procesado digital de la señal radar

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Procesado digital de la señal radarProcesado digital de la señal radar

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ContentsContents

Introducción

Procesado del canal de recepción

Procesado del canal de transmisión

Consideraciones de diseño

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IntroductionIntroduction

El desarrollo y crecimiento de la tecnología digital desde los 80 junto con la progresiva disminución de precio de la misma ha tenido un impacto enorme en el desarrollo y el diseño de los sistemas de radar

Los avances en la tecnología de conversores analógico-digitales (ADC) y digital-analógico (DAC) ha acercado a la antena la interficie entre los segmentos analógico y digital.

4


Como ejemplo, vamos a comparar los diagramas de bloques de un radar típico de los 90 con uno moderno de arquitectura digital

5


EJEMPLO DE UN SISTEMA ANALÓGICO CLÁSICO

Bloque analógico Incluye varios segmentos de

conversión a IF Incorpora compresión de

pulsos analóicos (PC) Genera señales en fase y en

cuadratura con un ancho de

banda suficientemente

pequeño tal que los ADCs

disponibles en ese momento

sean capaces de muestrearlas

Bloque digital

Procesadores de diferentes

tipos: seguimiento, Doppler

digital, MTI, MTD

6


EJEMPLO DE UN SISTEMA RADAR DIGITAL MODERNO

Bloque analógicoEl input RF pasa normalmente por uno o dos estados de conversión a IF, que se muestrea directamente

con el ADC.

Bloque digital Un conversor DDC (digital

downconverter) convierte las muestras de la señal digital a forma compleja a una velocidad más baja que pasará por un compresor de pulsos digitales y de ahí al segmento de procesado back-end

El uso de procesado digital (DSP) puede aumentar el rango dinámico, la estabilidad y el rendimiento general del sistema

Tiene un tamaño reducido y un coste no superior al de la arquitectura analógica

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Signal Sampling Basics Signal Sampling Basics

¿QUÉ ES EL MUESTREADO?

Es el proceso por el cual una señal analógica continua se mide a intervalos regulares de tiempo (intervalo de muestreo) dando lugar a una secuencia de números discretos (muestras) que representan el valor de la señal en dichos instantes

Es el ancho de banda completo (two-sided bandwidth) siempre dos veces el ancho de banda de frecuencias positivas?

Para señales reales SÍ

Atención: El muestreo por debajo de Nyquist siempre da lugar a aliasing, pero un muestreo más rápido no garantiza por sí solo la ausencia del mismo

Frecuencia, tasa o velocidad de Nyquist:

Para señales complejas NO

sided)-(two completo banda de Ancho; BBfN

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ALIASING (I) Es el efecto de muestrear una señal de manera que sus componentes

frecuenciales no representan correctamente la señal en cuestión. Esto ocurre típicamente, pero no únicamente, cuando se muestrea por debajo de la frecuencia de Nyquist

A través de las muestras de la figura no es posible distinguir entre las contribuciones de una frecuencia dada y de las frecuencias de armónicos superiores, que actúan pues como alias.

9


ALIASING (II)

Imagen original

Imagen con

aliasing

10


MATEMÁTICA DEL MUESTREO Y EL ALIASING (I)

Herramienta matemática:Identidad de Euler

Componentes espectrales

]2[]2[

2)2cos( tfjtfj eeA

tfA

El espectro de una señal real es par (tiene una simetría especular respecto al eje y). El espectro de una señal compleja no tiene por qué ser par.

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MATEMÁTICA DEL MUESTREO Y EL ALIASING(II)

Herramienta matemática:Peine de Dirac

Muestreo continuo

nn

Ttnj

kT

T

nfg

Tetg

T

Tkttgttgtg

)(~1)(

1

)()()()()(

Fourier dedaTransforma

/2

n

Ttnj

kT e

TTktt /2

1)()(

Poissonde

Fórmula

Aliasing

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Señal real de banda paso bajo.

Gracias a un muestreo de Nyquist (fS=B) evitamos aliasing

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Señal real paso banda.

Gracias a un muestreo Nyquist a fS=B, se evita el aliasing. La tasa de Nyquist es la anchura de banda de la señal completa, tanto de frecuencias positivas como negativas, independientemente de la parte del espectro donde se encuentra la señal. El muestreo en paso banda es una herramienta poderosa que permite muestrear una señal de frecuencia relativamente alta con un conversor ADC de rendimiento modesto.

