הנדסה יעילה ופרודוקטיבית של מערכות לוחמה אלקטרונית (ל”א) דורשת יצירה של אותות בדיקה המייצגת באופן מדויק ועקבי את סביבת הלוחמה האלקטרונית. במיוחד, הדמיה של סביבות multi-emitter היא חלק חיוני מהבדיקה המציאותית.
נכון לעכשיו, ההדמיה של סביבות multi-emitter מתבצעת באמצעות מערכות גדולות ומורכבות שנבנות במיוחד, המשמשות במהלך הכנת המערכת ואימותה. מערכות אלה אינן זמינות באופן מיידי למהנדסי תכנון ל”א כציוד בדיקה למחקר ופיתוח. רמה חדשה של “מחוללי אותות מהירים” מספקת פתרון משולב במכשיר יחיד. אף שכלים אלה לא יכולים להשתוות ליכולת המלאה של מערכת ייעודית, הם יכולים לספק רמה משמעותית של הדמיית multi-emitter בתהליך הפיתוח, כאשר הגמישות בעיצוב והיעילות הן בשיאן.
מחולל אותות מהירים מבוסס על סינתזה דיגיטלית ישירה (DDS), המאפשרת לו להיות עקבי מבחינת הפאזה בכל התדרים כל הזמן. בנוסף לכך, לכלים אלה יש את היכולת להפעיל ישירות PDW – pulse descriptor words. ניתן גם לסנכרן את הכלים כדי לדמות זווית הגעה (AoA) על ידי שיתוף של ה- DDS ב 6GHz, עבור ה RF והסמנים, בתצורת ראשי/משנה (master/slave). עם יכולות אלה, מחולל האותות המהירים מאפשר הדמיות מדויקות ביותר.
הדמיה מדויקת של סביבות multi-emitter
הסביבות הספקטרליות המודרניות מכילות עשרות עד אלפי איומי מכ”ם שמפיקים מיליוני פולסים של מכ”ם בשנייה. איור 1 מראה סקירה כללית של סביבה ספקטרלית עמוסה בפולטי מכ”ם.
איור 1. זהו ייצוג כללי של צפיפות האיומים לעומת רצועת התדרים בסביבה תפעולית טיפוסית. הסביבה המלאה של RF/גלי מיקרו כוללת גם את השפעה ההולכת והגדלה של אותות אלחוטיים מסחריים.
הדמיית סביבה זו היא אתגר גדול, במיוחד בשלב התכנון. בתכנון ל”א, עקב הצפיפות ומשום שטווח התדר של הסביבה לא מעשי ניתן לדמות מספר פולטים באמצעות מקור אותות קונבנציונלי אחד (לדוגמה, אחד המבוסס על סינתזה fractional-N), או אף מספר קטן של מקורות כאלה, מפני שהם לא יכולים לשנות הגדרות במהירות מתאימה.
יצירת צפיפות דורשת את היכולת לדמות פולטים רבים באמצעות מקור אחד. כאשר יש צורך להפיק צפיפות אותות גדולה עוד יותר, או לדמות AoA, הפתרון הוא להשתמש במספר מקורות ולסנכרן אותם, וכל אחד מהם מדמה פולטים רבים.
היכולת לדמות פולטים רבים בתדרים רבים תלויה במספר תכונות עיקריות: תדירות שידור פולסים (PRF) ומחזור פעילות, מספר הפולטים והיכולת של המקור לעבור באופן מהיר ועקבי בין הגדרות תדר, אמפליטודה ומודולציה. כאשר מדמים מספר פולטים, התנגשויות פולסים הן גורם מגביל בשימוש במחולל אותות יחיד. אחוז התנגשויות הפולסים גובר עם מספר הפולטים והשימושים ב-PRF גבוהים.
מהירות המקור היא הגורם העיקרי ביכולתו לדמות פולטים רבים. לדוגמה, זמן ההתייצבות לשינויים בתדר או באמפליטודה – הגדול מבין השניים – קובע את זמן המעבר בין הפעלת PDW אחד לשני. צפיפות הפולסים הכוללת של מקור יחיד מוגבלת על ידי סכום זמן מעבר זה והרוחב (בזמן) של הפולסים המשודרים (איור 2). “תקופת השבתה” זו צריכה להיות קצרה ככל האפשר, ולכן זמני ההתייצבות של המקור צריכים גם הם להיות קצרים ככל האפשר.
