主動電掃描陣列 (AESA) 雷達是當今先進武器係統的關鍵組成 ， 特別是機載作戰係統。而其體係結構的未來發展將超越最初的軍事應用
，延伸到地球物理測繪、汽車輔助駕駛、自動車輛、工業機器人和增強現實等領域：實際上
， 這包括任何需要對大量的傳感器數據進行調理，融合到模型中進行判決的應用。

 

隨著 AESA 體係結構的擴展 ， 它們將突破雷達信號處理專業應用 ， 延伸到其他應用中。在外部應用中
，這些設計會遇到典型的嵌入式設計流程：以 CPU 和軟件為中心的，基於 C 的以及與硬件無關的。benwenzhong，womenjiangjieshaoxianjindesaomiaozhenlieleida，congjingyanfengfudeleidaxinhaochulizhuanjiadejiaoduyijichuantongdeqianrushixitongshejirenyuandejiaodulaiyanjiuqitixijiegou。

 

 

掃sao描miao陣zhen列lie和he傳chuan統tong移yi動dong盤pan式shi雷lei達da的de不bu同tong在zai於yu天tian線xian。掃sao描miao陣zhen列lie並bing沒mei有you采cai用yong熟shu悉xi的de連lian續xu旋xuan轉zhuan拋pao物wu線xian天tian線xian，而er是shi在zai大da部bu分fen係xi統tong中zhong采cai用yong了le平ping麵mian靜jing止zhi天tian線xian。陣zhen列lie並bing不bu是shi有you一yi個ge單dan元yuan聚ju 焦在反射器上
，而是有數百上千個單元，每個單元都有自己的收發器模塊。係統電子電路處理每一單元信號的振幅和相位 ， 形成雷達波束和接收方向圖並聚焦 ， 設置定義總天線方向圖的幹涉方向圖。

 

這一方法避免了采用大量的移動部件，支持雷達實現傳統天線采用物理方法無法獲得的功能，例如
，瞬 時改變波束方向
，發送和接收同時有多個天線方向圖，或者把陣列分成多個天線陣，完成多項功能 —— 也(ye)就(jiu)是(shi)，根(gen)據(ju)地(di)形(xing)搜(sou)索(suo)目(mu)標(biao)，同(tong)時(shi)跟(gen)蹤(zong)目(mu)標(biao)。這(zhe)些(xie)方(fang)法(fa)隻(zhi)需(xu)要(yao)在(zai)發(fa)送(song)器(qi)增(zeng)加(jia)一(yi)些(xie)信(xin)號(hao)
，在(zai)每(mei)一(yi)接(jie)收(shou)器(qi)將(jiang)信(xin)號(hao)分(fen)開(kai)。重(zhong)疊(die)是(shi)一(yi)種(zhong)很(hen)好(hao)的(de)方(fang)法(fa)。

 

一個完整的係統從CPU簇傳輸到天線，然後再返回 ( 圖 1 ) 。 一開始處理時，軟件控製的波形發生器產生係統要發送的啁啾。取決於應用

，降噪、多普勒處理和隱身的需求會對信號有所損傷。

圖 1 .一個非常簡化的 AESA 係統結構圖。

 

波(bo)形(xing)發(fa)生(sheng)器(qi)將(jiang)信(xin)號(hao)送(song)到(dao)聚(ju)束(shu)網(wang)絡(luo)中(zhong)。在(zai)這(zhe)裏(li)，信(xin)號(hao)被(bei)連(lian)接(jie)至(zhi)每(mei)一(yi)發(fa)送(song)通(tong)道(dao)。在(zai)這(zhe)一(yi)級(ji)，數(shu)字(zi)複(fu)用(yong)器(qi)在(zai)通(tong)道(dao)上(shang)應(ying)用(yong)振(zhen)幅(fu)權(quan)重(zhong)來(lai)實(shi)現(xian)空(kong)間(jian)濾(lv)波(bo)，對(dui)波(bo)形(xing)整(zheng)形(xing)。這(zhe)一(yi)步(bu)也(ye)可(ke)以(yi) 稍後再做。在很多設計中
，每一通道的信號現在會通過一個數模轉換器 (DAC) ，然後輸入到模擬 IF 和 RF 上變頻器中。 RF 上變頻後，信號到達獨立的發送器模塊

