使用數(shù)字波束成形和共封裝光學(xué)I/O的SWaP友好架構(gòu)

  現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的功率和復(fù)雜性正在飛速增長(zhǎng)。這些系統(tǒng)提供的能力在短短幾年前是無(wú)法想象的。此外，不斷地開(kāi)發(fā)意味著這些系統(tǒng)將為傳感應(yīng)用帶來(lái)革命性的變化。然而，要充分利用這些最先進(jìn)的技術(shù)，必須克服數(shù)據(jù)帶寬這個(gè)瓶頸。

  數(shù)字波束成形

  波束成形是一種信號(hào)處理技術(shù)，采用相控陣天線，在傳輸或接收過(guò)程中提供定向信號(hào)。這意味著你可以控制信號(hào)（或多個(gè)信號(hào)）的方向，而不需要實(shí)際移動(dòng)天線。

  波束成形可以通過(guò)模擬、數(shù)字或混合技術(shù)來(lái)完成。數(shù)字波束成形使用計(jì)算密集型的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）算法來(lái)控制從天線陣列發(fā)送和接收的信號(hào)。

  與模擬技術(shù)相比，數(shù)字波束成形技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，包括簡(jiǎn)化射頻集成電路（RFIC）設(shè)計(jì)，并通過(guò)將波束成形的操作轉(zhuǎn)移到數(shù)字領(lǐng)域來(lái)實(shí)現(xiàn)，獲得更好的可擴(kuò)展性。這對(duì)提供形成波束模式的靈活性和支持多個(gè)平行數(shù)據(jù)流至關(guān)重要。在雷達(dá)應(yīng)用中，這意味著來(lái)自多個(gè)方向的信號(hào)可以同時(shí)被監(jiān)測(cè)和測(cè)量。數(shù)字波束成形在處理干擾方面也要好得多。例如，如果一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)受到來(lái)自敵對(duì)來(lái)源的干擾，數(shù)字波束成形可以使其無(wú)效，適應(yīng)自己的波束模式以完成任務(wù)。

  瓶頸問(wèn)題

  數(shù)字波束成形提供了模擬或混合波束成形方法根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的能力。它的瓶頸是大量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)必須在天線陣列和計(jì)算（處理器）陣列之間來(lái)回傳遞。

  數(shù)字波束成形通過(guò)簡(jiǎn)化RFIC前端電路使天線陣列系統(tǒng)擴(kuò)展到更高的頻率，即毫米波（mmWave）。使用毫米波有多種優(yōu)勢(shì)。除了支持更高的帶寬外，其更短的波長(zhǎng)意味著更多的天線可以更緊密地排列在一起。這意味著，由于更高的保真度和分辨率，雷達(dá)陣列可以監(jiān)測(cè)更多的目標(biāo)，和更小的目標(biāo)。

  然而，這也導(dǎo)致了一個(gè) "雙重打擊" -- 隨著帶寬的增加，樣本的數(shù)量也在增加，而隨著波長(zhǎng)的減少，天線的數(shù)量可以更密集地排列。所有這些都導(dǎo)致了帶寬密度需求的二次增長(zhǎng)。反過(guò)來(lái)，這就要求在天線陣列和計(jì)算陣列之間（也包括計(jì)算陣列內(nèi)部的處理元件之間）有一個(gè)新的互連解決方案。

  解決辦法

  顯而易見(jiàn)的解決方案是使用光傳輸機(jī)制，因?yàn)楣饣ミB提供了高帶寬、低延遲和低功耗的互連，并且能夠抵抗電磁干擾（EMI）。然而，僅僅把現(xiàn)有的設(shè)備（CPU、DSP、FPGA、ASIC、RFIC等）用外部光互連來(lái)增強(qiáng)是不夠的。為了實(shí)現(xiàn)盡可能高的傳輸速度和帶寬，需要將光互連納入器件的封裝內(nèi)部。

  共封裝的光I/O可以使芯片與芯片之間的通信距離非常廣泛，從幾毫米到幾千米。這為新的相控陣?yán)走_(dá)架構(gòu)打開(kāi)了豐富的可能性，如尺寸、重量和功率（SWaP）友好的分解實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)實(shí)世界里面，這些可能性的例子如下。

  航空航天。以飛機(jī)上的雷達(dá)為例，傳感器陣列可以安裝在機(jī)頭和機(jī)翼頂端，共封裝光學(xué)I/O可用于將數(shù)據(jù)從陣列中的RFIC芯片直接傳送到位于飛機(jī)中部的計(jì)算陣列。結(jié)合來(lái)自多個(gè)廣泛分布的傳感器的數(shù)據(jù)，可以提供更大的視場(chǎng)（FoV）和更高的分辨率。

  地面和海上雷達(dá)的部署。共封裝光學(xué)I/O能夠?yàn)閼?zhàn)區(qū)互聯(lián)等最終用途提供分解的傳感和處理。聚集來(lái)自多個(gè)分布式傳感陣列的數(shù)據(jù)可提供更完整的整體圖像，從而最大限度地提高態(tài)勢(shì)感知度。

  搜索和救援。共封裝光學(xué)I/O有利于增加同步光束的數(shù)量，從而大大改善空間覆蓋。反過(guò)來(lái)，這也增加了檢測(cè)的概率，并減少了找到遇險(xiǎn)者或處于緊迫危險(xiǎn)中的人所需的時(shí)間。

  AyarLabs開(kāi)發(fā)了TeraPHY?共封裝光學(xué)I/O小芯片（chiplets），其他設(shè)備（CPU、GPU、FPGA、ASIC、RFIC等）的設(shè)計(jì)者可以在他們的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）模塊中嵌入這些小芯片。這些小芯片由AyarLabs的SuperNova?先進(jìn)光源來(lái)配合使用（圖1）。

圖1. TeraPHY共封裝光學(xué)I/O芯片和SuperNova光源釋放了新的數(shù)字波束成形架構(gòu)的潛力

  TeraPHY小芯片和SuperNova光源的結(jié)合將顛覆數(shù)字波束成形應(yīng)用的傳統(tǒng)性能、成本和效率曲線，與傳統(tǒng)的銅基電氣互連技術(shù)相比，它能以十分之一的功耗提供高達(dá)1000倍的帶寬密度。