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Señal paso banda compleja

Este espectro no es simétrico complejo-conjugado. Su ancho de banda completo es B y la tasa de Nyquist es inferior a la de su equivalente real.

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Señal paso banda compleja “descolocada”.

Si los límites de la señal paso banda están fuera de [nB,(n+1/2)B], se producirá aliasing incluso en régimen de muestreo Nyquist, a menos que la señal se recoloque en el espectro.

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Signal Sampling Signal Sampling BasicsBasics

En un sistema real, antes de muestrear la señal, se la hace pasar por un filtro anti-aliasing, que es simplemente un filtro paso bajo analógico o un paso banda que pone una cota superior a las frecuencias presentes en la señal.

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Signal Sampling Signal Sampling BasicsBasics

El filtro necesita proporcionar un valor de stopband o rechazo de banda que asegure que los componentes con aliasing son insignificantes.

Obviamente, los filtros reales tienen una zona de transición que han de quedar incluidas a la hora de valorar la anchura de banda completa y la correspondiente tasa asociada de Nyquist, ya que si no podrían dar lugar a un aliasing considerable.

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital DownconversionDownconversion

Digital Downconversion (DDC): Consiste en el uso de la tecnología digital para realizar una demodulación IQ, la cual consiste en bajar una señal IF a paso banda compleja. Ha dado origen a una mejora muy sustancial en el rendimiento de los sistemas radar coherentes.

1) Existe una implementación general que mimetiza la tradicional de hacer downconversion analógica

2) Existe otra implementación, directa, común que es más eficiente en aquellos

casos en los que es aplicable.

Se consideran aquí dos formas posibles

de hacer DDC1

Demodulación IQ = Down-mixing + Filtrado paso bajo + Decimación

1Hay otras arquitecturas, como por ejemplo la llamada de la transformada de Hilbert

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (Ia)Downconversion (Ia)

Downconversion analógica y muestreado

1

2

3

4

6

5

7

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (Ib)Downconversion (Ib)

Downconversion analógico y muestreo

1. Una señal real IF con una anchura de banda de 40 MHz en frecuencias positivas y de 80 MHz en banda completa, centrada en 75 MHz y en -75 MHz.

2. La señal IF se desplaza en frecuencia al mezclarla con dos copias de una señal real procedente de un oscilador local y desfasadas 90º una de la otra

3. lo que resulta en dos señales reales: la señal en fase I y la señal en cuadratura Q4. Se aplica un filtro paso bajo de manera que5. las frecuencias altas se quedan fuera6. Estas señales se muestrean a 50 MHz, y

7. el espectro resultante de la señal muestreada se almacena en los registros del DSP o procesador digital.

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (Ic)Downconversion (Ic)

Downconversion analógico y muestreo

Una implementación en hardware

Nota: La barra inclinada sobre la flecha que sale del ADC con un “16” indica que este produce 16 bits de output digital (cada bit corresponde a un rango dinámico de 6dBs en ADCs logarítmicas y, por tanto, 16 bits corresponden a un rango dinámico de 96 dB si las no linealidades son despreciables.

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (IIa)Downconversion (IIa)

Downconversion digital de tipo General

1

2

3

4

6

5

7

8

9

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (IIb)Downconversion (IIb)

En la downconversion digital, la señal analógica IF se muestrea directamente por el ADC, y todo el procesado subsiguiente se realiza digitalmente

1. La primera línea representa la señal IF con los mismos parámetros que la del ejemplo utilizado en la mezcla analógica

2. El muestreado debe ser mayor ahora ya que el ancho de banda completo de la señal es de 80 MHz y una velocidad de 50 MHz, por ejemplo, produce aliasing; por tanto se utiliza un muestreado de 100 MHz

3. El espectro resultante es periódico, como era de esperar, después de convolucionar el peine de Dirac con la señal IF

4. El espectro se desplaza por convolución (mezcla), con un tono complejo a -75 MHz del LO

5. de tal manera que una copia de la parte del espectro localizado originalmente en torno a 75 MHz queda centrado en el origen


24

Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (IIc)Downconversion (IIc)

6. Un filtro paso bajo periódico real se aplica para eliminar las partes del espectro que estaban centradas en -75 MHz,

7. lo que resulta en una señal compleja paso banda que ahora tiene dos segmentos espectrales y una frecuencia de Nyquist de 40 MHz

8. Se realiza un remuestreo mediante la convolución de la señal con dos impulsos: uno a 0 MHz y otro a 50 MHz; este proceso se denomina decimación, que significa resampleado a una velocidad más baja

