MIMO雷達(dá)射頻系統(tǒng)的構(gòu)建挑戰(zhàn)和關(guān)鍵特性

MIMO雷達(dá)之系統(tǒng)演進(jìn)

多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)雷達(dá)把無線通信系統(tǒng)中的多輸入多輸出技術(shù)引入到雷達(dá)領(lǐng)域，并和數(shù)字陣列技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新體制雷達(dá)，由于采用了波形分集技術(shù)，使得MIMO雷達(dá)擁有許多傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)所無法比擬的優(yōu)越性。

例如，美國海軍阿利·伯克級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦裝備的一種主動(dòng)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，名為AN/SPY-6，也被稱為“最強(qiáng)宙斯盾之眼”。MIMO技術(shù)作為其關(guān)鍵技術(shù)之一，可以同時(shí)監(jiān)測和識(shí)別多個(gè)空中和導(dǎo)彈目標(biāo)。

具體而言，AN/SPY-6雷達(dá)系統(tǒng)由多個(gè)“雷達(dá)模塊組件”組成，每個(gè)組件包含一個(gè)4x4的MIMO子陣列，通過將不同數(shù)量和形狀的組件拼接在一起，可以形成適應(yīng)各種艦艇和任務(wù)的雷達(dá)天線。使得AN/SPY-6雷達(dá)系統(tǒng)具備了更高的靈敏度、分辨率、覆蓋范圍和抗干擾能力。鑒于此，SPY-6也是美國海軍第一臺(tái)真正具有可擴(kuò)展性的雷達(dá)。

對比此類大型艦載射頻系統(tǒng)，基于MIMO雷達(dá)的靈活性和可擴(kuò)展性，還可以根據(jù)不同應(yīng)用場景和需求，設(shè)計(jì)出不同規(guī)模和形態(tài)的射頻系統(tǒng)。例如基于MIMO射頻系統(tǒng)構(gòu)建的軟件定義的、可移植的小型化無人機(jī)任務(wù)載荷。

隨著MIMO技術(shù)在合成孔徑雷達(dá)（SAR）中的應(yīng)用，無人機(jī)載荷也被賦予了更多的能力，近年來，一種采用MIMO-SAR模式的無人機(jī)載下視3D成像雷達(dá)系統(tǒng)引起了關(guān)注，這是一種專門為小型無人機(jī)設(shè)計(jì)的輕量級(jí)3D成像雷達(dá)系統(tǒng)，它結(jié)合了多輸入多輸出(MIMO)、數(shù)字波束形成和合成孔徑雷達(dá)技術(shù)，不僅能夠進(jìn)行目標(biāo)檢測和參數(shù)估計(jì)，還能夠進(jìn)行目標(biāo)跟蹤和識(shí)別等任務(wù)，完全適應(yīng)了無人機(jī)在各種環(huán)境下的應(yīng)用需求。面對高性能、低功耗、便攜式射頻系統(tǒng)需求的日益增加，這種集多通道系統(tǒng)收發(fā)與小型化產(chǎn)品形態(tài)于一體的射頻系統(tǒng)也正在被迫切需要。

MIMO系統(tǒng)之構(gòu)建挑戰(zhàn)

綜上所述，MIMO系統(tǒng)以其多功能、高性能的技術(shù)優(yōu)勢，逐漸被集成應(yīng)用于不同領(lǐng)域和不同規(guī)模的射頻系統(tǒng)中，但在提升了系統(tǒng)整體能力的同時(shí)，此類系統(tǒng)的構(gòu)建及驗(yàn)證測試的復(fù)雜性也被同步提升。

挑戰(zhàn)

在當(dāng)今日益復(fù)雜的電磁環(huán)境中，多通道是MIMO射頻系統(tǒng)的優(yōu)勢，也是其面臨的基本問題，因?yàn)樗枰叩?a target="_blank">信號(hào)處理和傳輸帶寬，相應(yīng)的對系統(tǒng)算力和總線帶寬的要求也更高，同時(shí)還要考慮超寬帶信號(hào)引入的進(jìn)一步性能要求；

從技術(shù)層面上看，MIMO系統(tǒng)采用多通道輸入輸出架構(gòu)，系統(tǒng)中各個(gè)射頻通道需要相干變頻，并針對數(shù)字信號(hào)做有效處理及分析，勢必會(huì)需要多通道中頻采樣的高精度同步；

這種多通道架構(gòu)相比傳統(tǒng)的單通道架構(gòu)SISO，通道數(shù)量的倍增也使得系統(tǒng)的復(fù)雜度增加了許多，系統(tǒng)的體積和重量都會(huì)增加很多倍，很難滿足對便攜性要求更高的現(xiàn)場測試需求；

另外，由于硬件的高度定制化，還會(huì)進(jìn)一步增加軟件定義的復(fù)雜度，系統(tǒng)面臨不易擴(kuò)展、難以重構(gòu)、缺乏靈活性等問題。

