現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的功率和復(fù)雜性正在飛速增長(zhǎng)。這些系統(tǒng)提供的能力在短短幾年前是無法想象的。此外,不斷地開發(fā)意味著這些系統(tǒng)將為傳感應(yīng)用帶來革命性的變化。然而,要充分利用這些最先進(jìn)的技術(shù),必須克服數(shù)據(jù)帶寬這個(gè)瓶頸。
數(shù)字波束成形
波束成形是一種信號(hào)處理技術(shù),采用相控陣天線,在傳輸或接收過程中提供定向信號(hào)。這意味著你可以控制信號(hào)(或多個(gè)信號(hào))的方向,而不需要實(shí)際移動(dòng)天線。
波束成形可以通過模擬、數(shù)字或混合技術(shù)來完成。數(shù)字波束成形使用計(jì)算密集型的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)算法來控制從天線陣列發(fā)送和接收的信號(hào)。
與模擬技術(shù)相比,數(shù)字波束成形技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn),包括簡(jiǎn)化射頻集成電路(RFIC)設(shè)計(jì),并通過將波束成形的操作轉(zhuǎn)移到數(shù)字領(lǐng)域來實(shí)現(xiàn),獲得更好的可擴(kuò)展性。這對(duì)提供形成波束模式的靈活性和支持多個(gè)平行數(shù)據(jù)流至關(guān)重要。在雷達(dá)應(yīng)用中,這意味著來自多個(gè)方向的信號(hào)可以同時(shí)被監(jiān)測(cè)和測(cè)量。數(shù)字波束成形在處理干擾方面也要好得多。例如,如果一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)受到來自敵對(duì)來源的干擾,數(shù)字波束成形可以使其無效,適應(yīng)自己的波束模式以完成任務(wù)。
瓶頸問題
數(shù)字波束成形提供了模擬或混合波束成形方法根本無法實(shí)現(xiàn)的能力。它的瓶頸是大量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)必須在天線陣列和計(jì)算(處理器)陣列之間來回傳遞。
數(shù)字波束成形通過簡(jiǎn)化RFIC前端電路使天線陣列系統(tǒng)擴(kuò)展到更高的頻率,即毫米波(mmWave)。使用毫米波有多種優(yōu)勢(shì)。除了支持更高的帶寬外,其更短的波長(zhǎng)意味著更多的天線可以更緊密地排列在一起。這意味著,由于更高的保真度和分辨率,雷達(dá)陣列可以監(jiān)測(cè)更多的目標(biāo),和更小的目標(biāo)。
然而,這也導(dǎo)致了一個(gè) "雙重打擊" -- 隨著帶寬的增加,樣本的數(shù)量也在增加,而隨著波長(zhǎng)的減少,天線的數(shù)量可以更密集地排列。所有這些都導(dǎo)致了帶寬密度需求的二次增長(zhǎng)。反過來,這就要求在天線陣列和計(jì)算陣列之間(也包括計(jì)算陣列內(nèi)部的處理元件之間)有一個(gè)新的互連解決方案。
解決辦法
顯而易見的解決方案是使用光傳輸機(jī)制,因?yàn)楣饣ミB提供了高帶寬、低延遲和低功耗的互連,并且能夠抵抗電磁干擾(EMI)。然而,僅僅把現(xiàn)有的設(shè)備(CPU、DSP、FPGA、ASIC、RFIC等)用外部光互連來增強(qiáng)是不夠的。為了實(shí)現(xiàn)盡可能高的傳輸速度和帶寬,需要將光互連納入器件的封裝內(nèi)部。
共封裝的光I/O可以使芯片與芯片之間的通信距離非常廣泛,從幾毫米到幾千米。這為新的相控陣?yán)走_(dá)架構(gòu)打開了豐富的可能性,如尺寸、重量和功率(SWaP)友好的分解實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)實(shí)世界里面,這些可能性的例子如下。
航空航天。以飛機(jī)上的雷達(dá)為例,傳感器陣列可以安裝在機(jī)頭和機(jī)翼頂端,共封裝光學(xué)I/O可用于將數(shù)據(jù)從陣列中的RFIC芯片直接傳送到位于飛機(jī)中部的計(jì)算陣列。結(jié)合來自多個(gè)廣泛分布的傳感器的數(shù)據(jù),可以提供更大的視場(chǎng)(FoV)和更高的分辨率。
地面和海上雷達(dá)的部署。共封裝光學(xué)I/O能夠?yàn)閼?zhàn)區(qū)互聯(lián)等最終用途提供分解的傳感和處理。聚集來自多個(gè)分布式傳感陣列的數(shù)據(jù)可提供更完整的整體圖像,從而最大限度地提高態(tài)勢(shì)感知度。
搜索和救援。共封裝光學(xué)I/O有利于增加同步光束的數(shù)量,從而大大改善空間覆蓋。反過來,這也增加了檢測(cè)的概率,并減少了找到遇險(xiǎn)者或處于緊迫危險(xiǎn)中的人所需的時(shí)間。
AyarLabs開發(fā)了TeraPHY?共封裝光學(xué)I/O小芯片(chiplets),其他設(shè)備(CPU、GPU、FPGA、ASIC、RFIC等)的設(shè)計(jì)者可以在他們的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)模塊中嵌入這些小芯片。這些小芯片由AyarLabs的SuperNova?先進(jìn)光源來配合使用(圖1)。
圖1. TeraPHY共封裝光學(xué)I/O芯片和SuperNova光源釋放了新的數(shù)字波束成形架構(gòu)的潛力
TeraPHY小芯片和SuperNova光源的結(jié)合將顛覆數(shù)字波束成形應(yīng)用的傳統(tǒng)性能、成本和效率曲線,與傳統(tǒng)的銅基電氣互連技術(shù)相比,它能以十分之一的功耗提供高達(dá)1000倍的帶寬密度。
新聞來源:逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化
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