9. El espectro de la señal paso banda compleja es el espectro que ya obteníamos en la última línea de la gráfica del downconversion analógico

Una decimación de un factor N se puede implementar manteniendo la n-ésima muestra y descartando el resto (N se llama a veces factor de

downsampling)


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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (IId)Downconversion (IId)


El LO es un oscilador controlado numéricamente (NCO) que genera palabras digitales que representan un modo de Fourier complejo a 75 MHz

MCSPS: million complex samples per second


El filtro paso bajo reduce el ruido que está fuera de la banda y aumenta la SNR

Un factor de 2 en la reducción del ancho de banda implica una mejora de 3 dB en la SNR, lo que implica que podemos subir el número de bits de 16 a 17 (1 bit -> 6dB)

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (IIe)Downconversion (IIe)

dBNq

qdB

N

76.102.612/

2/2)(SNR

1

La decisión de cuántos bits se necesitan para una aplicación concreta depende de:

La SNR debida a cuantización: la SNR entra en la sección digital enters the digital section con un valor que no queremos que disminuya; la ADC SNR debida a cuantización viene dada por la fórmula

The pursued dynamic range:

La SNR es el cociente entra la rms de la señal y la rms del ruido

S: Si la señal es sinusoidal, la rms de la misma es el valor máximo de potencia del conversor dividido por √2. Si el ADC tiene una ganancia de 1, se puede entonces también traducir esta ecuación de la SNR en bits: rms de la señal=± (2N-1×q)/ √2, donde q es el tamaño del byte menos significativo (LSB).

N: La incertidumbre de cualquier bit del ADC bit es ±1/2 LSB. Si la respuesta de este error es triangular a lo largo de la señal de input analógica, el valor de la señal triangular es la magnitud de la señal dividida por √3. Por tanto: rms del ruido=±(LSB/2)/√3=q/√3.

N6Dinámico Rango

Debido al ruido térmico, una ADC no proporciona 6 dB de SNR por bit real. Por ejemplo, si la ADC proporciona solamente 84 dB de SNR, entonces el número efectivo de bits (ENOB) es solamente 14. Esto significa que una reducción en 2x de la anchura de banda, que produce un aumento de 3 dB en la SNR, “cabe” en el rango dinámico proporcionado por 16 bits, y no solamente en 17 o más.

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (IIIa)Downconversion (IIIa)

Downconversion digital Directa

Si hay suficiente flexibilidad en la eleción de la frecuencia IF o en la de la velocidad de muestreo del ADC, podemos considerar una arquitectura alternativa a la que hemos llamado downconversion de tipo “general” que acabamos de presentar y que se denomina downconversion digital directa y que se basa en utilizar el propio ADC como mezclador, de manera que eliminamos la necesidad del oscilador controlado numéricamente (NCO).

Una señal IF centrada en 75 MHz se muestrea a 300 MHz (=4x75 MHz), de manera que las I and Q circulan repetidamente a través de la secuencia (1,0), (0,-1),(-1,0) y (0,1)

Tanto la I como Q aparecen como constantes que contienen la fase de la señal IF

Esto se puede conseguir no solamente utilizando un muestreo 4x sobre la frecuencia central sino también si la velocidad de muestreo es de un submúltiplo impar de la misma (4xfc/3, 4xfc/5)

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (IIIb)Downconversion (IIIb)


1

2

3

4

6

5

7

8

9

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (IIIc)Downconversion (IIIc)

Como anticipábamos en la introducción, en la downconversion digital directa, la señal IF no se mezcla numéricamente con un cierto tono complejo, ya que se va a utilizar el hecho de que el propio muestreo actúa como mezclador

1. La primera línea representa la señal real IF con las mismas características que la del ejemplo anterior

2. La velocidad de muestreo es de 100 MHz, que es 4/3 de la frecuencia IF central de la señal (75 MHz)

3. El espectro resultante es periódico, como siempre después del muestreo; si hubiésemos empleado una velocidad de muestreo 4x la frecuencia central (i.e. 300 MHz) el espectro sería como el de la línea 1 pero repetido indefinidamente hacia afuera

4. Se aplica un filtro complejo de paso banda para seleccionar o bien la parte real (I) o bien la imaginaria (Q) del espectro de la señal original (la figura muestra el caso de seleccionar I); este filtro se implementa multiplicando las muestras con una secuencia de números denominada filtro de respuesta finita (finite impulse response, FIR)


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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (IIId)Downconversion (IIId)

5. para producir una señal paso banda compleja6. A continuación, se decima la señal por un factor de 2 (se toma solamente una

muestra de cada dos),7. lo que resulta en un espectro más denso, similar a la obtenida en el método anterior8. Se lleva a cabo una operación equivalente a la mezcla con un tono complejo de -

75MHz, que consiste en multiplicar la secuencia discreta de muestras por la secuencia (1,-1,1,-1,1,-1,…)

9. El espectro de la señal paso banda compleja es idéntico a la última línea de los diagramas de los demás métodos

Direct Digital Downconversion


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El “jitter” del reloj da lugar a errores en el output del muestreo de un ADC.