איור 2. במהלך תקופת ההשבתה, המקור אינו זמין להדמיית איום אחר. אם הוא מועבר, הוא לא יכול להפעיל פולס. אם הוא מפעיל פולס, הוא לא יכול לעבור.
כדי לדמות צפיפות פולסים גבוהה וכדי לתת אפשרות לחפיפה מסוימת של פולסים, ייתכן שיהיה צורך לשלב בין מספר מקורות. ככל שיותר מקורות נוספים לתצורת הבדיקה, כך צפיפות הפולסים אמורה להתגבר בקלות ובצורה חלקה עד שהיא מגיעה בסופו של דבר לקיזוז הרצוי בין ריאליזם לעלות. כדי שכל זה יעבוד יש צורך בסנכרון מדויק בין כל המקורות המחוברים.
שימוש במחולל אותות משולב
בעבר, הדמיות נוצרו בדרך כלל באמצעות רכיב נפרד לכל emulator function: יצירת אותות, מודולציה, פולסים, היחלשות, הגברה ושינוי פאזה. אותות PDW יכולים להישלח לכל רכיב פונקציונלי כדי לספק פלט לכל פולס בנפרד. בגישה זו, סנכרון הזמן מציב אתגרים משמעותיים בתצורה ובהפעלה. יש לאפיין מגוון רחב של זמני התייצבות ויתירות כדי למזער את תקופות ההשבתה ועל ידי כך למטב את צפיפות הפולסים במלואה. ניתן לדרג מערכות אלה כדי ליצור ערוצים מתואמים מרובים. עם זאת, הן דורשות כמות עצומה של ציוד, המובילה לתפיסת מקום פיזי רב ולעלות גבוהה. החלופה: מחולל אותות מהיר משולב המבוסס על DDS.
השגת יתרונות קריטיים
איור 3. מחולל האותות המהירים UXG של Keysight, המוכן לשימוש, הוא אבן יסוד רבתכלי רב-עוצמה שניתן להשתמש בוה כמתנד מקומי מהימן או סימולטור המדמה איומים הניתן לשדרוג.
כפי שמיושם במחולל האותות המהיר UXG של Keysight (איור 3), לגישה זו יש ארבעה יתרונות חשובים. ראשית, הוא יכול לשלוט באופן דיגיטלי בכוונון תדרים ופאזות בתוך מחזור שעון יחיד. שנית, הוא מספק דילוג תדרים מהיר באמצעות המשכיות הפאזות ויכולת החזרה של הפאזות הנדרשות לדימוי מכ”מים דופלרים בתדרים שונים תוך שמירה על יחסי הפאזות המקוריים. יתרון שלישי, הוא מבטיח דיוק מספרי ויכולת חזרה באמצעות יצירת מודולציה בתחום התדרים. ויתרון רביעי, הוא מאפשר סנכרון פשוט של כלים רבים על ידי שיתוף התייחסות DAC משותפת בתצורת ראשי/משני (master/slave).
שני יתרונות נוספים רלוונטיים למהנדסי ל”א. האחד, DDS שמשתמש במודולטור דיגיטלי לאמפליטודה, לתדר ולמודולציה של הפאזה יכול ליצור אותות במודולציה דיגיטלית במתנד הנשלט באופן מספרי. השני, מודולציית תדר ליניארית (LFM) וקודי ברקר ניתנים לסינתזה באופן ישיר באמצעות המתנד בשליטה מספרית.
שילוב מערכות משנה חדשניות
חידושים שהגיעו לאחרונה מ-Keysight מספקים דוגמה ל-DAC – ולפיכך ל-DDS – המתאים ליישומי בדיקת ל”א. ה-DAC תוכנן ליישומי RF, עם שילוב של עומק סיבית גבוה וטוהר מצוין, כולל ביצועים יוצאי דופן של רעש פאזה וטווח דינאמי ללא spurs – SFDR של -70dBc. קצב הדגימה הגבוה של ה-DAC תומך ב-DDS עם רוחב פס רחב שמפחית את מספר שלבי ההכפלה הדרושה לסינתזה של תדרי גלי מיקרו. שימוש בפחות שלבי הכפלה מגביל את כמות רעש הפאזה ואת מספר אותות ה-spurs הנמצאים בפלט גל המיקרו. הארכיטקטורה של מחולל אותות מהיר לגלי מיקרו, מבוסס-DDS, מוצגת באיור 4. עיצוב זה משתמש בחדשנות של Keysight בטכנולוגיות של מעבר DAC ו-FET.
