[مقدمة]يقارن هذا البحث بين نسب كفاءة الطاقة في أبنية تشكيل الحزم التناظرية والرقمية والهجينة ، ويطور نماذج معادلة تفصيلية لاستهلاك الطاقة لهذه البنى الثلاثة لاستقبال المصفوفات المرحلية. يوضح النموذج بوضوح مساهمة الأجهزة المختلفة في تبديد الطاقة الكلي وكيف يختلف تبديد الطاقة باختلاف معلمات المصفوفة. تُظهر مقارنة بين منتج استهلاك الطاقة / عرض الحزمة لمعماريات المصفوفات المختلفة أنه بالنسبة للصفيفات المرحلية mmWave مع عدد كبير من العناصر ، فإن النهج المختلط له ميزة.
أدى الدور المتزايد الأهمية للمصفوفات المرحلية في أنظمة الرادار والاتصالات الحديثة إلى تجديد الاهتمام بتحسين أداء النظام وكفاءته. يُعرف تشكيل الحزم الرقمية (DBF) ومزاياه على الطرق التناظرية التقليدية منذ عقود ، لكن التحديات المختلفة المرتبطة بمعالجة الإشارات الرقمية أعاقت تطبيقه. مع استمرار تقلص أحجام الميزات والنمو الهائل الناتج في قوة الحوسبة ، نشهد اهتمامًا واسع النطاق بتبني المصفوفات الرقمية المرحلية. بينما تتمتع DBFs بالعديد من الخصائص الجذابة ، إلا أن ارتفاع استهلاك الطاقة والتكلفة لا يزالان يمثلان مشكلة. تتميز طرق تشكيل الحزمة الهجينة بنسب كفاءة طاقة ممتازة وقد تكون مناسبة للعديد من التطبيقات.
الشعاع التناظري والرقمي
في قلب تشكيل الحزمة توجد عمليات التأخير والجمع ، والتي يمكن أن تحدث في المجال التناظري أو الرقمي. يمكن تقسيم تشكيل الحزمة التناظرية إلى عدة فئات فرعية بناءً على مكان تطبيق التأخير أو إزاحة الطور في سلسلة الإشارة. تتناول هذه المقالة فقط تشكيل حزم الترددات الراديوية. كما هو مبين في الشكل 1 أ ، يتم ترجيح الإشارات الواردة من عناصر الهوائي ودمجها لتكوين حزمة يتم معالجتها بعد ذلك بواسطة الخلاطات وبقية سلسلة الإشارة ، وهو تنفيذ تقليدي لصفيف مرحلي.
الشكل 1. مقارنة بين (أ) معماريات تماثلية و (ب) معمارية تشكيل الحزم الرقمية.
من عيوب هذه البنية أنه من الصعب إنشاء عدد كبير من الحزم المتزامنة. الآن ، لإنشاء حزم متعددة ، يجب تقسيم إشارة كل عنصر وتأخيرها وتلخيصها بشكل مستقل. يتناسب عدد وحدات السعة والطور المتغيرة (VAP) المطلوبة لهذا مع عدد العناصر والحزم. تتطلب وحدات VAP وتقسيم الشبكة ودمجها مساحة كبيرة ، كما أن متطلبات المنطقة المتزايدة وتعقيد تقسيم الشبكة ودمجها يجعل من غير العملي تنفيذ حزم تناظرية متعددة في وقت واحد بالإضافة إلى عدد قليل من الحزم الفعلية. بالنسبة للمصفوفات المستوية ، فإن المنطقة المتزايدة باستمرار تجعل من الصعب أيضًا ملاءمة الإلكترونيات داخل الشبكة التي تمليها خطوة العنصر. أيضًا ، بشكل أكثر جوهرية ، مع كل انقسام ، تتدهور نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) ، وتحد الضوضاء الأرضية من عدد المرات التي يمكن فيها تقسيم الإشارة ، والتي بعدها تغمر الإشارة ضوضاء الأرضية.