Además, los ADCs introducen ellos mismos un jitter interno adicional, conocido como incertidumbre de apertura.

Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (IV)Downconversion (IV)

]2log[20SNR

jitterClock

jitter ADC

jitter Total

)()(

max

)(

)(

2)(

2)(

J

ClockJ

ADCJ

J

ClockJADCJJ

tf

t

t

t

ttt

Consideraciones sobre el muestreo de la señal

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Digital Digital Downconversion (IV)Downconversion (IV)

Hemos hablado del SNR de cuantización y del SNR del jitter, y además tenemos el SNR que viene en la señal.

En general, la manera de hallar el SNR total a partir de diferentes contribuciones es mediante la siguiente fórmula

Consideraciones sobre el SNR

m

220/SNRtotal

m10log20SNR

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Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Advantages of Digital DownconversionAdvantages of Digital Downconversion

1. Existen varias fuentes de error que son características de las downconversions analógicas que no están presentes en las digitales: desajuste de los mezcladores, señales del LO que no están exactamente desfasadas en 90o , desajustes en las ganancias, offsets DC, respuestas frecuenciales diferentes de los canales I y Q.

2. Aumenta la linealidad del proceso, incluso pese a las pequeñas no linealidades debidas al ADC; se mejora la linealidad de la fase y no solamente la de la amplitud

3. Flexibilidad en el ancho de banda y en la velocidad de muestreo4. Tolerancia de los filtros5. Coste reducido de los componentes, así como ventajas en el tamaño, peso y disipación

de potencia

CAUTION: Digital Pese a lo que se dice a veces, la generación de las señales I y Q no está libre de errores: el uso de palabras de longitud finita para la implementación de los coeficientes de los filtros produce respuestas de dichos filtros que no son ideales. No obstante, este orden de error es inferior al debido a sistemas analógicos.

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A veces, el muestro directo en RF se considera el fin último de los receptores digitales, con toda la sintonización y el filtrado en la fase digital. Esto tendría la ventaja de eliminar por completo el hardware analógico (!).

Sin embargo, las limitaciones de los ADC restringen el rendimiento de tales arquitecturas:• El rango dinámico debería entonces acomodar todas las señales presentes en la banda radar

recogida por la antena, a menos que antepongamos unos filtros RF preselectores• El front-end analógico de un ADC tiene un corte frecuencial a 3dB dado por el fabricante; por

tanto las frecuencias no deseadas de input al ADC deberían estar muy por debajo de ese punto

• Muestrear la RF directamente aumenta dramáticamente el llamado slew rate (=velocidad máxima de cambio de la señal en un punto cualquiera del circuito) de la señal de input del ADC, lo que hace decrecer enormemente la SNR de acuerdo a lo visto anteriormente en la fórmula para la SNR debida al jitter del reloj y el ADC

• Los ADC presentan no linealialidades que producen espúreos (=pequeños picos) en el output del ADC, sobre todo a frecuencia altas. Estos espúreos pueden aparecer dentro del ancho de banda deseado, de manera que no se pueden eliminar mediante filtrado.

Receive Channel Processing:Receive Channel Processing: Is it Is it possible to sample at RF?possible to sample at RF?

Spur-free dynamic Range = Diferencia en dBs entre la señal deseada y el espúreo mayor medido en el output del ADC cuando el input es un tono puro a la frecuencia central

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A pesar de la aparente complejidad de los métodos presentados aquí, existen muchas variaciones que incluyen herramientas de procesado digital más complicadas. Mencionaremos aquí unas pocas:

• Procesado multirate: utiliza diferentes módulos de filtrado+decimación que mejoran diferentes aspectos del procesado (sobre todo aquellos debidos a las limitaciones que se originan en el uso de secuencias de muestras de longitud finita)