איור 4. תרשים מלבנים זה ברמה גבוהה מציג את הפעולה הפנימית של מחולל אותות מהירים שכולל את 10 MHz עד 40 GHz.
יצירת אותות מתחילה ב-DDS, שממוטב לפלט spurs נמוך מאוד מפני שה-spurs גוברים עם כל שלב הכפלה. בהתאם לצורך, רצף של מעגל מכפיל משמש ליצירת אותות עד 40GHz. כל שלב הכפלה משתמש במסנני מעביר פס (bandpass) כדי להסיר אותות לא רצויים שנוצרו על ידי המכפילים. ה-DDS מספק גם יכולת של מודולציה בפולס. מתגי ה-FET מספקים הנחתה מהירה ומשמשים לשליטה ברמת הפלט. מנחתים אלה מספקים התייצבות מהירה מאוד המתאימה למהירות המעבר בין התדרים, ומאפשרים למקור ליישם בקרת כוח בלולאה פתוחה בדיוק רב וללא אובדן בזמן המעבר. המודולטור של הפולסים משמש גם כמתג FET. עם תכונות אלה, מחולל האותות המהירים ממלא דרישות חשובות של תפקוד וביצועים: מעברים מהירים בין פולטים רבים, טווח דינמי גבוה שמתאים לזה של מקלטי ל”א מודרניים, הדמיה של איומים רבים עם רמות כוח מדויקות והעברה מהירה של אמפליטודה ותדר ומודולדציה בין פולסים באמצעות קודי ברקר או LFM.
יצירת הדמיות מדויקות של AoA
אף שחיוני ליצור פולטים עם המהימנות והצפיפות הרצויות, חשוב גם להתאים את הגיאומטריה והקינמטיקה של תרחישי ל”א בעולם האמיתי. לדוגמה, דבר זה חיוני בעת הדמיה של תקרית פולסים של AoA במקלט ל”א. מערכות ל”א מודדות AoA ומערכות מרחק באמצעות השוואת אמפליטודות, דופלר דיפרנציאלי, אינטרפרומטריה (כלומר הבדל בפאזות) והבדל בזמני ההגעה (TDoA). מדידות מדויקות של AoA מאפשרות מיקום מדויק של איומים ועל ידי כך, מיון מהיר וטוב יותר של פולטים מרובים על ידי מערכת הל”א.
דבר זה חשוב בחלקו מפני שחלק מהמערכות האחרונות של הפרעת איזון (standoff jamming) משתמשות בטכנולוגיה של מערך בסריקה אלקטרונית פעילה (active electronically scanned array -AESA) המסוגלת ליצור קרן מדויקת כדי למזער את אובדן כוח ההפרעה עקב התפזרות הקרן לכיוון האיום. בנוסף לכך, בזכות מקלטי ל”א עם יכולת AoA משופרת השילוב והמיון מהירים וקלים יותר. כתוצאה מכך, בדיקת AoA הופכת בהדרגה לדרישה חשובה.
בעבר, AoA נוצר עם שילוב של מקורות אותות, מעבירי פאזות אנלוגיים, מנחתים וחוסמי עודפים בנתיב הכבלים למערכת הנבדקת (SUT). אלמנטים אנלוגיים אלה תפסו מקום רב, היתה להם רזולוציה מוגבלת והם היו יקרים. כאלטרנטיבה, ניתן לסנכרן מחולל אותות מהירים רבים כדי ליצור פלט עקבי מבחינת פאזות ומסונכרן מבחינת זמן, שיאפשר שליטה עדינה במיוחד ביצירת הפאזה, האמפליטודה וכיוון הגל ב-SUT.
סיכום
שימוש בהדמיות מציאותיות של סביבת לוחמה אלקטרונית בשלב מוקדם בתהליך הפיתוח ישפר את ביצועי המערכת, יאיץ את תהליך התכנון ויפחית את העלויות הכוללות. פתרון המבוסס על מחולל אותות משולב יאפשר גם דימוי רב יותר בבדיקה במהלך התכנות של מערכות ל”א קיימות. בדיקה נרחבת של התנהגות המערכת לפני הפריסה חיונית כדי להבטיח שהמערכת עובדת כצפוי בזמן אמת.
