Generatori di segnali agili ad elevata integrazione

L’ingegnerizzazione efficiente degli apparati per la guerra elettronica richiede la generazione di segnali di test che rappresentino accuratamente e fedelmente l’ambiente di battaglia in termini di spettro elettromagnetico. In particolare, la simulazione di ambienti multiemettitore rappresenta una parte essenziale di una validazione realistica. Attualmente questi ambienti dove sono presenti molteplici emettitori di segnali elettromagnetici, vengono simulati tramite ingombranti e complessi sistemi realizzati appositamente ed impiegati durante le fasi di qualifica e validazione degli apparati elettronici. Questi sistemi non sono facilmente accessibili da parte dei progettisti che si occupano di attività di ricerca e sviluppo. Una nuova classe di “generatori di segnali agili” offre una soluzione altamente integrata in un singolo strumento. Sebbene questi strumenti non possano raggiungere le stesse potenzialità di un sistema dedicato, sono tuttavia in grado di simulare adeguatamente un ambiente multiemettitore, dal quale si possono ricavare moltissime informazioni, soprattutto durante la fase iniziale del processo di sviluppo, quando la flessibilità di progetto e la produttivita sono più elevate. Il generatore di segnali agile è basato sulla sintesi digitale diretta o Dds (Direct digital synthesis) rendendo così possibile mantenere la coerenza di fase a tutte le frequenze e in tutti gli istanti di tempo. Inoltre, questi strumenti hanno la capacità di essere programmati mediante le parole di descrizione degli impulsi. Questi modelli possono essere anche sincronizzati tramite il segnale di riferimento comune a 6 GHz del generatore Dds, un segnale Rf esterno o dei simboli di riferimento per simulare l’angolo di arrivo in configurazione master/slave. Grazie a queste funzionalità, il generatore di segnali agile permette l’esecuzione di simulazioni sperimentali estremamente accurate.

Simulazioni accurate di ambienti multiemettitore
Oggi lo spettro radio contiene fino a decine e centinaia di minacce radar che producono milioni di impulsi radar al secondo. La simulazione di questo ambiente rappresenta una sfida notevole, in particolare nella fase di progettazione. Nel progetto degli apparati per la guerra elettronica, la densità e l’estensione dell’intervallo di frequenze dell’ambiente rendono impossibile simulare molteplici sorgenti con un unico generatore di segnali convenzionale (ad esempio basato su Pll a banda frazionaria) e diventa poco pratico anche l’impiego di un limitato numero di generatori, in quanto non è possibile cambiare le loro impostazioni in modo sufficientemente veloce. La creazione di uno spettro molto denso richiede la capacità di simulare molte sorgenti con un unico generatore. Quando si richiede una densità ancora maggiore o di simulare anche l’angolo di arrivo, la soluzione è l’impiego di molteplici generatori sincronizzati, ciascuno che simula numerose sorgenti. La capacità di simulare molteplici sorgenti a frequenze diverse dipende da pochi attributi chiave: la frequenza di ripetizione degli impulsi, il duty cycle, il numero di sorgenti e l’abilità del trasmettitore di cambiare frequenza, ampiezza o tipo di modulazione velocemente e mantenendo la coerenza di fase. Quando si simulano molteplici sorgenti, le collisioni tra gli impulsi rappresentano un fattore limitante nell’uso di un singolo generatore. La percentuale di collisioni tra impulsi cresce col numero di trasmettitori e con la frequenza di ripetizione. L’agilità della sorgente è il fattore principale nell’abilità di simulare emettitori multipli. Ad esempio, il tempo di assestamento più lungo tra commutazione di frequenza o di ampiezza determina il tempo di transizione tra la riproduzione di un comando Pdw e il successivo. La densità totale di impulsi di una singola sorgente è limitata dalla somma di tali tempi di transizione e dalla durata degli impulsi trasmessi. Il tempo di lockout dovrebbe essere minimizzato e, conseguentemente, anche i tempi di assestamento della sorgente. Al fine di simulare un’elevata densità, consentendo la sovrapposizione di alcuni impulsi, può essere necessario combinare sorgenti diverse. Man mano che si aggiungono generatori alla configurazione di test, è possibile aumentare facilmente la densità di impulsi fino a raggiungere il compromesso desiderato tra realismo e costo. Il corretto funzionamento di questa configurazione richiede la sincronizzazione di tutte le sorgenti connesse.

Un generatore di segnali altamente integrato
In passato tali simulazioni venivano generalmente realizzate utilizzando un componente separato per ogni funzione da emulare: generazione del segnale, modulazione, generazione degli impulsi, attenuazione, amplificazione e sfasamento. Le stesse parole di descrizione degli impulsi potevano essere inviate a ogni componente per generare l’uscita impulso per impulso. Con tale approccio la sincronizzazione temporale rappresentava notevoli sfide nella configurazione e nell’esecuzione del test. Una vasta gamma di tempi di assestamento e di ritardi doveva essere completamente caratterizzata al fine di minimizzare i tempi di lockout e conseguentemente ottimizzare pienamente la densità di impulsi. Questi sistemi possono essere affiancati per creare molteplici canali coordinati. Tuttavia, si ha così necessità di una quantità enorme di apparati, che determina un ingombro fisico notevole e un costo decisamente elevato. L’alternativa è costituita da un generatore di segnali agile e altamente integrato basato su sintesi Dds.