• Filtros polifase: Uso de bancos de filtros para mejorar el filtrado• Receptores multi-canal: Debido a varias causas los radares modernos raramente

incluyen un único canal; de esta manera, normalmente distribuyen la señal entrante en varias copias sobre las que se realizarán diferentes operaciones paralelas. Dos ejemplos de esta necesidad se presentan em los radares monopulso y en los que utilizan beamforming

Receive Channel Processing: Additional Receive Channel Processing: Additional CommentsComments

Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio (SINAD) en los ADCs:Este parámetro lo proporciona normalmente el fabricante como figura de mérito del ADC. Incluye, en

comparación con el SNR, información sobre la distorsión que afecta a todas las frecuencias, incluyendo aquellas que están fuera del ancho de banda deseado (originadas como distorsión por intermodulación, por ejemplo). Ya que los espúreos más acusados podrían estar fuera del ancho de banda, el SINAD no es un discriminador importante en el procesado digital.

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Transmit Channel ProcessingTransmit Channel Processing

Antes de la introducción masiva de la tecnología digital, existían varias tecnologías analógicas disponibles para la generación de formas de onda radar:

1) Sistemas pulsados simples con switches RF para el gating del LO.

2) Las señales moduladas en frecuencia se generaban con dispositivos SAW

(surface acoustic wave).

3) Era posible también implementar esquemas simples de modulación de fase

binaria como el PRN (pseudo-random noise)

La tecnología digital presenta más opciones al diseñador de sistemas radar:

1) Permite la transmisión de formas de onda de

modulación arbitraria.

2) Permite modificar la forma de onda de pulso a pulso.

3) Presenta mayor estabilidad entre pulsos.

4) Tiene mayor precisión en la agilidad frecuencial

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Transmit Channel Processing: Direct Digital Transmit Channel Processing: Direct Digital Synthesizer (DDS)Synthesizer (DDS)

La idea básica es que un oscilador controlado numéricamente (NCO) genera un sinusoide digital que is se convierte en una señal analógica by gracias a un conversor digital-analógico

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Más en detalle: 1. El sistema comienza con una palabra de sintonización (= un número binario) que

define el incremento de fase en cada ciclo de reloj. Ya que este número incremental tiene una forma binaria, lo denominamos medida de ángulo binario (BAM) y su formato es tal que el bit más significativo (MSB), es decir, el que está más a la izquierda, representa 180o, mientras que el siguiente representa 90o, etc.

2. En el acumulador de fase, el valor almacenado en el registro resulta de la suma progresiva del valor anterior más la palabra de sintonización, operación que se realiza una vez por ciclo de reloj. Por ejemplo, si la palabra de sintonización es de 3 bits y vale 001 (i.e. 45o) y el valor inicial del reloj es 000, tendríamos la siguiente secuencia: primer “tick” del reloj000 (0o), segundo tick del reloj001 (45o), tercer tick del reloj010 (90o), cuarto tick del reloj011 (135o), etc.

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Más en detalle: 3. El valor del registro se transfiere, quizás truncado de n bits a m bits, a una tabla de look-

up sinusoidal. Esta tabla asigna un valor específico de amplitud según la ley del seno, dado el valor de la fase, que queda almacenado en una memoria ROM. La truncación es necesaria debido al hecho de que puede llegar a ser necesario utilizar palabras de sintonización de hasta 22 bits para que la fase se mueva con suficiente lentitud con respecto al ciclo del reloj, y esto implicaría el almacenamiento de 222 valores de amplitud en nuestra ROM, el cual es un tamaño desmesurado. Por tanto, la longitud de la palabra que se pasa a la tabla de look-up está limitada a los m MSBs. El output de esta tabla tiene su propia resolución, dada por k bits, que pasa a un registro que alimenta el conversor digital-analógico (DAC).

Word)ControlFrequency (or WordTuningFCW

Table Up-Look Sine theenteringfrequency Output 2

FCW

out

clockout

f

ff

n

40


Más en detalle: 4. Un detalle importante es la señal CLEAR, que entra en el acumulador de fase al

principio de cada pulso en los radares coherentes, y que resetea la fase del registro a cero de tal manera que cada pulso tenga la misma fase de arranque. También es posible situar la fase de comienzo de cada pulso en valores diferentes si se desea.

