WYBRANE ASPEKTY REALIZACJI RADARU PROGRAMOWEGO Czesław LEŚNIK Adam KAWALEC Jerzy PIETRASIŃSKI Tomasz RAPACKI Instytut Radioelektroniki, Wydział Elektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna ul. Gen. Sylwestra KALISKIEGO 2; 00-908 Warszawa 49 Streszczenie Artykuł dotyczy tzw. radaru programowego, wykorzystującego w swojej strukturze rozwiązanie odbiornika cyfrowego. Rozwiązanie takie stanowi nowoczesne podejście do problemu projektowania i budowy urządzeń telekomunikacyjnych, wnoszące nową jakość w porównaniu z klasycznym rozwiązaniem z odbiornikiem analogowym. Naszkicowano aspekt teoretyczny wiążący się z projektowaniem odbiornika cyfrowego oraz przytoczono kilka przykładów urządzeń, które obecnie można umownie nazwać radarami programowymi. 1. Wstęp Ciągły postęp w dziedzinie układów cyfrowego przetwarzania sygnałów, zarówno w sensie ich chrakterystyk jak i niezawodności powoduje, że są one coraz chętniej oraz coraz szerzej stosowane w wielu urządzeniach. Dotyczy to również radarów. Informacje na ten temat spotyka się pod takimi hasłami jak Software Defined Radio, Software Defined Receiver oraz Software Radar. Proces zmian realizacji torów przetwarzania sygnałów radarowych w znaczeniu ich cyfryzacji, jest wyraźną oraz ciągłą tendencją. Warto w tym miejscu dodać, że radary projektowane i konstruowane w Polsce dorównują w ww. aspekcie wyrobom przodujących firm światowych. Jednym z dowodow na to, że krajowym zespołom udaje się utrzymywać w światowej czołówce jest to, iż już w roku 1995 przebadano w Polsce koncepcje cyfrowego przetwarzania sygnałów, które dzisiaj nazywa się przetwarzaniem programowym [1]. W punkcie 2 niniejszego artykułu scharakteryzowano istotę odbiornika programowego. Punkt 3 zawiera opis radaru programowego, którego najważniejszym fragmentem jest odbiornik programowy. 1
2. Istota odbiornika programowego Przystępując do opisu istoty odbiornika programowego, trzeba najpierw krótko scharakteryzować najważniejsze właśiwości klasycznego odbiornika analogowego (rys. 1). Tamże RF oraz IF oznaczają odpowiednio: RF Radio Frequency; częstotliwość radiowa (wcz) IF Intermediate Frequency; częstotliwość pośrednia. Z rys. 1 wynika, iż z bogatego widma sygnału wcz drogą przemiany częstotliwości wydobywany jest sygnał o częstotliwości wcz (przeniesiony na pcz) o szerokości widma określonym przez szerokość pasma układów przemiany. RF f RF f IF do układów IF demodulator przetwarzania f h heterodyna lokalna f h =f RF -f IF f f IF f RF Rys. 1. Klasyczny odbiornik analogowy Istotę pracy odbiornika cyfrowego (programowego) zilustrowano na rys. 2. W porównaniu ze schematem odbiornika analogowego, pojawia się tutaj kilka nowych układów, a w tym: translator RF będący pomocniczym układem przemiany, dopasowującym parametry sygnału do możliwości układu konwersji A-C ADC Analog to Digital Converter; uklad konwersji analogowo cyfrowej DDS Digital Direct Synthesis; uklad bezpośredniej syntezy cyfrowej LPF Low Pass Filter; filtr dolnopasmowy /dolnoprzepustowy DSP Digital Signal Processor; układ przetwarzania cyfrowego. 2