باستخدام DBF ، من السهل نسبيًا إنشاء حزم متعددة في وقت واحد. كما هو مبين في الشكل 1 ب ، يتم رقمنة الإشارة من كل عنصر بشكل مستقل ، متبوعة بعملية تشكيل الحزمة في المجال الرقمي. بمجرد الدخول إلى المجال الرقمي ، يمكن إنشاء نسخة من الإشارة دون فقدان الدقة ، ثم يتم تأخير النسخة الجديدة من الإشارة وتجميعها لإنشاء حزمة جديدة. يمكن تكرار ذلك عدة مرات حسب الحاجة ، مما يؤدي إلى إنشاء عدد لا حصر له من الحزم نظريًا. من الناحية العملية ، فإن معالجة الإشارات الرقمية واستهلاك الطاقة والتكلفة المصاحبة لها ليست بلا حدود ، مما يحد من عدد الحزم أو منتج عرض نطاق الحزمة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إعادة تكوين عدد الحزم في DBF في أي وقت ، وهو أمر غير ممكن باستخدام التقنيات التناظرية. يدعم DBF أيضًا معايرة أفضل والتصفير التكيفي. كل هذه المزايا تجعل DBF جذابًا للغاية لمختلف تطبيقات الصفيف التدريجي في أنظمة الاتصالات والرادار. ومع ذلك ، تأتي كل هذه الفوائد على حساب زيادة التكلفة واستهلاك الطاقة. يتطلب النطاق الأساسي DBF ADC وخلاطًا لكل عنصر ، بينما يتطلب تكوين الحزمة التناظرية المكونات المرتبطة فقط لكل حزمة. يمكن أن تؤدي الزيادة في عدد الأجهزة إلى زيادة استهلاك الطاقة والتكلفة بشكل كبير ، خاصةً للصفائف الكبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، يحدث تشكيل الحزمة في DBF في النطاق الأساسي ، وتتأثر الخلاطات و ADCs بأي إشارة موجودة في مجال الرؤية الواسع لكل عنصر ، لذلك يجب أن يكون هناك نطاق ديناميكي كافٍ للتعامل مع التداخل المحتمل. بالنسبة لتشكيل الحزمة التناظرية ، تتمتع الخلاطات و ADCs بفوائد التصفية المكانية ، لذلك يمكن تخفيف متطلبات النطاق الديناميكي. يعد الحفاظ على تماسك الطور أثناء توزيع إشارات LO عالية التردد تحديًا أيضًا لتطبيقات DBF ويزيد من استهلاك الطاقة.
تعتبر المتطلبات الحسابية لتشكيل الحزمة الرقمية مساهماً هاماً في الاستهلاك الكلي للطاقة. تتناسب كمية البيانات التي يتعين على DSP معالجتها مع عدد العناصر وعدد الحزم وعرض النطاق الفوري للإشارة.
بالنسبة إلى المصفوفات الكبيرة التي تعمل بترددات mmWave ، غالبًا ما يكون عرض النطاق الترددي للإشارة كبيرًا ويمكن أن يكون حمل البيانات مرتفعًا بشكل فلكي. على سبيل المثال ، بالنسبة لمصفوفة مكونة من 1024 عنصرًا بعرض نطاق 500 ميجا هرتز و ADC 8 بت ، يحتاج DSP إلى معالجة 8 تيرابايت تقريبًا من البيانات في الثانية لكل حزمة. إن نقل ومعالجة مثل هذه الكمية الكبيرة من البيانات يستهلك قدرًا كبيرًا من الكهرباء. من حيث الحمل الحسابي ، هذا يعادل حوالي 4 × 1012 مضاعفات في الثانية لكل حزمة. بالنسبة لحزم متعددة من عرض النطاق الترددي الكامل للإشارة ، فإن القدرة الحسابية المطلوبة تتجاوز قدرات أجهزة DSP الحالية. في تنفيذ نموذجي ، يظل منتج عرض نطاق الحزمة كما هو ، وإذا زاد عدد الحزم ، فسيتم توزيع عرض النطاق الإجمالي بين الحزم. تتم معالجة الإشارات الرقمية عادةً بطريقة موزعة من أجل التمكن من التعامل مع كميات كبيرة من البيانات. ولكن هذا غالبًا ما يتطلب مقايضات مثل مرونة تشكيل الحزم واستهلاك الطاقة وزمن الانتقال وغير ذلك. بالإضافة إلى طاقة المعالجة ، تستهلك واجهات بيانات الإدخال / الإخراج عالية السرعة لوحدات DSP المختلفة قدرًا كبيرًا من الطاقة.