，附加上相移或者時延，調整振幅 ( 如果在基帶沒有做 ) ，最終進行濾波和放大。

 

一yi開kai始shi，接jie收shou到dao的de信xin號hao實shi際ji上shang通tong過guo與yu反fan方fang向xiang相xiang同tong的de通tong路lu
，在zai後hou端duan要yao進jin行xing更geng多duo的de處chu理li。在zai每mei一yi個ge天tian線xian單dan元yuan，限xian幅fu器qi和he帶dai通tong濾lv波bo器qi保bao護hu了le低di噪zao聲sheng放fang大da器qi。放fang大da器qi驅qu動dong RF 下變頻器，可以結合模擬放大和調相功能。信號從 IF 級傳輸到基帶，每一天線單元的信號到達其模數轉換器 (ADC) 。ranhou，jushumokuaibatianxianxinhaozhongxinzuhechengyiluhuozheduolufushushujucaiyangliu，meiyishujuliudaibiaolelaizimouyijieshouboshudexinhao。zhexiexinhaoliutongguodazhankongbideshuzixinhaochuli (DSP) 電路，進一步調理數據，進行多普勒處理
，嚐試從噪聲中提取出實際信號。

 

在(zai)很(hen)多(duo)設(she)計(ji)中(zhong)
，大(da)部(bu)分(fen)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)工(gong)作(zuo)是(shi)以(yi)模(mo)擬(ni)方(fang)式(shi)完(wan)成(cheng)的(de)。但(dan)是(shi)，隨(sui)著(zhe)數(shu)字(zi)速(su)度(du)的(de)提(ti)高(gao)

，功(gong)耗(hao)和(he)成(cheng)本(ben)的(de)降(jiang)低(di)，數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)器(qi)與(yu)天(tian)線(xian)靠(kao)的(de)越(yue)來(lai)越(yue)近(jin)。 Altera 應用專家 Colman Cheung 建議了一個理想的係統
，直接從 DAC 驅動天線單元。但是， 2013 年，這類設計在技術上還無法實現
，特別是， trans-GHz RF 。

 

目前可以把數據轉換器放在 IF 中，進行 IF 頻率轉換，所有基帶處理工作都是數字化的 ( 圖 2 ) 。 keyizaijidaijushuwangluozhong，yishuzifangshizaitianxiandanyuanzhijianchanshengganshefangxiangtudeshiyan
，meiyigetianxiandanyuanbingbuxuyaomonixiangyiqihuozheyanshixian。zhezhonghuafenfangfazhichi DSP 設計人員把發送和接收通路分解成分立的功能 —— 乘法器、濾波器、用於延時的 FIFO ，以及加法器，在 MATLAB 中對其進行建模，從庫中實現它們。可以把要求最苛刻的功能放到專門開發的 ASIC 、 FPGA 或者 GPU 芯片中，而把要求不太高的運算分組成 DSP 芯片或者加速器中的代碼。

圖 2 .把數據轉換器放到 IF 級的最後。

 

需要特別注意信號從聚束網絡出來後的接收鏈信號處理 ， 這是因為其存儲器和處理需求會非常大 ， 涉及到的動態範圍非常寬 —— 從幹擾發射器輸入到搜索探測範圍的每一邊沿。會需要高精度浮點硬件，還需要更強的處理能力。

 

在其最後級

，有目的的對接收鏈進行修改並實現。通過其濾波、聚(ju)束(shu)和(he)脈(mai)衝(chong)壓(ya)縮(suo)級(ji)，鏈(lian)的(de)任(ren)務(wu)是(shi)從(cong)噪(zao)聲(sheng)中(zhong)提(ti)取(qu)出(chu)信(xin)號(hao)，特(te)別(bie)是(shi)那(na)些(xie)可(ke)能(neng)承(cheng)載(zai)了(le)環(huan)境(jing)中(zhong)實(shi)際(ji)目(mu)標(biao)信(xin)息(xi)的(de)信(xin)號(hao)。然(ran)後(hou)，重(zhong)點(dian)從(cong)信(xin)號(hao)轉(zhuan)向(xiang)它(ta)們(men)所(suo)代(dai)表(biao)的(de)目(mu)標(biao)，任(ren)務(wu)的(de)本(ben)質(zhi)發(fa)生(sheng)了(le)改(gai)變(bian)。