odbiornik cyfrowy RF translator RF ADC LPF demodulator (DSP) zegar DDS do układów przetwarzania f h =f RF f 0 f RF Rys. 2. Odbiornik cyfrowy Warto zwrócić uwagę na to, że ze względu na zastosowanie techniki podpróbkowania, istotna jest nie tylko maksymalna częstotliwość próbkowania, ale również i pasmo konwertera AC. Po konwersji AC widmo sygnału cyfrowego jest widmem okresowym o okresie zegara próbkującego. Istnieje możliwość wyboru okresu widma, które w układzie mnożenia podlega przesunięciu do pasma podstawowego. Najważniejszym fragmentem wszystkich odbiorników programowych jest tzw. odbiornik cyfrowy składający się z trzech zasadniczych elementów: heterodyny w postaci cyfrowego oscylatora lokalnego (technika bezpośredniej syntezy cyfrowej DDS), dokonującego przesunięcia widma sygnału o częstotliwość równą częstotliwości sygnału heterodyny cyfrowego mieszacza składającego się z dwóch cyfrowych układów mnożących w układzie kwadratury dolnopasmowego filtru decymacyjnego (LPF), którego zadaniem jest wybór interesującego fragmentu widma i obniżenie częstotliwości próbkowania sygnału, co pozwala ograniczyć wymagania na parametry czasowe dalszych układów przetwarzania. 3
Należy zaznaczyć, że odbiornik cyfrowy występuje generalnie w dwóch wariantach: jako odbiornik szerokopasmowy (pasmo rzędu megaherców i więcej), w którym dolnoprzepustowy filtr decymacyjny posiada współczynnik decymacji od dwóch do kilkunastu - kilkudziesięciu; rolę filtru decymacyjnego pełnią najczęściej tzw. filtry półpasmowe typu FIR (bardzo oszczędne implementacyjnie); szerokopasmowy wariant odbiornika cyfrowego jest klasycznym przykładem odbiornika cyfrowego w zastosowaniach radarowych, jako odbiornik wąskopasmowy (pasmo rzędu od kilkuset herców do kilkudziesięciu set kiloherców), w którym dolnoprzepustowy filtr decymacyjny posiada współczynnik decymacji od kilkudziesięciu do kilkudziesięciu tysięcy; rolę filtru decymacyjnego na ogół pełnią filtry grzebieniowe (tzw. CIC) połączone z klasycznymi filtrami typu FIR. Nie ulega wątpliwości, że w miarę rozwoju technologii konwersja AC będzie odbywać się na coraz wyższej częstotliwości. Oznacza to zbliżanie się procedur cyfrowego przetwarzania sygnałów do systemu antenowego. 3. Radar programowy Pojawienie się określenia RADAR PROGRAMOWY nie zaskakuje. Stanowi to bowiem rezultat długotrwałego procesu rozwoju układów cyfrowego przetwarzania sygnałów, który w pewnym momencie spowodował przejście zmian ilościowych w jakościowe. W ogólnym przypadku radar programowy powinien charakteryzować się ucyfrowieniem zarówno części systemu nadawczego jak i odbiorczego. W szczególnym przypadku można twierdzić, że radar programowy to taki, który posiada odbiornik programowy. Koncepcja radaru programowego zilustrowana jest na rys. 3. 4
SYSTEM NADAWCZY Układy b.w.cz. A / C Cyfrowe układy generacji sygnałów SYSTEM ANTENOWY N / O SYSTEM ODBIORCZY System zarządzania zasobami oraz zadaniami radaru Układy wejściowe b.w.cz. A / C Cyfrowe układy przetwarzania sygnałów oraz danych Informacje wyjściowe Głowica b.w.cz. Układy konwersji Radar programowy Rys. 3. Istota radaru programowego 5