هجين الشعاع
كما يوحي الاسم ، فإن تشكيل الحزم الهجين هو مزيج من تقنيات تشكيل الشعاع التناظرية والرقمية ، مما يوفر أرضية وسطية بين الاثنين. تتمثل إحدى الطرق في تقسيم المصفوفة إلى مصفوفات فرعية أصغر وإجراء تشكيل شعاع تناظري داخل المصفوفات الفرعية. إذا كان عدد العناصر في المصفوفة الفرعية صغيرًا نسبيًا ، فإن الحزمة الناتجة تكون واسعة نسبيًا ، كما هو موضح في الشكل 2. يمكن اعتبار كل مجموعة فرعية كعنصر فائق مع نوع من نمط الإشعاع الاتجاهي. يتم بعد ذلك إجراء تشكيل الحزمة الرقمي باستخدام الإشارات من المصفوفات الفرعية ، مما ينتج عنه حزم ضيقة عالية الكسب تقابل الفتحة الكاملة للصفيف. باستخدام هذا النهج ، يتم تقليل عدد الخلاطات و ADCs وحجم حمل معالجة البيانات بمقدار مساوٍ لحجم المصفوفة الفرعية مقارنةً بتشكيل الحزمة الرقمية بالكامل ، مما يؤدي إلى توفير كبير في التكلفة والطاقة. بالنسبة لصفيف عنصر 32 × 32 ، إذا كانت المصفوفات الفرعية بحجم 2 × 2 ، فسوف ينتج عن 256 مصفوفة فرعية عرض حزمة نصف القدرة (HPBW) بمقدار 50.8 درجة أو 0.61 راديان. باستخدام الإشارات من 256 مصفوفة فرعية ، يمكن استخدام DBF لإنشاء أكبر عدد ممكن من الحزم العملية. HPBW المقابل للفتحة الكاملة هو 3.2 درجة أو 0.0024 ريال. بعد ذلك ، يمكن إنشاء ما يقرب من 254 حزمة رقمية داخل حزمة كل مجموعة فرعية ، والتي لا تتداخل بشكل كبير مع بعضها البعض. يتمثل أحد قيود هذا النهج مقارنةً بـ DBF الكامل في أنه سيتم احتواء جميع الحزم الرقمية في مجال رؤية نمط المصفوفة الفرعية. يمكن بالطبع أيضًا توجيه الحزم التناظرية للمصفوفة الفرعية ، ولكن في وقت ما ، سيحد عرض الحزمة التناظرية من اتجاه الحزمة النهائية.
الشكل 2. تشكيل الشعاع الهجين.
عادةً ما يكون نمط المصفوفة الفرعية عريضًا ، مما قد يكون حلاً وسطًا مقبولاً للعديد من التطبيقات. بالنسبة للتطبيقات الأخرى التي تتطلب مزيدًا من المرونة ، يمكن إنشاء عدة حزم تناظرية مستقلة لحل هذه المشكلة. قد يتطلب ذلك المزيد من كتل VAP في الواجهة الأمامية للتردد اللاسلكي ، ولكنه لا يزال يقلل من عدد ADC والخلاطات مقارنة بـ DBF الكامل. كما هو مبين في الشكل 3 ، يمكن إنشاء حزمتين تناظريتين لتحقيق تغطية أكبر مع الاستمرار في تقليل عدد الخلاطات ، و ADCs ، وتدفقات البيانات الناتجة عن عامل اثنين.
الشكل 3. الحزم الهجينة متعددة الحزم التناظرية.
ينتج عن تشكيل الشعاع الهجين أيضًا تدهور الفص الجانبي مقارنة بـ DBF. تقدم الطبيعة الهجينة للتحكم في الطور أخطاء في الطور عند مسح الحزمة الرقمية بعيدًا عن مركز الحزمة التناظرية. يتم تحديد تغيير الطور بين العناصر داخل المصفوفة الفرعية عن طريق توجيه الحزمة التناظرية ويظل ثابتًا بغض النظر عن زاوية المسح الرقمي. بالنسبة لزاوية مسح معينة ، يمكن للتحكم الرقمي فقط تطبيق المرحلة المناسبة على مركز المصفوفة الفرعية ؛ يزداد خطأ الطور عند الانتقال من المركز إلى حافة الصفيف الفرعي. ينتج عن هذا أخطاء دورية في الطور عبر المصفوفة ، مما يقلل من كسب الحزمة وينتج فصوصًا شبه جانبية وصريفية. تزداد هذه التأثيرات مع زاوية المسح ، وهو عيب في تشكيل الحزمة الهجين مقارنة بالبنى التناظرية أو الرقمية البحتة. يؤدي إجراء الخطأ غير الدوري إلى تحسين تدهور الفص الجانبي والفص المشبك ، والذي يمكن تحقيقه عن طريق خلط أحجام المصفوفات الفرعية والتوجيهات والمواقع.