 

從信號到目標
 

脈(mai)衝(chong)壓(ya)縮(suo)是(shi)這(zhe)一(yi)抽(chou)象(xiang)過(guo)程(cheng)的(de)開(kai)始(shi)。在(zai)時(shi)間(jian)域(yu)或(huo)者(zhe)頻(pin)域(yu)，脈(mai)衝(chong)壓(ya)縮(suo)器(qi)一(yi)般(ban)通(tong)過(guo)自(zi)相(xiang)關(guan)找(zhao)到(dao)有(you)可(ke)能(neng)含(han)有(you)發(fa)送(song)啁(zhou)啾(jiu)的(de)波(bo)形(xing)。然(ran)後(hou)，它(ta)采(cai)用(yong)脈(mai)衝(chong)目(mu)標(biao)來(lai)表(biao)示(shi)這(zhe)些(xie)波(bo)形(xing) —— 含有到達時間
、頻率和相位以及其他相關數據的數據包。從這裏開始，接收鏈會處理這一數據包而不是接收到的信號。

 

下 一步一般是多普勒處理。首先
，脈衝被送入方格陣列中( 圖 3 ) 。zaizhenliezhong
，meiyiliehanyoucongmouyifasheqizhoujiufanhuidemaichong。zhenliezhonghuiyouhenduolie，zhequjueyuxitongnenggouchengshouduodadeyanshi。zhenliezhongdexingbiaoshifanhuiqiehuanshijian：距離陣列的 x 軸越遠，發射器啁啾和接收脈衝到達時間之間的延時就越大。這樣
，延時方格也代表了與某一脈衝反射的目標的距離。

圖 3 .多普勒處理方格。

 

把一係列啁啾脈衝置入到正確的方格中後 ， 多普勒處理程序水平移動數據 —— 觀察從一個目標返回的脈衝隨時間的變化 
， 提ti取qu出chu相xiang對dui速su度du和he目mu標biao頭tou部bu信xin息xi。這zhe一yi處chu理li方fang法fa需xu要yao很hen大da的de環huan形xing緩huan衝chong
，無wu論lun某mou一yi多duo普pu勒le算suan法fa一yi次ci能neng夠gou處chu理li多duo少shao方fang格ge
，緩huan衝chong都dou能neng夠gou容rong納na所suo有you的de方fang格ge。

先xian進jin係xi統tong在zai陣zhen列lie中zhong增zeng加jia了le另ling一yi個ge維wei度du。通tong過guo把ba天tian線xian劃hua分fen成cheng子zi陣zhen列lie
，係xi統tong可ke以yi同tong時shi發fa送song多duo個ge波bo束shu
，然ran後hou，使shi用yong相xiang同tong的de多duo旁pang瓣ban天tian線xian方fang向xiang圖tu設she置zhi接jie收shou器qi進jin行xing監jian聽ting。或huo者zhe
，係xi統tong 通過聚束或者使用合成孔徑方法來掃描波束。現在
，當裝入壓縮後的脈衝時
，係統建立一個三維方格陣列：一個軸上是發送脈衝，第二個是返回延時，第三個是波束 方位( 圖 4 ) 。現在
，對於每一路脈衝，我們有兩維或者三維方格陣列，同時表示距離和方向 —— 表示物理空間。這種存儲器的排列是空時自適應處理 (STAP) 的起點。

圖 4 .多維方格為STAP建立矩陣。

 

這一術語可以解釋為 ：“ 空時” ， 數據組在 3D 空間統一了目標的位置 ， 含有與目標相關的啁啾時間。之所以是“自適應”
，是因為算法從數據中獲得自適應濾波。

 

概 念上，實際情況也是如此，構成自適應濾波器是一個矩陣求逆過程：這一數據要與哪一矩陣相乘，得到噪聲中隱藏的結果 ? 據Altera資深技術營銷經理Michael Parker，推測的隱藏方向圖信息可能來自多普勒處理過程發現的種子

