使用數(shù)字波束成形和共封裝光學I/O的SWaP友好架構(gòu)

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

  數(shù)字波束成形

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

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

  與模擬技術(shù)相比，數(shù)字波束成形技術(shù)有許多優(yōu)點，包括簡化射頻集成電路（RFIC）設計，并通過將波束成形的操作轉(zhuǎn)移到數(shù)字領域來實現(xiàn)，獲得更好的可擴展性。這對提供形成波束模式的靈活性和支持多個平行數(shù)據(jù)流至關(guān)重要。在雷達應用中，這意味著來自多個方向的信號可以同時被監(jiān)測和測量。數(shù)字波束成形在處理干擾方面也要好得多。例如，如果一個雷達系統(tǒng)受到來自敵對來源的干擾，數(shù)字波束成形可以使其無效，適應自己的波束模式以完成任務。

  瓶頸問題

  數(shù)字波束成形提供了模擬或混合波束成形方法根本無法實現(xiàn)的能力。它的瓶頸是大量的數(shù)字數(shù)據(jù)必須在天線陣列和計算（處理器）陣列之間來回傳遞。

  數(shù)字波束成形通過簡化RFIC前端電路使天線陣列系統(tǒng)擴展到更高的頻率，即毫米波（mmWave）。使用毫米波有多種優(yōu)勢。除了支持更高的帶寬外，其更短的波長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，雷達陣列可以監(jiān)測更多的目標，和更小的目標。

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

  解決辦法

  顯而易見的解決方案是使用光傳輸機制，因為光互連提供了高帶寬、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)有的設備（CPU、DSP、FPGA、ASIC、RFIC等）用外部光互連來增強是不夠的。為了實現(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。這為新的相控陣雷達架構(gòu)打開了豐富的可能性，如尺寸、重量和功率（SWaP）友好的分解實現(xiàn)。在現(xiàn)實世界里面，這些可能性的例子如下。

  航空航天。以飛機上的雷達為例，傳感器陣列可以安裝在機頭和機翼頂端，共封裝光學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中部的計算陣列。結(jié)合來自多個廣泛分布的傳感器的數(shù)據(jù)，可以提供更大的視場（FoV）和更高的分辨率。

  地面和海上雷達的部署。共封裝光學I/O能夠為戰(zhàn)區(qū)互聯(lián)等最終用途提供分解的傳感和處理。聚集來自多個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)勢感知度。

  搜索和救援。共封裝光學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。反過來，這也增加了檢測的概率，并減少了找到遇險者或處于緊迫危險中的人所需的時間。

  AyarLabs開發(fā)了TeraPHY?共封裝光學I/O小芯片（chiplets），其他設備（CPU、GPU、FPGA、ASIC、RFIC等）的設計者可以在他們的系統(tǒng)級封裝（SiP）模塊中嵌入這些小芯片。這些小芯片由AyarLabs的SuperNova?先進光源來配合使用（圖1）。

圖1. TeraPHY共封裝光學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1000倍的帶寬密度。