, în care sistemul de control al amplitudinii și fazei semnalului analogic este înlocuit cu un sistem digital de sinteză și analiză a semnalului ( DAC / ADC ) [3] [5] [6] [ 7] [8] .
Teoria rețelelor de antene digitale (DAA) a apărut ca o teorie a analizei multicanal (Multichannel Estimation) [9] [10] . Originile sale datează din anii 1920 din metodele dezvoltate atunci pentru determinarea direcțiilor de sosire a semnalelor radio printr-o combinație de două antene prin diferența de fază sau amplitudinile tensiunilor lor de ieșire. În același timp, direcția de sosire a unui singur semnal a fost estimată în funcție de citirile comparatoarelor cu cadran sau în funcție de forma figurilor Lissajous desenate de fasciculul pe ecranul osciloscopului . Un exemplu de acest fel este publicația [11] . Cea mai simplă căutare de brevete dezvăluie câteva zeci de brevete care utilizează soluții tehnice similare pentru radare , radiogoniometre și ajutoare de navigare. Vorbim, de exemplu, despre așa-numitul radiogonizor de direcție cu comparație de fază (brevet US Nr. 2423437) sau dispozitivul de comparare a amplitudinii (brevet US Nr. 2419946) [9] [10] .
La sfârșitul anilor 1940, această abordare a condus la apariția teoriei analizoarelor de antene cu trei canale, care a oferit o soluție la problema separării semnalelor unei ținte aeriene și a „antipodului” reflectat de suprafața subiacentă prin rezolvarea unui sistem. de ecuații formate din tensiunile complexe ale unui amestec de semnal cu trei canale [12] . Rezultatele măsurătorilor experimentale folosind un dispozitiv similar cu trei antene au fost publicate de Frederick Brooks în 1951 [13] .
Complexitatea tot mai mare a rezolvării acestui tip de probleme radar până la sfârșitul anilor 1950 a creat premisele pentru utilizarea tehnologiei de calcul electronic în acest domeniu [9] . [10] . De exemplu, în 1957, a fost publicat un articol al lui Ben S. Meltont și Leslie F. Bailey [14] , care propunea opțiuni de implementare a operațiilor de prelucrare a semnalului algebric folosind circuite electronice, care sunt analogii acestora, pentru a crea un corelator de mașină ( un corelator de mașină) sau un computer de procesare a semnalului bazat pe un computer analog. De fapt, aceasta a creat o simbioză a sistemului de recepție și un calculator special pentru estimarea parametrilor semnalului.
Venirea înlocuirii mijloacelor de calcul analogice ale tehnologiei digitale literalmente trei ani mai târziu, în 1960, a fost întruchipată în ideea de a folosi un computer de mare viteză pentru a rezolva o problemă de găsire a direcției, inițial în legătură cu determinarea locației unui cutremur . epicentru [9] [10] . B. A. Bolt [15] care a fost primul care a pus această idee în practică, a scris un program pentru IBM 704 pentru determinarea direcției seismice bazat pe metoda celor mai mici pătrate. Aproape simultan cu el, o abordare similară a fost folosită de un angajat al Universității Naționale Australiane Flynn [16] .
În ciuda faptului că în aceste experimente interfața dintre senzori și computer a fost implementată folosind carduri de intrare a datelor perforate, o astfel de soluție a fost un pas decisiv către apariția CAR. În plus, a rămas doar rezolvarea problemei de alimentare directă a datelor digitale primite de la elementele senzorului în computer , excluzând etapa de pregătire a cardurilor perforate și participarea operatorului ca legătură suplimentară. Totodată, soluția problemei îmbunătățirii prelucrării informațiilor din șirul de senzori senzoriali ar putea fi redusă la dezvoltarea de software pentru un computer integrat cu aceștia [9] [10] . Din acel moment, soluții similare ar putea fi replicate în orice aplicație de inginerie radio.
În URSS , aparent, primul care a atras atenția asupra potențialului analizoarelor multicanal a fost computerele Polikarpov B.I. Polikarpov B. I. a subliniat posibilitatea fundamentală de a rezolva sursele de semnal cu o distanță unghiulară mai mică decât lățimea lobului principal al sistemului de antenă [9] [10] .