，從其他傳感器采集的數據，或者來自智能數據。運行在 CPU 下遊的算法把假設的方向圖插入到矩陣方程中，解出能夠產生預期數據的濾波函數。

 

很顯然
，在這一點，計算負載非常大。反變換算法需要的動 態範圍要求進行浮點計算。對於戰鬥環境中一個實際的中等規模係統
，必須實時進行處理，Parker估算了STAP負載會達到幾個 TFLOPS 。在采用了低分辨率、窄動態範圍的係統中，實時性要求並不高

，例如
，簡單的汽車輔助駕駛係統或者合成孔徑映射係統等，這一負載會顯著減小。

 

從 STAP ，信息進入到通用CPU中zhong，複fu雜za但dan是shi數shu字zi計ji算suan量liang小xiao，軟ruan件jian嚐chang試shi對dui目mu標biao進jin行xing分fen類lei，構gou建jian環huan境jing模mo型xing，估gu算suan威wei脅xie所suo在zai，或huo者zhe告gao訴su操cao作zuo員yuan，或huo者zhe直zhi接jie采cai取qu緊jin急ji措cuo施shi。在zai這zhe一yi點dian，我wo們men不bu但dan在zai信xin號hao處chu理li域yu處chu理li信xin號hao
，而er且qie還hai進jin入ru了le人ren工gong智zhi能neng領ling域yu。

 

從一名經驗豐富的雷達係統設計師的角度看，我們還隻是膚淺的了解了 AESA 戰鬥雷達。這一參考方法把網絡看成是相對靜態的 DSP 鏈
，都連接至STA 模塊，其本身是軟件受控的矩陣算術單元。除此之外
，從 DSP 專家的角度看，是一組 CPU 內核。

 

作(zuo)為(wei)對(dui)比(bi)，汽(qi)車(che)或(huo)者(zhe)機(ji)器(qi)人(ren)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)會(hui)從(cong)完(wan)全(quan)不(bu)同(tong)的(de)角(jiao)度(du)看(kan)係(xi)統(tong)。從(cong)嵌(qian)入(ru)式(shi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)的(de)角(jiao)度(du)看(kan)，係(xi)統(tong)隻(zhi)是(shi)一(yi)大(da)段(duan)軟(ruan)件(jian)，有(you)一(yi)些(xie)非(fei)常(chang)專(zhuan)用(yong)的(de) I/O 器qi件jian，以yi及ji需xu要yao進jin行xing加jia速su的de某mou些xie任ren務wu。有you經jing驗yan的de雷lei達da信xin號hao工gong程cheng師shi考kao慮lv到dao信xin號hao處chu理li和he通tong用yong硬ying件jian的de相xiang對dui規gui模mo
，可ke能neng會hui對dui這zhe一yi方fang法fa不bu屑xie一yi顧gu。很hen顯xian然ran，機ji載zai多duo功gong能neng雷lei達da的de數shu 據速率
、靈活性和動態範圍要求采用專用 DSP 流水線以及大量的本地緩衝才能完成實時處理。但是對於有幾個天線單元的不同應用，簡單的環境、更短的距離和較低的分辨率
，以 CPU 為中心的觀點帶來了一些有意思的問題。

 

萊斯大學的 Gene Frantz 教授提出的第一個問題是，定義真實環境的 I/O 。第二個問題是選擇 CPU 。 Frantz 注意到
，“很少隻有一個 CPU 。更常見的是異構多處理係統。” Frantz 建議這一方法不從 MATLAB 中的 DSP 函數開始，而是從 C 語言中描述的完整係統開始。然後，以 CPU 為中心的設計人員不是定義設計中 DSP 和 CPU 域之間的硬件邊界，而是“不斷優化並加速 C 代碼。”

 

實際結果可能與以 DSP 為中心的方法完全不同。例如

，以 CPU 為中心的方法一開始假設在一片通用 CPU 上執行所有工作。如果速度不夠快，這一方法轉向多片 CPU ，共享一個分層的連續存儲器。隻有當多核不足以完成任務時
，這一方法才轉向優化的硬件加速器。

 