Más en detalle, si tenemos modulación en frecuencia: • La arquitectura del acumulador es entonces doble: para frecuencia y para fase. La

palabra de sintonización que define el incremento de la fase es el output de un bloque previo que llamamos acumulador de frecuencia. Así, una FM lineal se genera aplicando una palabra de frecuencia constante como imput.

tfMf

fNN

Sn f

222

FCW(t) 2clockclock

out

41


Errores en la generación de formas de onda:1. Jitter interno del reloj del DAC que produce cierta modulación de fase no deseada y

que es proporcional a la frecuencia output (cuanto más alta es la frecuencia, más significativo se vuelve este error de modulación de fase)

2. Ruido de fase externo procedente de la señal del reloj del input (reducido en un factor de 20 log(fout/fclock) dB)

3. Ruido térmico aditivo en el DAC que da lugar tanto a componentes de ruido en la amplitud como en la fase

4. Errores debidos a la cuantización y a las no linealidades del DAC, de carácter determinista Señales espúreas

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Señales espúreas:1. Se dice que son deterministas porque se deben en principio a errores no estocásticos

tales como la longitud finita de las palabras, la truncación o las no linealidades, aspectos que no varían con el tiempo. Sin embargo, esto no significa que sean fáciles de caracterizar con nuestros conocimientos accesibles.

2. Para una onda continua (CW), vemos que la secuencia DAC se repite después de 2K muestras, donde 2K es el máximo común divisor de 2N y la FCW. Esto significa que tenemos frecuencias espúreas a

Ejemplo: Un reloj a 1GHz clock con un acumulador de frecuencia de 12 bits presentará una frecuencia espúrea a intervalos de 0.24 GHz, que lógicamente no se puede diferenciar del ruido; el uso de relojes a 45 GHz produce, por el contrario, señales espúreas a intervalos de 10 MHz que están mucho más separados el uno del otro.

K

fnf

2clock

spur

43


Estos ejemplos muestran la ocurrencia de señales espúreas a 0.1989 fclock, 0.1992 fclock and 0.2012 fclock. Pese a la pequeña diferencia en las frecuencias centrales, la respuesta espúrea varía muchísimo.

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Señales espúreas:3. Para el caso de radar pulsado no es tan fácil caracterizar matemáticamente las

frecuencias a las cuales ocurren señales espúreas, aunque no imposible.4. Las frecuencias de las señales espúreas dependen básicamente del tamaño de la FCW y

de la truncación mientras que la amplitud de las mismas depende de las no linealidades, lo que hace que sea más dificil predecir la magnitud que la posición de estos espúreos.

5. Los chirps son menos sensibles a los espúreos originados en la DDS (esto se debe a que el procesado involucrado normalmente en los chirps o pulsos de FM lineal incluye compresión de pulso)

6. Los radares Doppler pulsados minimizan la influencia de las señales espúreas debido a su coherencia, esto es, porque reinicializan la secuencia en cada ciclo (=> solamente múltiplos de la PRF pueden estar presentes)

7. Dithering (= ruido introducido intencionalmente) puede usarse para mitigar los espúreos, aunque no es una técnica aconsejable para los radares Doppler, ya que podría mezclarse con los blancos en momvimiento.

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Transmit Channel Processing: Digital Upconverter Transmit Channel Processing: Digital Upconverter (DUC)(DUC)

El DDS que hemos explicado hasta ahora no incluye ninguna etapa de upconversion. Alternativamente, es posible diseñar un sistema de transmisión digital que implemente una conversión de una señal paso banda digital compleja a una señal paso banda IF real with y que incluya una etapa de upconversion. Así, la técnica de Digital Upconverter (DUC) consiste en lo siguiente:

1. Se lee una forma de onda paso banda compleja de la memoria

2. Se interpola dicha señal digital para obtener un muestreo más alto

3. Se modula esta señal con senos y cosenos digitales para producir la portadora, que se mezcla con aquella

4. La I y la Q se envían juntas (como I + j Q) al DAC (el DAC convierte la señal digital como conjunto de números complejos en una señal analógica de corriente, voltaje o carga.)

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Transmit Channel Processing: Digital Upconverter Transmit Channel Processing: Digital Upconverter (DUC)(DUC)

Comentarios importantes sobre el DUC:

1. La señal que se produce se denomina a menudo señal sintetizada digitalmente (DDS) con las mismas iniciales que habíamos utilizado anteriormente para una arquitectura específica. Esto se debe a que la nomenclatura es menos restrictiva en la realidad que en los libros de texto.

2. Si el factor de upsampling es muy grande, los filtros digitales FIR (implementados como secuencias finitas de números) que multiplican el espectro de la señal son demasiado largos para ser operativos mediante multiplicación uno a uno. En lugar de esta multiplicación minuciosa se utiliza el denominado peine de integración en cascada (Cascaded Integrator-Comb, CIC) o los filtros Hogenauer filters. Estos filtros no se explican en detalle aquí, sino que se dejan como ejercicio optativo.