Cu toate acestea, o soluție specifică la problema rezoluției super-Rayleigh a surselor de radiație a fost propusă abia în 1962 de Varyukhin V. A. și Zablotsky M. A. , care au inventat o metodă adecvată pentru măsurarea direcțiilor către sursele unui câmp electromagnetic [18] . Această metodă s-a bazat pe prelucrarea informațiilor conținute în distribuția amplitudinilor complexe de tensiune la ieșirile analizoarelor multicanal de amplitudine, fază și amplitudine de fază și a făcut posibilă determinarea coordonatelor unghiulare ale surselor situate în lățimea lobului principal. a sistemului de antenă de recepție [9] [10] .
Ulterior, Varyukhin V. A. a dezvoltat o teorie generală a analizatoarelor multicanal bazată pe procesarea informațiilor conținute în distribuția amplitudinilor complexe de tensiune la ieșirile rețelei de antene [10] . Această teorie are în vedere metode de determinare a coordonatelor unghiulare ale surselor în funcție de distanțele unghiulare dintre acestea, relațiile de fază și energie dintre semnale, precum și diagrame funcționale ale dispozitivelor care implementează concluzii teoretice. Parametrii sursei sunt determinați prin rezolvarea directă a sistemelor de ecuații transcendentale de ordin înalt care descriu funcția de răspuns a unui analizor multicanal. Dificultățile apărute în rezolvarea sistemelor de ecuații transcendentale de ordin înalt au fost depășite de Varyukhin V. A. prin „separarea” necunoscutelor, în care determinarea coordonatelor unghiulare se reduce la rezolvarea a două sau chiar a unei ecuații, iar determinarea amplitudinilor complexe se reduce la rezolvarea. sisteme liniare de ecuații de ordinul N [19] .
O etapă importantă în recunoașterea rezultatelor științifice ale lui V. A. Varyukhin a fost susținerea tezei sale pentru gradul de doctor în științe tehnice, care a avut loc în 1967. O trăsătură distinctivă a fundamentelor teoretice dezvoltate de el este automatizarea maximă a proces de estimare a coordonatelor și parametrilor semnalelor, în timp ce în străinătate de această dată s-a născut o abordare bazată pe formarea funcției de răspuns a unui analizor seismic multicanal și evaluarea rezoluției acestuia pe baza impresiilor vizuale . Vorbim despre metoda Capon și despre metodele dezvoltate în continuare MUSIC, ESPRIT și alte metode de proiecție de estimare spectrală [20] . Originalitatea principalelor realizări teoretice ale școlii științifice a lui Varyukhin , obținute de A.M.Vasilevskyel și studenții săi (în primul rând, la operaţiei rapide de transformare Fourier . Aceasta se referă la reducerea problemei rezoluției super-Rayleigh (super-rezoluție) a semnalelor la ieșirile canalelor secundare de recepție la rezolvarea unei ecuații algebrice de grad M, unde M este numărul de surse, posibilitatea estimării nepărtinitoare a parametrilor semnalului, determinarea unui număr necunoscut al surselor lor și alte aspecte importante. Echipa științifică specificată a dezvoltat și testat cuprinzător o serie de machete ale radarului cu CAR, cu participarea reprezentanților săi, au fost efectuate teste de succes la sol ale unui prototip de radar unic cu 64 de canale cu CAR [7] [8] afară .
Reuniunea științifică și tehnică interdepartamentală, organizată în 1977 de Consiliul Științific al Academiei de Științe a URSS cu privire la problema „radiofizicii statistice” (președinte - academicianul Yu. B. Kobzarev ) și Filiala de Apărare Aeriană a Forțelor Terestre ale Academiei de Artilerie Militară . M. I. Kalinina ( Kiev ), a dat statut oficial termenului „matrice de antene digitale” și a declarat prioritatea școlii științifice a lui V. A. Varyukhin în dezvoltarea și implementarea practică a teoriei corespunzătoare, datând începutul cercetărilor efectuate sub conducerea lui. V. A. , 1962 [21] .
Desigur, a trage o concluzie despre prioritatea și importanța anumitor abordări științifice în procesul formării unei teorii generale a CAR este o sarcină ingrată, având în vedere caracterul închis al majorității lucrărilor și lipsa posibilității unei cunoștințe detaliate cu moștenirea științifică a vremii. Digresiunea istorică conturată aici nu face decât să ridice vălul timpului asupra dezvoltării cercetării științifice și a fost menită să indice pe fundalul istoric o nișă comună și un interval de timp pentru apariția teoriei analizei multicanal. O prezentare detaliată a etapelor istorice în dezvoltarea teoriei CAR merită o analiză separată.
