使用數字波束成形和共封裝光學I/O的SWaP友好架構

  現代雷達系統的功率和復雜性正在飛速增長。這些系統提供的能力在短短幾年前是無法想象的。此外，不斷地開發意味著這些系統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，必須克服數據帶寬這個瓶頸。

  數字波束成形

  波束成形是一種信號處理技術，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、數字或混合技術來完成。數字波束成形使用計算密集型的數字信號處理（DSP）算法來控制從天線陣列發送和接收的信號。

  與模擬技術相比，數字波束成形技術有許多優點，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移到數字領域來實現，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據流至關重要。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測和測量。數字波束成形在處理干擾方面也要好得多。例如，如果一個雷達系統受到來自敵對來源的干擾，數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的能力。它的瓶頸是大量的數字數據必須在天線陣列和計算（處理器）陣列之間來回傳遞。

  數字波束成形通過簡化RFIC前端電路使天線陣列系統擴展到更高的頻率，即毫米波（mmWave）。使用毫米波有多種優勢。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，樣本的數量也在增加，而隨著波長的減少，天線的數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。在現實世界里面，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可用于將數據從陣列中的RFIC芯片直接傳送到位于飛機中部的計算陣列。結合來自多個廣泛分布的傳感器的數據，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能夠為戰區互聯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據可提供更完整的整體圖像，從而最大限度地提高態勢感知度。

  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光源釋放了新的數字波束成形架構的潛力

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