Формирование когерентных по фазе сигналов по 12 каналам с помощью системы AWG

Введение

Последнее поколение генераторов сигналов произвольной формы поддерживает синхронизацию до 12 когерентных по фазе каналов, одновременно обеспечивая превосходное значение SFDR, фазового шума и полосы в каждом канале. Когерентность фазы достигается при одновременном сохранении гибкости генерирования сигнала. Каждый из 12 каналов позволяет:

• Применять мощный секвенсор для генерации многоканальных сигналов и продления времени воспроизведения.
• Применять потоковую передачу данных в комбинации с функциями сжатия и восстановления сигналов, что дополнительно увеличивает время воспроизведения.
• Применять цифровое преобразование с повышением частоты, реализованное в специализированной ИМС генератора, для прямого генерирования сигналов ПЧ-диапазона.

Параметры каждого канала можно настраивать отдельно, при этом всю систему из 12 синхронных каналов AWG можно запускать и синхронизировать внешним сигналом с точностью фазы отдельных каналов до нескольких пикосекунд. Можно создать когерентную по фазе 12-канальную систему AWG, которая поддерживает потоковую передачу данных из внешнего RAID-массива или твердотельных накопителей (SSD) в каждый отдельный канал. Модулирующие сигналы или, альтернативно, сигналы ПЧ-диапазона можно генерировать в каждом из 12 каналов. В статье описаны преимущества когерентной по фазе системы AWG, которая позволяет тестировать и разрабатывать многоканальные РЛС.

Традиционный подход

Быстродействующие генераторы сигналов произвольной формы (AWG) имеют обычно не более двух каналов, а некоторые — даже один. Чтобы построить систему, состоящую из четырех и более каналов, нужно синхронизировать несколько AWG (рис. 1). Это значит, что разность задержки запуска одного канала AWG по отношению к любому каналу другого AWG не должна превышать нескольких пикосекунд. Для создания когерентных по фазе сигналов в двух и более генераторах очень часто нужен внешний осциллограф для калибровки фазовых сдвигов между AWG. И хотя такой подход вполне осуществим, он очень неудобен и обладает определенными ограничениями:

Рис. 1. Синхронизация по фазе с помощью внешнего осциллографа

• Для измерения и компенсации задержки между разными AWG необходим дорогостоящий внешний высокоскоростной осциллограф.
• Такую калибровку зачастую приходится выполнять после каждого выключения и включения питания системы или даже после изменения частоты.
• Калибровку приходится выполнять вручную или с помощью внешних коммутаторов.
• На калибровку уходит очень много времени.
• Для многих AWG этот подход ограничен четырьмя, а иногда даже двумя каналами.

Синхронизация по фазе с помощью модуля синхронизации

Для устранения задержек между несколькими AWG можно использовать не внешний осциллограф, а специальный модуль синхронизации. На рис. 2а показана типичная схема синхронизации четырех каналов AWG с частотой дискретизации 12 Гвыб./с. А на рис. 2б приведена схема синхронизации 12 каналов AWG с частотой дискретизации 12 Гвыб./с. Это дает следующие преимущества:

• Не требуется внешний осциллограф.
• При калибровке не нужно вручную подключать кабели и использовать матричный коммутатор.
• Погрешность задержки после выключения и включения питания не превышает одной пикосекунды.

Рис. 2. Синхронизация фаз с помощью интегрированного модуля:
а) четырех каналов;
б) 12 каналов

Калибровка на системном уровне

На рис. 3 показана упрощенная схема фазированной антенной решетки. Расстояние d между элементами антенны может составлять несколько миллиметров, и иногда эти элементы могут располагаться внутри одной ИМС (интегральной микросхемы). Но порой расстояние между элементами антенны может достигать 1 км. Общая проблема описанной конфигурации заключается в обеспечении минимальной задержки между каналами, подающими сигнал на элементы антенны. Приведенный ниже пример показывает, что для достижения максимальной точности приходится компенсировать даже разницу в длине кабеля от AWG до элементов антенны.

Рис. 3. Фазированная антенная решетка

Предположим, что h = 10 км, d = 1 м, а задержка между каналами равна 10 пс. Результирующая погрешность угла составит 0,04°, что приведет к погрешности положения ~8 м для объекта, находящегося на расстоянии 10 км. Если нам нужна большая точность, то можно выполнить калибровку антенной решетки. Один из способов калибровки заключается в том, что приемник устанавливают в фиксированной точке над антенной решеткой, а затем фазу между элементами антенны регулируют так, чтобы обеспечить максимальный уровень в точке приема. Для этого нужен AWG, позволяющий регулировать задержку с очень мелким шагом. Используя в данном примере AWG с шагом установки задержки 50 фс, можно откалибровать угол с разрешением 0,003°.

Потоковая подача когерентных по фазе сигналов

Новейшие AWG оборудованы памятью сигнала объемом в несколько гигавыборок. В сочетании с функцией формирования последовательностей это позволяет решить многие задачи. Если приложение не допускает предварительного расчета импульсов и последующего их воспроизведения, а требует расчета в реальном времени на основе внешних событий, то в таком случае необходимо использовать потоковую передачу импульсов из управляющего ПК в AWG.

На рис. 4а показана схема потоковой подачи сигнала из внешнего RAID-массива во все четыре канала AWG. В этой схеме все четыре канала используют общий канал PCIe. Поскольку импульсы РЛС хорошо поддаются сжатию и восстановлению внутри AWG, то эта схема пригодна для загрузки импульсов с очень широкой полосой. Подробная информация приведена в статье «Методы сжатия данных для потоковой подачи импульсов РЛС с максимально широкой полосой» [2]. Если необходима максимально широкая полоса, то можно использовать схему, показанную на рис. 4б. В этом случае для каждого канала AWG используется отдельный ПК и отдельный RAID-массив.

Рис. 4. Потоковая передача данных в четыре канала AWG:
а) из одного ПК;
б) из четырех ПК

Заключение

Технологии определения направления прихода сигнала (DOA) или РЛС с синтезированной апертурой (SAR) обычно требуют применения когерентных по фазе сигналов в четырех и более каналах генератора сигналов произвольной формы с точностью задержки в пределах нескольких фемтосекунд. AWG последнего поколения поддерживают генерирование когерентных по фазе сигналов, которые не нужно калибровать с помощью внешнего осциллографа. При необходимости можно использовать потоковую передачу данных из внешнего носителя или алгоритмическую генерацию данных в управляющем ПК.