Există două canale de procesare a datelor în CAR PPM [22] [23] :
Baza canalului de recepție este ADC [22] [23] . Convertorul analog-digital înlocuiește două dispozitive în implementarea analogică a modulului activ: un comutator de fază și un atenuator. ADC vă permite să comutați de la reprezentarea analogică la cea digitală a semnalului pentru o analiză ulterioară în circuitul de procesare a semnalului digital.
Pentru funcționarea corectă a ADC , există și alte două dispozitive în canal.
Baza canalului de transmisie este un convertor digital-analogic utilizat pentru sinteza semnalului digital [22] [23] . În canalul de transmisie, înlocuiește defazatorul și atenuatorul , precum și o parte a generatorului - un dispozitiv de sinteză a semnalului, un modulator și un sintetizator de frecvență ( oscilator local ).
După DAC -ul din canal, semnalul trece prin amplificatorul de putere și este emis de antenă [22] [23] . Cerințele din canalul de transmisie către amplificator sunt diferite de cele din cel de recepție. Aceasta este legată de nivelul de putere la intrarea amplificatorului [3] . Semnalul primit de modul din spațiu este cu ordine de mărime mai mic decât DAC -ul sintetizat .
Deoarece ambele canale funcționează pentru un emițător, devine necesară decuplarea canalelor, astfel încât semnalul de la canalul de transmisie să nu pătrundă în cel de recepție. În aceste scopuri, în PPM este instalat un circulator cu o decuplare de aproximativ 30 dB, sau în foaia antenei sunt utilizate inserții metamateriale .
Atunci când se lucrează cu semnale a căror digitizare sau conversie digital-analogică la frecvența purtătoare este ineficientă (lățimea de biți insuficientă și canalizarea ADC / DAC disponibilă , consumul lor mare de energie etc.), pot fi efectuate una sau mai multe conversii de frecvență intermediară. în DAC [22] [23] . Trebuie remarcat faptul că orice conversie de frecvență introduce erori suplimentare în procesarea semnalului și reduce caracteristicile potențiale ale CAR.
Acest sistem este conceput pentru a forma o grilă de frecvențe de referință care asigură funcționarea sincronă a tuturor componentelor complexului software și hardware al sistemului digital de formare a fasciculului, emite un semnal de ceas pentru ADC și DAC , filtre de decimare, generează impulsuri de declanșare a transmițătorului cu un ciclul de lucru variabil controlat de la un modul central de calculator, emite un semnal de referință către oscilatorul master analog și semnale de comandă de comutare pentru corectarea caracteristicilor modulelor receptoare [24] . Sistemul de sincronizare trebuie să asigure reducerea la minimum a jitter -ului semnalelor de ceas ale ADC și DAC , altfel acuratețea direcției unghiulare a surselor de semnal și adâncimea de suprimare a interferenței active vor scădea [25] [26] [27] .
Sistemul digital de corectare a caracteristicilor canalelor de recepție este conceput pentru a compensa digital erorile tehnologice care conduc la neidentitatea intercanal și în cuadratura în caracteristicile canalelor de recepție ale CAR.
În sistemele cu mai multe canale, care includ o matrice de antene digitale, identitatea intercanal a caracteristicilor amplitudine-frecvență (AFC) este foarte importantă pentru a minimiza interferența multiplicativă care apare în timpul procesării semnalului între canale. Cu cât acest indicator este mai mare (de regulă, în regiunea lățimii de bandă principale a răspunsului în frecvență , ei se străduiesc să obțină o corelație între canale a coeficienților de transmisie a canalului de până la 0,999 și mai mari) și cu atât banda de frecvență în care îndeplinește este mai largă este mai mare. cu atât este mai mare imunitatea la zgomot a sistemului de inginerie radio corespunzător.
Pentru a crește identitatea specificată, ar trebui folosiți algoritmi speciali pentru corecția inter-canal a răspunsului în frecvență al canalelor de recepție [28] .