Radar programowy obejmuje układy, które znajdują się: przed etapem konwersji C/A w SYSTEMIE NADAWCZYM - układy cyfrowej syntezy sygnałów prostych, - układy cyfrowej syntezy sygnałów złożonych, za etapem konwersji A/C w SYSTEMIE ODBIORCZYM - filtracji sygnałów (w tym i kompresji), - detekcji, - estymacji parametrów echa, - inicjacji oraz śledzenia tras wykrytych obiektów. Zasadność rozwoju prac nad radarem programowym wynika z niewątpliwych jego zalet, które są następujące: duża podatność na modyfikacje polegające na wprowadzaniu relatywnie tanich zmian w oprogramowaniu, duża elastyczność (wielowariantowość rodzajów pracy) wiążąca się z rozbudową oprogramowania, radar programowy może być podczepiany do różnych głowic b.w.cz. (w sensie systemów nadawczo antenowo odbiorczych) poprzez konwertery C/A oraz A/C, podatność na rozbudowę o nowe funkcje, rozwiązanie sprzyjające obniżeniu kosztów radaru m. in. w rezultacie pełnego wykorzystania układów typu Commercial of the Shelf (COTS), skalowalność rozwiązania. Konsekwentny rozwój koncepcji oraz aplikacji radaru programowego jest konieczny chociażby z uwagi na rosnące wciąż oczekiwania dotyczące współczesnych radarów. Powinny one bowiem posiadać cechy radaru cichego (LPI = Low Probability of Intercept), a ponadto mają wykrywać oraz śledzić obiekty typu LOT (Low Observable Target). Akronim LOT oznacza obiekty o małej skutecznej powierzchni odbicia, które rzeczywiście są małe (np. bezpilotowe statki latające BSL), albo są to obiekty typu stealth lub stealthy. Spełnienie ww. oczekiwań z uwzględnieniem faktu, iż radary z reguły pracują w warunkach zakłóceń, powoduje niezwykłą komplikację algorytmów przetwarzania sygnałów w czasie rzeczywistym (jedna podstawa czasu), od impulsu do impulsu, od obrotu do obrotu itd. Praktyczna realizacja ww. zadań metodami analogowymi byłaby absolutnie niemożliwa. Jedynym rozwiązaniem jest cyfryzacja procesów przetwarzania prowadząca do odbiornika programowego, a w konsekwencji do radaru programowego. Komentarzem do ww. stwierdzeń może być problematyka dwuwymiarowego przetwarzania sygnału radarowego zilustrowana na rys. 4. 6
sondowanie 1 sondowanie 2 sondowanie 3 sondowanie N przetwarzanie w wierszach (wzdłuż podstawy czasu) filtracja dopasowana (kompresja) pierścienie odległościowe filtracja dopplerowska w kolumnach Rys. 4. Dwuwymiarowe przetwarzanie sygnału echa radarowego Pod pojęciem dwuwymiarowego przetwarzania sygnałow należy tutaj rozumieć przetwarzanie dwuetapowe czyli najpierw w kolejnych podstawach czasu, a nastepnie w pierścieniach odległości. W ramach tych etapów realizuje się nastepujące procedury: 1 etap: filtracja dopasowana (kompresja impulsu z uwzględnieniem tłumienia czasowych listków bocznych) ciągu próbek sygnału wzdłuż podstawy czasu; realizacja tego zadania możliwa jest zarówno w dziedzinie czasu (filtr FIR) lub w dziedzinie częstotliwości (algorytm szybkiego splotu z wykorzystaniem FFT) 2 etap: filtracja dopplerowska (tłumienie zakłóceń stałych); analizowana jest określona liczba (paczka/segment, blok) wierszy (sondowań) wzdłuż ustalonej pozycji odległościowej (pierścień, kolumna); liczba wierszy (długość bloku) zależy od założonego czasu obserwacji; analiza dla każdego pierścienia dokonywana jest oddzielnie; w trakcie przetwarzania wykorzystywane są procedury FFT 3 etap: detekcja (wykrycie obiektu) na podstawie danych z kilku bloków. 4. Przykłady rozwiązań Poniżej przedstawione zostaną wybrane rozwiązania radarów, które umownie można określić mianem programowych. Umownie dlatego, ponieważ nie ma ścisłej definicji radaru programowgo, natomiast koncepcyjnie takie urządzenie powinno odpowiadać idei zilustrowanej na rys. 3. Jednym z ciekawszych radarów jest niewątpliwie MESAR Multifunction Electronically Scanned Adaptive Radar (rys. 5) [1]. 7