Una soluzione che offre vantaggi importanti
L’approccio adottato nella realizzazione del generatore di segnali UXG di Keysight offre quattro vantaggi fondamentali. Primo: è possibile controllare digitalmente e ad alta risoluzione la frequenza e la fase dei segnali con un solo segnale di clock. Secondo: lo strumento offre una rapida commutazione di frequenza, con la continuità di fase e la ripetibilità necessarie per simulare impulsi radar Doppler a varie frequenze, mantenendo l’originaria relazione di fase. Terzo: garantisce la precisione numerica e la ripetibilità attraverso la creazione della modulazione nel dominio della frequenza. Quarto: consente una facile sincronizzazione di vari strumenti, grazie ad un segnale di riferimento comune in configurazione master/slave. Vi sono poi due vantaggi aggiuntivi, rilevanti per gli chi si occupa di guerra elettronica. Ad esempio, un generatore Dds che impiega un modulatore digitale per la modulazione di ampiezza, frequenza e fase può creare segnali modulati digitalmente nell’oscillatore a controllo numerico. Inoltre, chirp con modulazione lineare della frequenza e codici di Barker possono essere direttamente sintetizzati utilizzando tale oscillatore a controllo numerico.

Integrazione di sottosistemi innovativi
Le recenti innovazioni introdotte da Keysight hanno permesso di utilizzare un convertitore D/A - e quindi un Dds - adatto per applicazioni di validazione dei sistemi per la difesa. Il convertitore D/A è stato progettato per applicazioni a radiofrequenza ed è caratterizzato dalla combinazione di un’elevata risoluzione e di un’eccellente purezza spettrale, che garantisce un rumore di fase eccezionalmente basso e una gamma dinamica priva di armoniche con Sfdr pari a -70 dBc. L’elevata frequenza di campionamento del convertitore D/A permette di ottenere un generatore Dds a larga banda che riduce il numero di stadi di moltiplicazione necessari per sintetizzare frequenze nelle microonde. L’impiego di un numero ridotto di stadi di moltiplicazione riduce il rumore di fase e il numero di segnali spuri presenti all’uscita. Questa soluzione impiega le più innovative tecnologie di Keysight per il convertitore D/A e i commutatori a Fet. La generazione del segnale inizia con il Dds che è ottimizzato per generare poche spurie, dato che le spurie aumentano ad ogni stadio di duplicazione. Se necessario, una cascata di stadi di duplicazione della frequenza permette di raggiungere segnali fino a 40 GHz. Ogni stadio di moltiplicazione impiega un filtro passa banda per rimuovere i segnali indesiderati prodotti dal moltiplicatore. Il Dds offre anche la capacità di modulazione impulso per impulso. I commutatori a Fet forniscono un’attenuazione agile e sono impiegati per controllare la potenza di uscita. Questi attenuatori garantiscono un tempo di assestamento molto rapido, adeguato alla velocità di variazione della frequenza, consentendo alla sorgente di adottare sistemi di controllo della potenza ad anello aperto con elevata accuratezza e senza perdite nel tempo di commutazione. Anche il modulatore di impulsi impiega un commutatore a Fet. Grazie a queste caratteristiche, il generatore di segnali agile soddisfa importanti specifiche funzionali e prestazionali: veloce transizione tra diversi emettitori, elevato range dinamico adeguato a quelli dei moderni ricevitori per la difesa, la simulazione di molteplici minacce con un accurato controllo dei livelli di potenza ed una rapida commutazione di ampiezza e frequenza ed infine la modulazione dell’impulso stesso tramite codici di Barker o Lfm.

Simulazioni accurate dell’angolo di arrivo
Sebbene sia essenziale creare delle sorgenti con la fedeltà e la densità spettrale desiderate, è anche importante ricreare la geometria e la cinematica degli scenari reali di guerra elettronica. Ad esempio ciò è essenziale quando si simula l’angolo di arrivo degli impulsi incidenti sul ricevitore. I ricevitori da guerra elettronica misurano l’angolo di arrivo e stimano la distanza usando il confronto delle ampiezze, il Doppler differenziale, l’interferometria (cioè la differenza di fase) e la distanza temporale tra i tempi di arrivo. Misure precise di angolo di arrivo consentono una precisa localizzazione della minaccia e quindi una più rapida e migliore discriminazione di emittenti multiple da parte del sistema. Ciò è importante perché alcuni degli ultimi sistemi mobili di jamming utilizzano la tecnologia degli array attivi a scansione elettronica in grado di dare una forma precisa al fascio di radiazione, in modo da minimizzare le perdite dovute all’allargamento del fascio verso un obiettivo. Inoltre, i ricevitori da guerra elettronica con una migliore capacità di stima dell’angolo di arrivo rendono l’identificazione e la separazione più semplice e veloce. Di conseguenza, il test dell’angolo di arrivo sta diventando una specifica sempre più importante. In passato l’angolo di arrivo veniva generato con una combinazione di sorgenti, sfasatori analogici, attenuatori e blocchi di guadagno posti nella connessione via cavo verso il sistema in prova. Questi elementi analogici occupano molto spazio, hanno una risoluzione limitata e sono costosi. In alternativa, oggi è possibile sincronizzare molteplici generatori di segnali per creare uscite con coerenza di fase e sincronia temporale che consentono un controllo estremamente fine sulla fase, ampiezza e tempo dei fronti d’onda verso il sistema in prova.

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