În CAR-urile active, caracteristicile canalelor de transmisie pot fi, de asemenea, corectate. [29] Funcționarea sistemului de corecție se realizează în două moduri principale - calculul coeficienților de corecție din semnalele de control și modul de corectare a citirilor digitale ale tensiunilor semnalului în procesul de prelucrare a acestora conform coeficienților de greutate calculați anterior. [30] [31] [32]
Formarea digitală a fasciculului implică sinteza digitală a modelului de radiație în modul de recepție, precum și formarea unei distribuții date a câmpului electromagnetic în deschiderea rețelei de antene - în modul de transmisie [33] [34] . Cu un număr mare de canale, este o rețea de calculatoare care combină mai multe module de procesare a semnalului digital [33] [34] . Formarea digitală a fasciculului bazată pe operația rapidă de . mai răspândităeste cea[37][36][35][29]transformare Fourier
Metodele de formare a diagramelor digitale sunt împărțite în adaptive și neadaptative.
Transformarea CAR într-o soluție standard pentru mijloacele moderne de radar, comunicații și navigație prin satelit se datorează mai multor avantaje față de PAR [7] :
Într-un aspect istoric, dezvoltarea bazei elementului CAR a fost influențată semnificativ de trecerea de la microcircuite ADC ( DAC ) cu un singur canal la multicanal, apariția unor noi standarde pentru magistralele de interfață și modulele sistemelor informatice încorporate, întârziere în îmbunătățirea procesoarelor de semnal digital ( DSP ) de la microprocesoarele universale, progres în dezvoltarea circuitelor integrate logice programabile în câmp ( FPGA ) de tip FPGA . În consecință, în dezvoltarea bazei de elemente specificate în raport cu primirea CAR-urilor, pot fi distinse în mod condiționat patru perioade [10] .
Tehnologiile primei dintre ele sunt asociate cu utilizarea ADC -urilor cu un singur canal și implementarea prelucrării semnalului digital în canalele de recepție folosind microcircuite individuale de [10], registre etc.sumatori în 1989-1992 (vezi foto).
A doua perioadă se datorează apariției primelor calculatoare industriale și interfețe transversale ale standardelor ISA și PCI , când a devenit posibilă utilizarea propriului modul DSP pentru fiecare canal de recepție , delimitând constructiv segmentele digitale și analogice ale CAR. [8] [10] [33] [40] . Cu toate acestea, nevoia de sincronizare strânsă a procesării semnalului digital primar în toate canalele de recepție ale CAR ne-a forțat să abandonăm modulele DSP în viitor , înlocuindu-le cu module special concepute cu FPGA -uri de tip FPGA .
A treia perioadă în dezvoltarea bazei de elemente este asociată cu trecerea la utilizarea standardului CompactPCI și cu utilizarea cipurilor ADC cu 4 și 8 canale în modulele de procesare a semnalului digital multicanal [8] [10] [33] [ 34] [40] . Principiile sale principale au fost integrarea maximă a procesării digitale cu instalarea pe o placă în format 6U a până la 32 de canale de conversie a semnalului analog-digital și procesarea stratificată corespunzătoare a eșantioanelor de ieșire ale acestora în mai multe, apoi într-un singur FPGA . În același timp, a existat o tranziție către modulele integrate de procesare a semnalului analogic. În cazurile în care a fost adecvat, pentru o astfel de integrare s-au folosit cipuri de amplificator analogic multicanal, în alte cazuri, integrarea a fost realizată prin combinarea constructivă a mai multor module de recepție (până la 4 - 8) într-o singură unitate cu un cablaj comun pentru alimentare, control. semnale, semnale ale oscilatorului local și un conector multicanal pentru comunicarea cu un bloc digital (vezi foto).
Actuala, a patra perioadă este caracterizată de scalarea soluțiilor din generația anterioară pentru a utiliza module de computer și interfețe ale standardelor PCI Express . În acest caz se pot aplica standardele CompactPCI Serial , CompactPCI tehnologică,OpenVPX,PlusIO [41] . De asemenea, vorbim despre încorporarea cipurilor ADC și FPGA în blocuri de receptoare de semnal multicanal bazate pe tehnologiile LTCC și analogii săi. Tranziția la standardul OpenVPX , în ciuda tuturor problemelor asociate cu acesta, vă permite să creșteți semnificativ rata de transfer de date, reducând timpul de procesare a acestora.
