Test av radarsystem med tekniker som DOA, ”direction of arrival” och SAR (”syntetic apperture radar”) kräver mycket rena och faskoherenta signaler med anpassade vågformer.

För att generera radarsignaler krävs det en källa med stort spuriosfritt område (SFDR, Spurious Free Dynamic Range) och mycket hög bandbredd. Vågformsgeneratorer för generiska vågformer (AWG, Arbitrary Waveform Generators) klarar av att generera radarsignaler med 12 eller 14 bit upplösning. Denna höga upplösning är förutsättningen för att uppnå ett SFDR på upp till -80 dBc. Förutom hög upplösning måste D/A-omvandlaren ha samplingshastigheter upp till 8 GSa/s, eller till och med 12 GSa/s, för att uppnå bandbredder upp till 5 GHz.
2-dimensionella, och särskilt 3-dimensionella radarsystem, använder ofta en fasstyrd antenn (”phase array antenna”) i kombination med tekniker som ”direction of arrival” (DOA) eller syntetisk apperturradar (SAR, Syntetic Apperture Radar). För att testa mottagare för DOA och SAR behöver man inte bara generera mycket rena signaler med högsta bandbredd på en kanal utan också flera kanaler.

12 synkrona kanaler
Senaste generationen av AWG tillåter synkronisering av upp till 12 faskoherenta AWG-kanaler samtidigt som man uppnår överlägsna prestanda vad gäller SFDR, fasbrus och bandbredd på varje kanal. Systemet medger faskoherens med flexibel möjlighet till att generera formbara signaler på varje individuell kanal. Var och en av kanalerna tillåter följande:
* Kraftfulla möjligheter finns för att generera multikanalscenarier med utökade speltiden.
* Speltiden kan ytterligare sträckas ut genom att använda dataströmning i kombination med möjligheter till datakompression och dekompression.
* Det är möjligt att blanda upp signaler i en ASIC som ingår i AWG för att direkt kunna generera mellanfrekvenssignaler.
Medan varje kanal tillåter full flexibilitet i fråga om individuell konfigurering kan hela AWG-systemet med sina 12 kanaler startas och triggas externt med en noggrannhet av några få pikosekunders tidintervall, mätt över de individuella kanalerna. Det är möjligt att bygga faskoherenta 12-kanalers AWG-system där man kan strömma data från yttre RAID-system eller halvledardiskar (SSD, Solid State Drives) till varje enskild kanal. Basbandsignaler, eller alternativt mellanfrekvenssignaler, kan genereras på var och en av de tolv kanalerna. Denna artikel beskriver fördelen med faskoherenta AWG-system som möjliggör test och utveckling av multikanals radarsystem.

Traditionell sätt
De snabbaste AWG-generatorerna är ofta begränsade till två kanaler. Vissa AWG har till och med bara en kanal. För att bygga ett system med fyra eller fler kanaler måste flera AWG synkroniseras. Det betyder att tidsskillnaden inte får vara större än några ps mätt mellan en AWG-kanal till någon av de andra kanalerna. Faskoherenta signaler mellan två eller fler generatorer kräver ofta ett yttre oscilloskop för att kalibrera fasskillnaden mellan AWG. Generellt sett är detta möjligt att göra, men det är besvärligt att hantera och har uppenbara begränsningar:
* Ett yttre, dyrbart och snabbt oscilloskop behövs för att mäta och sedan kompensera för fördröjningen mellan olika AWG.
* Denna kalibreringsprocedur måste oftast göras efter varje effektcykel av testsystemet, eller när systemfrekvensen ändras.
* Kalibreringsproceduren kräver manuell återkalibrering, eller att yttre reläer används, för att genomföra kalibreringen.
* Proceduren är mycket tidsödande.
* För många AWGer begränsar det här förfarandet till fyra kanaler och ibland bara två kanaler.

Fig 1. Faskalibrering med hjälp av ett yttre oscilloskop.