Rys. 5. Schemat blokowy oraz widok instalacji o nazwie MESAR [1] Podstawowe właściwości MESAR a można ująć następująco: aktywny, fazowany szyk antenowy (moduły nadawczo-odbiorcze Tx/Rx, GaAs) adaptacyjne cyfrowe kształtowanie wiązki odbiorczej (DBF oraz ABF); (DBF = Digital Beam Forming; ABF = Adaptive Beam Forming) szeroki zakres zmian częstotliwości nośnej, okresu powtarzania oraz czasu trwania sygnału sondującego cyfrowa generacja sygnału sondującego adaptacyjne, programowe przetwarzanie sygnałów i danych (DAP - Distributed Array Processor, przetwarzanie równoległe) cyfrowa kompresja sygnału komputerowe sterowanie wszystkimi funkcjami i zasobami radaru. Korzyści jakie wynikają z możliwości realizowania funkcji ABF zilustrowano na rys. 6 [1]. Właściwości kolejnych generacji modułów nadawczo odbiorczych stanowiących zasadniczy element anteny aktywnej, pokazano na rys. 7 [1]. Rys. 6. Ilustracja istoty adaptacyjnego cyfrowego kształtowania wiązki antenowej 8
Moduł nadawczo-odbiorczy 1-szej generacji liczba kanałów 1 moc w impulsie 2W współczynnik wypełnienia 30% sterowanie przesuwnika fazy 4 bity chłodzenie powietrzem zintegrowany układ sterowania transmisja światłowodowa Moduł nadawczo-odbiorczy 2-giej generacji liczba kanałów 4 moc w impulsie na kanał 10 W szerokość względna pasma (S) 20 % sterowanie przesuwnika fazy 6 bitów chłodzenie powietrzem Rys. 7. Charakterystyka modułów nadawczoodbiorczych 1-szej oraz 2-giej generacji Mając na uwadze prowadzone w kraju prace, które można nazwać początkiem badań nad radarem programowym, należy stwierdzić, że zaczęły się one u progu lat 90 tych [2]. W Przemysłowym Instytucie Telekomunikacji zaowocowały one nowatorskimi rozwiązaniami w radarach TRS-15 oraz TRC-20 (rys. 8 oraz rys. 9). 9
Rys. 8. Radar TRC 20 Rys. 9. Radar TRS 15 Na rys. 10 oraz na rys. 11 pokazano schematy blokowe projektowane zgodnie z koncepcją radaru programowego. System antenowy kanał sumy Blok przetwarzania sygnałów w kanale różnicy N / O kanał różnicy Blok przetwarzania sygnałów w kanale różnicy System nadawczy Blok kojarzenia wykryć oraz estymacji parametrów wykrytych obiektów wykrycia, parametry Blok detekcji Blok sterowania oraz zarządzania zasobami radaru Blok śledzenia wykrytych obiektów informacje o śledzonych trasach Rys. 10. Ogolny schemat blokowy radaru 10
progi kanał sumy kanał różnicy Układy konwersji AC Cyfrowa konwersja widma Cyfrowa kompresja sygnału Sekwencyjny adaptacyjny bank filtrów dopplerowskich Detektor sekwencyjny Układ kojarzenia wykryć oraz ekstrakcja parametrów obiektów wykrycia, parametry Rys. 11. Schemat blokowy sekwencyjnego adaptacyjnego układu typu MTD Dla ścisłości trzeba dodać, że schemat funkcjonalny przedstawiony na rys. 11 odbiega od zrealizowanego w prototypie, gdyż odstąpiono od cyfrowej realizacji filtru kompresji, wnoszącej zupełnie nową jakość do techniki radiolokacyjnej oraz zrezygnowano z aplikacji detekcji sekwencyjnej. W podobny sposób prowadzono prace w CNPEP RADWAR, czego efekty pokazano na rys. 12 i 13. Rys. 12. Radar LOARA 11
Rys. 13. Radar LOARA (cd) 12