相似的，以 CPU 為wei中zhong心xin的de設she計ji從cong假jia設she一yi個ge統tong一yi的de存cun儲chu器qi開kai始shi。它ta為wei每mei一yi個ge處chu理li器qi分fen配pei連lian續xu高gao速su緩huan存cun，為wei加jia速su器qi分fen配pei本ben地di工gong作zuo存cun儲chu器qi。它ta開kai始shi時shi並bing不bu假jia設she任ren何he硬ying件jian流liu水shui線xian
，也ye不bu把ba任ren務wu混hun合he映ying射she到dao硬ying件jian資zi源yuan上shang。

 

在(zai)要(yao)求(qiu)最(zui)嚴(yan)格(ge)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)
，同(tong)一(yi)個(ge)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)可(ke)能(neng)會(hui)同(tong)時(shi)采(cai)用(yong)兩(liang)種(zhong)體(ti)係(xi)結(jie)構(gou)方(fang)法(fa)。幾(ji)乎(hu)每(mei)一(yi)任(ren)務(wu)嚴(yan)格(ge)的(de)帶(dai)寬(kuan)和(he)計(ji)算(suan)需(xu)求(qiu)都(dou)導(dao)致(zhi)采(cai)用(yong)專(zhuan)用(yong)硬(ying)件(jian)流(liu)水(shui)線(xian)和(he)存(cun)儲(chu)器(qi)例(li)化(hua)。要(yao)求(qiu)大(da)幅(fu)度(du)降(jiang)低(di)功(gong)耗(hao)可(ke)能(neng)會(hui)迫(po)使(shi)做(zuo)出(chu)采(cai)用(yong)高(gao)精(jing)度(du)數(shu)字(zi)方(fang)法(fa)的(de)決(jue)定(ding)
，這(zhe)使(shi)得(de)在(zai)任(ren)務(wu)之(zhi)間(jian)共(gong)享(xiang)硬(ying)件(jian)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)複(fu)雜(za)。

 

精度是 Frantz 強調的一點。他指出，“把有效位數減少一半使您能夠將性能提高一個量級。”為降低功耗，您可以對以上這些做出犧牲或者部分犧牲。 

 

Frantz 指出了關於模擬 / 數字邊界的問題。他說：“我們需要重新考慮模擬信號處理。三十年以前，我們開始告訴係統設計人員隻要做好數據轉換就行，我們采用數字方法完成其他所有工 作。但是實際上，在 8 位分辨率，模擬和數字方法大概是相同的。模擬是不是更好一些 ? 這取決於在您的係統中，‘更好''的含義是什麼。”

 

地 球物理測繪或者自動陸地車輛係統使用的合成孔徑雷達等窄帶係統會采用與戰鬥雷達完全不同的體係結構。它可以使用模擬濾波器、上變頻器 / 下變頻器以及聚束功能來完成一個寬帶存儲器係統的所有後續處理工作，還使用具有浮點加速器和動態負載均衡功能的多個異構處理器 ( 圖 5 ) 。

圖 5 .一個理想的低性能AESA係統。

 

對信號處理任務進行可視化處理
， 使其在軟件中完成 ， 係統設計人員獲得了新的運行時選擇 ， 例如 ， 在任務之間移動處理資源

， 關斷不需要的處理器 
， 盡早修改算法 ，以便響應數據碼型
， 或者運行多種算法 ， 查看哪一種能夠得出最佳結果。

 

AESA 雷lei達da係xi統tong不bu但dan為wei研yan究jiu實shi現xian策ce略lve提ti供gong了le豐feng富fu的de環huan境jing
，而er且qie還hai提ti供gong了le方fang法fa來lai研yan究jiu有you大da量liang信xin號hao的de係xi統tong。這zhe些xie有you源yuan陣zhen列lie分fen布bu在zai軍jun事shi等deng多duo種zhong設she計ji應ying用yong中zhong，所suo以yi
，不bu應ying該gai局ju限xian在zai傳chuan 統tong的de嵌qian入ru式shi設she計ji思si路lu中zhong。因yin此ci
，對dui於yu完wan全quan不bu同tong的de需xu要yao大da量liang信xin號hao的de領ling域yu要yao有you新xin思si路lu，這zhe包bao括kuo信xin號hao智zhi能neng和he網wang絡luo安an全quan等deng應ying用yong。這zhe是shi值zhi得de注zhu意yi的de領ling域yu。