În Rusia, sunt produse o serie de circuite integrate pentru construcția CAR. Microcircuitul sintetizator digital 1508PL8T este destinat utilizării în calea de transmisie . Acest cip implementează funcțiile de sinteză a unui semnal de sondare complex (inclusiv chirp și alte tipuri de modulație) în bandă largă (până la 800 MHz), introducând predistorsiunea amplitudine-fază și conversia digital-analogic. Există, de asemenea, instrumente de sincronizare pentru a asigura funcționarea ca parte a CAR.
În calea de recepție, este posibil să se utilizeze un receptor digital cu patru canale 1288XK1T, care selectează și preprocesează digital semnalele primite de la ADC [42] . O soluție foarte eficientă este blocul de conversie a semnalului analog-digital pe 16 canale al PKK Milandr JSC, care conține șaisprezece ADC-uri pe 14 biți K5101NV01 , procesoare de semnal digital K1967VN04 și FPGA pentru procesarea digitală preliminară a probelor ADC , inclusiv decimarea și decimarea acestora. filtrare . [43] .
O descriere detaliată a opțiunilor posibile pentru implementarea hardware a procesării semnalului digital în CAR este V.I.Slyusarluipublicațiileînprezentată
O caracteristică a acestei etape este, de asemenea, trecerea la utilizarea pe scară largă a tehnologiilor radiofotonice în Republica Centrafricană.
Inițial, ideea utilizării tehnologiilor radio-fotonice în CAR a fost redusă la cablarea cu fibră optică a impulsurilor de ceas ADC pe întregul set de canale de recepție. În acest caz, pentru a declanșa ADC , impulsurile optice trebuiau convertite în semnale video de ceas folosind fotodetectoare. [25] . Această abordare face posibilă, de exemplu, simplificarea transmiterii semnalelor de ceas ADC prin îmbinări de contact rotative de la echipamentul fix al platformei purtătoare la o rețea de antene digitale rotative.
În prezent, dezvoltarea radiofotonicii face posibilă utilizarea interfeței cu fibră optică și pentru transferul semnalelor radio primite de elementele de antenă ale CAR [46] [47] . În primul rând, la ieșirea receptorului analogic, semnalul radio de bandă largă modulează purtătorul optic și, înainte de a fi alimentat la ADC , are loc conversia inversă, semnalul radio fiind restabilit pentru digitizarea lui ulterioară. Operațiuni similare cu formarea optică a semnalelor radio pot fi utilizate și în transmiterea CAR -urilor [47] .
CAR-urile radiofotonice sunt baza radarelor radiofotonice . În plus, tehnologiile radio-fotonice pot fi implementate în interfețele interne ale CAR-urilor următoarei generații de stații de bază de comunicații celulare 5G și 6G . Pentru a lucra cu abonații din emisfera superioară (comunicare cu multe vehicule aeriene fără pilot , transmisie de date la bordul aeronavelor cu pilot, comunicare cu sateliți pe orbită joasă), numărul de elemente de antenă ale sistemelor Massive MIMO va fi de câteva sute. Pentru a simplifica implementarea hardware și a reduce costul unor astfel de DAC-uri multicanal, utilizarea interfețelor cu fibră optică multimod în ele ca un fel de radiofotonică este singura alegere rezonabilă nu numai pentru recepția de semnale, ci și pentru transmisia de date.
Acest tip de CAR este o combinație între un reflector oglindă și un CAR situat în planul său focal . Acest design face posibilă obținerea unui model de radiație cu mai multe căi într-un sector spațial îngust. [48] .
Giraffe AMB [8] - radar la Le Bourget Airshow 2007
Stația radar Voronezh-M ( Lekhtusi ). Preocuparea dezvoltatorului „RTI Systems”
Radar AN / TPY-2 complex THAAD
CAPTOR-E, DSEI -2019
Radar AMDR AN / SPY-6 (tehnologie digitală de formare a fasciculului [49] )
CAR este utilizat în sistemele de comunicații celulare care implementează tehnologia MIMO [3] (Massive MIMO).
Tehnologia CAR este utilizată în sistemele hidroacustice ( sonare ) și instrumente de diagnosticare cu ultrasunete [50] [51] .
ALOKA SSD-3500SV (256 de canale)