5. Podsumowanie Temat Software Radar jest obecnie jednym z najważniejszych oraz perspektywicznych zadań w technice radarowej na świecie. Świadczy o tym spora ilość fachowych publikacji oraz poświęconych tylko tej problematyce konferencji. Znamienny jest tez fakt, że w SET Panel / RTO / NATO utworzono grupę roboczą zajmująca się właśnie tą problematyką: SET 074 / RTG 42 Investigation of Software Radar Concept. Należy oczekiwać, że w miarę postępu technologii przesuwać się będzie coraz bliżej w kierunku do anteny punkt, w którym dokonywana będzie konwersja sygnału na postać analogową w torze nadawczym oraz postać cyfrową w torze odbiorczym. W tym miejscu trzeba odnotować rosnące znaczenie techniki układów programowalnych FPGA (Field- Programmable Gate Arrays) oraz wysokopoziomowych języków opisu sprzętu, np. VHDL (Very (High Speed Integrated Circuit) Hardware Description Language), w implementacji algorytmów radaru programowego. Na zakończenie warto odnotować, że zespół z Instytutu Radioelektroniki (IRE) WAT posiada duże doświadczenie w ww. problematyce w rezultacie twórczego udziału w pracach wykonywanych na zamówienie krajowych JBR (etapy: opracowania koncepcji, algorytmów przetwarzania sygnałów oraz danych, badania symulacyjne zaproponowanych rozwiązań). Zespół z IRE WAT realizuje aktualnie tematykę związaną z opracowaniem oraz implementacją zaawansowanych algorytmów przetwarzania sygnałów radarowych w strukturach FPGA. Powyższe prace prowadzi się w oparciu o dysponowaną sprzętowoprogramową platformę SDR (Software Defined Radio) klasy COTS firmy SUNDANCE. Charakterystyka tego pakietu SDR firmy SUNDANCE jest nastepująca: SMT310Q - karta nośna standardu PCI podstawowe cechy: możliwość zainstalowania do czterech modułów standardu TIM, połączenia międzyprocesorowe za pomocą portów komunikacyjnych programowa, rekonfigurowana tablica połączeń międzyportowych, 1MB pamięci SRAM współdzielonej z komputerem nadrzędnym, wbudowany w kartę kontroler JTAG, wbudowany w kartę mostek PCI, komunikacja z komputerem nadrzędnym poprzez PCI z prędkością 60-100MB/s SMT370 - podwójny szybki moduł wejścia wyjścia ADC/DAC podstawowe cechy: standard modułu TIM, dwa 14-bitowe przetworniki ADC o maksymalnej częstotliwości próbkowania 105MHz, podwójny 16-bitowy przetwornik DAC o maksymalnej częstotliwości próbkowania 400MHz (częstotliwość interpolowana), 32Mb (1Mx4 bajty) szybkiej pamięci typu ZBTRAM o częstotliwości pracy do 160 MHz, dwa porty o maksymalnej szybkości transmisji do 200 MB/s, dwa porty komunikacyjne o szybkości transmisji do 20 MB/s, wbudowane precyzyjne, wysokostabilne źródło sygnału zegarowego, układ FPGA Xilinx Viretx-II XC2V1000, 13
SMT 365E moduł DSP/FPGA podstawowe cechy: standard modułu 2xTIM, procesor sygnałowy TMS320C6416 firmy Texas Instruments (600MHz), układ FPGA Xilinx Viretx-II XC2V6000, sześć portów komunikacyjnych o szybkości transmisji 20MB/s, pamięć SDRAM: 256MB, 100MHz, pamięć flash ROM: 4MB (kod programu dla TMS320C6416 oraz dane konfigurujące dla układu FPGA), cztery szybkie 16 bitowe porty komunikacyjne typu SHB. Literatura 1. Folder firmowy radaru MESAR 2. Brenner T., Goca J., Grzonkowski B., Leśnik Cz., Oczkoś K., Pietrasiński J., Pikielny J.; KONCEPCJA ROZWIAZANIA TORU WYKRYWANIA I ESTYMACJI W RADARZE Z ESPW ORAZ DETEKCJĄ SEKWENCYJNĄ; Jurata 1995. 14