Faskalibrering med synkroniseringsmodul
I stället för att använda ett yttre oscilloskop kan en synkroniseringsmodul användas för att genomföra en kalibrering av försdröjningstiden mellan olika AWGer. Fig 2 visar en typisk konfiguration för att synkronisera fyra 12 GSa/s AWG-kanaler. Fig 3 visar en konfiguration för att synkronisera tolv 12 GSa/s AWG-kanaler. Fördelarna är:
* Inget yttre oscilloskop behövs.
* Ingen manuell kalibrering eller relämatris behövs för att genomföra en kalibreringsprocedur.
* Osäkerheten i fördröjningen från effektcykel till effektcykel är mindre än 1 ps.

Fig 2. Faskalibrering görs här över fyra kanaler genom att använda den inbyggda synkroniseringsmodulen.

Fig 3. Faskalibrering av 12 kanaler kan genomföras med den inbyggda synkroniseringsmodulen.

Kalibrering på systemnivå
Fig 4 visar en förenklad uppkoppling av en fasstyrd antenn. Avståndet d mellan antennelementen kan variera inom fem millimeter, en distans som ibland ligger inom en integrerad krets. Ibland kan avståndet mellan antennelement vara upp till 1 km.
En generell utmaning i den beskrivna konfigurationen är att se till att fördröjningen mellan olika kanaler, som matar antennen, är så små som möjligt. Följande exempel visar att även variationer i kabellängder från AWG till antennelementet måste kompenseras för att ge högsta noggrannhet.
Antag att h = 10 km, d = 1 m och att fördröjningen mellan kanalerna är 10 ps. Resultatet är ett vinkelfel av 0,04° vilket resulterar i lokaliseringsfel av objektet av 8 m på 10 km distans.
I de fall man måste ha ännu bättre upplösning än 8 m måste systemet förbättras kan man utföra en systemkalibrering av antennmatrisen. En möjlighet är att använda en mottagare på ett fast avstånd ovanför den fasade antennen och ändra fasen mellan de två antennelementen till dess att maximal effekt uppnås i mottagaren. Detta kräver en AWG som möjliggör en justering av fördröjningen med mycket hög upplösning. Genom att använda en AWG med 50 femtosekunders upplösning blir det möjligt att kalibrera en vinkel med en upplösning av 0,003° i det givna exemplet.

Fig 4. Fasstyrd antenn.

Strömma faskoherenta vågor
Senaste AWG erbjuder ett minnen som rymmer flera  Gigasamples. I kombination med sekvensmöjligheter blir de flesta applikationer möjliga. I det fall radarpulserna inte kan förberäknas och återuppspelas, men som måste beräknas i realtid på basis av yttre händelser, blir det nödvändigt att strömma radarpulser från den PC som styr mätningen till AWG.
Fig 5 visar konfigurationen för att strömma från ett yttre RAID-minne till alla fyra kanalerna i en AWG. I denna konfiguration delar alla fyra kanaler samma PCIe-länk. Eftersom radarpulserna är tillgängliga för att kunna komprimeras och dekomprimeras inuti AWG kan denna konfiguration användas för att ladda ned radarpulser med mycket hög bandbredd. Se fler detaljer i referensartikeln ”Data compression Methodes to Stream Highest Bandwith Radar Pulses” [2].
Om maximal bandbredd behövs bör man välja den konfiguration som visas i fig 6. I detta fall har varje AWG en egen PC med tillhörande RAID.

Fig 5. Strömning från en PC till fyra AWG-kanaler.

Fig 6. Strömning från fyra PC till fyra AWG.

Faskoherent lösning
För att generera faskoherenta signaler för ”direction of arrival” (DOA) och syntetisk aperturradar (SAR) krävs det vanligen fyra eller fler AWG-kanaler med en fördröjningsnoggrannhet under några pikosekunder.
Den senaste generationens AWG kan ge faskoherenta signaler utan att behöva ta hjälp av ett yttre oscilloskop för kalibrering. Om det så behövs kan man strömma vågformer från en yttre minnesenhet eller från en PC som genererar beräkningsdata.

[1] Beate Höhne, “Digital Up Conversion VS IQ modulation using a wideband Arbitrary Waveform Generator” IEEE Xplore 06334570, September 2011.

[2] Michael May, “Data Compression Methods to Stream Highest Bandwidth Radar Pulses” IEEE Xplore, September 2013.

Filed under: Matteknik