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Design ConsiderationsDesign Considerations

Timing Dependencies

En los radares coherentes cada reloj y cada oscilador local que genera un timing se derivade un único oscilador de referencia. Sin embargo, esto no implica que la forma de onda transmitida empieza con la misma fase RF para cada pulso, lo que constituye el requisito último de cualquier radar coherente.

Regla general para obtener una fase RF constante entre pulsos: el reloj que produce la PRI (pulse repetition interval) ha de ser un divisor común de la frecuencia IF central en TX, en RX y en la frecuencia de muestreo.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

-1

-0.5

0.5

1

En este ejemplo, la PRF y la IF están sincronizadas, pero no así la frecuencia de muestreo.

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Tecnología y Hardware : Custom-designed Hardware o Hardware a medida

• En los 90 los sistemas DSP se construyeron típicamente usando ASICs (Application Specific Integrated Circuits), diseñados para llevar a cabo un algoritmo de procesado específico. Se trataba de circuitos integrados muy pequeños y de grandes prestaciones. Sin embargo, eran y todavía son bastante caros, además de difíciles de modificar, una vez que un sistema está diseñado como solución. La producción de los ASICs es comercialmente eficiente si la escala de producción es de decenas de miles, pero no en escalas inferiores. La industria de las telecomunicaciones hizo rentable la construcción de los down- and upconverters ASIC.

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• El uso de FPGAs (Field Programmable Gate Array) para DSPs es una solución muy ventajosa: consisten en una agrupación de gran tamaño de elementos lógicos configurables conectados por una interficie programable.

i. Pueden funcionar a velocidades de medio billón (en el sentido americano) de operaciones por segundo y soportan transferencias de datos de varios gigabits por segundo. Se programan usando un lenguaje de descripción de hardware o HDL (Hardware Description Language), tal como VHDL o Verilog, que son operados por alguna herramienta de software.

ii. Son más pequeños que un procesador de propósito general en un factor de 10 o más ya que los procesadores tienen el mismo orden inferior de magnitud, que además son programables a diferencia de los del tipo de propósito general.

iii. Uno de los aspectos que hace los FPGAs muy versátiles pero también difíciles de usar óptimamente es su enorme velocidad de procesado, a menudo mayor que la velocidad de muestreo de datos, lo que implica la posibilidad de realizar multiplexing en el dominio de tiempo.

50



iv. Una dificultad de las FPGAs es que requieren una comprensión profunda por parte del diseñador de la arquitectura que se va a usar para hacerlo a su potencial más alto. Además, según evoluciona la tecnología, los componentes de las FPGA cambian sus especificaciones lo que motiva ciclos de refresco de tecnología rápidos. Mientras tanto, las herramientas de software que se usan difícilmente continúan siendo válidas una vez que las FPGAs han evolucionado. Adicionalmente, se está trabajando en herramientas que transformen código C o Matlab en diseño FPGA.

v. Xilinx y Altera son los líderes del mercado de las FPGAs. Xilinx proporciona software de diseño libre para Windows y para Linux. Altera lo hace para Windows, mientras que las herramientas para Solaris y para Linux están disponibles solamente en régimen de alquiler.

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Tecnología y Hardware : Computadores Paralelos de Propósito General

Esta solución utiliza múltiples procesadores de propósito general, normalmente un conjunto de las así llamadas blades o cuchillas (como las de la imagen) conectadas en paralelo.

1. Estas arquitecturas de procesadores paralelos ofrecen la ventaja de ser programables en C, C++ u otro lenguaje de alto nivel, para el cual no sea necesario un conocimiento detallado del hardware específico que se está usando.2. Estos sistemas requieren mucho más espacio que el hardware diseñado a medidad de las FPGAs o los ASICs y son significativamente más lentos, de manera que no permiten generalmente procesado en tiempo real sino que únicamente soportan aplicaciones en tiempo cuasi-real o simplemente off-line. La latencia define el tiempo máximo transcurrido desde que se introduce un camnio en el input del procesador y su efecto en el output del mismo.