MIMO系統(tǒng)構(gòu)建之模塊化解決方案

針對上述MIMO射頻系統(tǒng)構(gòu)建的難點(diǎn)，模塊化的PXIe平臺(tái)成為了非常有效的解決方案。專注于軟件化射頻系統(tǒng)的立思方公司以一系列單槽寬的高密度PXIe上下變頻模塊產(chǎn)品設(shè)計(jì)了一套MIMO射頻系統(tǒng)解決方案，頗具特點(diǎn)。

該方案以PXIe總線為基礎(chǔ)，內(nèi)置超寬帶變頻模塊、本振頻率源模塊、PXIe IF收發(fā)儀以及MIMO軟件套件，構(gòu)建了多功能、可重構(gòu)、易擴(kuò)展的MIMO系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的本振頻率源配合超寬帶變頻模塊能夠?qū)崿F(xiàn)高至20GHz頻率、2GHz瞬時(shí)帶寬的射頻信號(hào)的同步收發(fā)，并且能保證優(yōu)秀的雜散抑制、相位噪聲和幅度平坦度。PXIe IF中頻收發(fā)模塊將前端模塊采集輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并傳輸至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算與顯示。此外，該系統(tǒng)還支持利用MATLAB和Python進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)一步提高了用戶的自由度和系統(tǒng)擴(kuò)展的靈活性，且能夠適應(yīng)不同的硬件需求和應(yīng)用場景。

關(guān)鍵特性

其中，承擔(dān)著影響系統(tǒng)射頻性能的關(guān)鍵角色—射頻通道尤為重要，系統(tǒng)中使用到的射頻前端即是立思方的一款超寬帶、多通道的PXIe變頻模塊，頻段覆蓋范圍支持50MHz~18GHz，且可擴(kuò)展至20GHz頻率范圍，擁有****最高2GHz瞬時(shí)帶寬，支持2通道發(fā)射或2通道接收，最多可在單個(gè)4U PXIe機(jī)箱內(nèi)集成16x16收發(fā)通道，并支持10MHz參考時(shí)鐘和外部本振以實(shí)現(xiàn)多通道相參同步能力。

01超寬帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)對MIMO信號(hào)收發(fā)和處理

通道數(shù)量和信號(hào)帶寬的急劇增加使得MIMO系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)需要被同時(shí)采集或者發(fā)送。立思方研制的PXIe系列超寬帶雙通道變頻模塊，滿足2GHz的瞬時(shí)帶寬，這對改善多目標(biāo)情況下的分辨率、提高測量精度、判定目標(biāo)屬性等有重要作用；另外，在PXIe總線系統(tǒng)提供最高24GB/s數(shù)據(jù)吞吐能力，利用立思方的PXIe GPU，可構(gòu)成FPGA+GPU+CPU的異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)，也可以為射頻系統(tǒng)的算力提供更強(qiáng)有力的支持。

02優(yōu)秀雜散抑制和低相位噪聲應(yīng)對精確信號(hào)捕獲

定時(shí)和同步對于多通道雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)測量精度至關(guān)重要，需要各通道間保持穩(wěn)定的相位偏移，這就要求測試設(shè)備擁有高精度的性能指標(biāo)。該系列PXIe超寬帶雙通道變頻模塊具備-60dBc的雜散抑制能力，在1kHz、10kHz、100kHz頻偏處的相位噪聲分別可以做到優(yōu)于-95dBc/Hz、-105dBc/Hz以及-115dBc/Hz。

03多通道相參應(yīng)對多通道信號(hào)同步性問題

仿真和測試諸如MIMO的多天線系統(tǒng)，需要測試系統(tǒng)能夠提供多路具有確定性頻率和幅度的信號(hào)，并且要求這些信號(hào)之間具有穩(wěn)定的、可調(diào)的相位關(guān)系。立思方自研的系列PXIe變頻模塊，支持外部10MHz參考時(shí)鐘和本振輸入，可利用IF模塊支持ps級(jí)高精度同步，實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)的相干采集和發(fā)射，適用于多通道干涉儀測向及DBF波束賦形系統(tǒng)的構(gòu)建要求。

04超外差結(jié)構(gòu)保障優(yōu)異的射頻性能

超外差體系結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是性能更優(yōu)秀的接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過選擇合適的中頻和濾波器，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的射頻性能。該系列PXIe變頻模塊，基于超外差結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)勢，配合多種可選擇的瞬時(shí)帶寬（400MHz、1GHz、1.2GHz、2GHz）為用戶豐富選擇，滿足不同應(yīng)用需求。

05模塊化開源開發(fā)拓展MIMO系統(tǒng)

對于研究和使用MIMO系統(tǒng)的用戶來說，微小的功能變化都可能對應(yīng)不同的硬件配置，加之高通道數(shù)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，變更和升級(jí)硬件系統(tǒng)都是對成本的極大挑戰(zhàn)，這就要求設(shè)備具有可擴(kuò)展能力和開源開發(fā)的可能性。PXIe系統(tǒng)以其高性能、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)，為用戶提供了硬件層面的擴(kuò)展，同時(shí)搭配立思方專研的弦豐軟件套件以及為二次開發(fā)所提供的開放式API接口，用戶可進(jìn)行功能的自定義，真正實(shí)現(xiàn)軟件定義能力，無限拓展你的MIMO系統(tǒng)。