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Tecnología y Hardware : Computadores de Propósito General

3. Los sistemas paralelos para procesado digital están migrando de arquitecturas paralelas a links de datos seriales, que se pasan los datos a velocidades de reloj muy altas. Existe un número de factores que permiten una comunicación más rápida en el contexto serial que en el paralelo:

• El sesgo del reloj entre diferentes canales no es un problema para enlaces de comunicación seriales asíncronos (unclocked asynchronous serial communication links)• Una conexión serial requiere menos cables de interconexión (cables o fibras) y por tanto ocupan menos espacio. El espacio ganado permite un mejor aislamiento del canal de su entorno• El crosstalk es un problema menos importante, ya que hay menos conductores en las proximidades de los enlaces

4. Sin embargo, el procesado de señal de banda ancha es todavía bastante difícil con este tipo de hardware.

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Tecnología y Hardware: Procesadores Híbridos

En muchos sistemas modernos, un módulo de hardware de diseño a medida ocupa un lugar en el front-end del radar y realiza las tareas más exigentes, tales como la downconversion digital o la compresión de pulsos, seguido de un módulo de procesadores de propósito general en el back-end, que realiza tareas de baja velocidad tales como detección o seguimiento.

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Digital Pulse CompressionDigital Pulse Compression

Compresión de Pulsos

• En sistemas de radares pulsados, es conveniente tener pulsos muy cortos para obtener una resolución espacial en alcance muy altato. Por otro lado, es difícil transmitir suficiente energía para que la SNR sea suficientemente alta usando pulsos cortos. La técnica de compresión de pulsos resuelve este problema proporcionando cierta estructura interna a los pulsos de manera que solamente un alineamiento perfecto del pulso transmitido con una réplica del mismo producida en el receptor produzca un resultado de igualamiento. Así, la longitud efectiva del pulso para propósitos de resolución en alcance viene dada por la estructura interna del pulso, mientras que la potencia en RX corresponde a la totalidad del pulso.

TX

RX

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Digital Pulse CompressionDigital Pulse Compression

Compresión de Pulsos

• The basic idea is that detection of the time arrival of echo occurs when we obtain the overlapping of the echo and the replica.

• This maximum overlapping can be calculated by computing the correlation between both signals. Thus, the correlation is maximum when they overlap.

•In analog this computation is implemented in delay-line pulse compressors. However, in digital this method of pulse compression is straightforward by calculating the correlation as the product of the FFTs of the two signals.

TX

RX

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Multibeam Digital BeamformingMultibeam Digital Beamforming

• La orientación espacial de una antena define intuitivamente la dirección en la cual se transmite o se recibe su máximo de energía. Desde el punto de vista electromagnético esto ocurre cuando la interacción de todos los “trozos de onda” que entran o salen de la antena y de su retraso mutuo.• Si miramos al problema desde el punto de vista del instante de llegada de cada “trozo de frente de ondas”, podemos simular una orientación electromagnética de la antena que sea diferente a la mecánica si añadimos los retrasos adecuados a “cada trozo” de la antena, mediante líneas de retardo o desfasadores (los desfasadores son adecuados únicamente para señales de banda estrecha).

Concepto Básico

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Concepto Básico

• En vez de tratar con partes de la antena, lo que hacemos es construir una agrupación de antenas o array de antenas a las cuales añadimos líneas de retardo o desfasadores. Normalmente se llaman phased arrays o agrupaciones reguladas en fase. Debido a la naturaleza no isotrópica de los diagramas de antena de cada elemento del array, la amplitud (es decir, la amplificación) y no únicamente la fase de cada antena individual ha de ser ajustada• Este principio se aplica bothtanto en TX como en RX. En RX se puede aplicar simultáneamente a gran número de haces, sobre un rango angular muy amplio si el diagrama de antena es suficientemente ancho.•Otra ventaja de usar phased arrays es que se consigue un aumento en el rango dinámico sobre el de cada receptor y cada ADC individual.

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Calibración• Cada puerto de salida de la antena aparece seguido de un DDC y un filtro de ecualización (el EQU FIR de la figura) que ajusta la respuesta frecuencial de cada canal de manera que sus características paso banda es igual a la de los otros canales, tanto en fase como en amplitud, antes de que es multiplicada y sumada a los otros canales del beamformer o formador de haz. Esto se consigue enviando pulsos de calibración interna que circulan por los diferentes canales y que se comportan de manera ortogonal (como lo hacen por ejemplo las secuencias de pseudo-ruido de las señales GPS)

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Nota: Radar monopulso

• El radar monopulso se puede considerar como una solución beamforming que permite utilizar un único pulso (monopulso) para formar tres haces, y así poder comparar el eco recibido por cada uno de ellos y determinar la posición del blanco, en lugar de tener que usar por ejemplo un radar de escaneo cónico.

procesado digital de la señal radar

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