نسبة كفاءة الطاقة
يقارن هذا القسم بين نسب كفاءة الطاقة لتشكيل الحزمة التناظرية والرقمية والهجينة من منظور صفيف مرحلي استقبال. يتم إعطاء نماذج استهلاك الطاقة لتشكيل الحزمة التناظرية والرقمية والهجينة بواسطة المعادلات 2 و 3 و 4 على التوالي. يسرد الجدول 1 معاني الرموز المختلفة وقيمها المفترضة في التحليلات اللاحقة.
الجدول 1. الرموز والمعاني والافتراضات والمراجع ذات الصلة
فيما يلي بعض النقاط الرئيسية حول طراز الطاقة:
يُفترض أن تكون قدرة إشارة التردد الراديوي في الخلاط هي نفسها لجميع معماريات تشكيل الحزمة الثلاثة.
في بعض المنشورات ، قيل أنه بالنسبة لـ DBF ، يمكن تقليل عدد البتات المطلوبة مقارنةً بتكوين الحزمة التناظرية بسبب التأثير المنخفض لضوضاء التكميم الخاصة بـ ADC على SNR (بمقدار يساوي عامل الصفيف). ومع ذلك ، في DBFs ، تحتاج ADCs أيضًا إلى نطاق ديناميكي أعلى ، لأنها لا تتمتع بفوائد الترشيح المكاني وتحتاج إلى التعامل مع جميع الاضطرابات الموجودة في مجال رؤية مخطط الإشعاع لكل عنصر. مع أخذ ذلك في الاعتبار ، يفترض هذا النموذج أن عدد البتات في ADC هو نفسه في جميع الحالات.
بالنسبة لـ DBF ، يكون منتج عرض النطاق الترددي للحزمة مقيدًا بقدرة المعالجة الخاصة بـ DSP ، والتي يتم أخذها في الاعتبار في DSPTP المتغير. بالنسبة للحالة المختلطة ، تقل قدرة المعالجة القصوى بشكل متناسب مع انخفاض استهلاك الطاقة.
يتكون استهلاك الطاقة DSP لـ DBF من جزأين – الحساب و I / O. أربع عمليات مضاعفة وتراكم حقيقية (MAC) لكل عملية مضاعفة معقدة تبلغ حوالي 1.25 ميجاوات / GMAC. في هذه الحالة ، تستهلك I / O معظم طاقة DSP ، وفقًا لـ “A 56 Gb / s PAM4 Wireline Transceiver باستخدام 32-way Time-Interleaved SAR ADC in 16 nm FinFET.” 56 جيجابت في الثانية PAM4 Wired Transceiver for 32 ADCs SAR بتبادل زمني) بتقدير 10 ميجاوات / جيجابت في الثانية. بالنسبة لطرق تشكيل الحزمة الأكثر تعقيدًا التي تتطلب حسابًا أكثر كثافة ، سيكون الانحراف في نسبة الطاقة أصغر ، لكن إجمالي استهلاك الطاقة DSP سيزداد. بالإضافة إلى ذلك ، تستند افتراضات استهلاك طاقة الإدخال / الإخراج في هذا النموذج إلى الحد الأدنى من عمليات نقل البيانات. اعتمادًا على بنية DBF ، قد يكون استهلاك الطاقة في الإدخال / الإخراج أعلى.
استهلاك الطاقة لحسابات ADC و DSP أسي مع عدد البتات. لذلك ، يمكن تقليل أرقام استهلاك الطاقة هذه بشكل كبير عن طريق تقليل عدد وحدات البت. من ناحية أخرى ، لا يختلف استهلاك طاقة DSP I / O ، وهو أكبر مساهم ، بشكل كبير مع عدد البتات.
يتم حساب خسارة التوجيه (Lpath) من خلال الجمع بين خسائر خط نقل GCPW على IC السيليكوني وثنائي الفينيل متعدد الكلور منخفض الخسارة. بالنسبة لخط النقل على الرقاقة ، يُفترض أن تكون الخسارة 0.4 ديسيبل / مم ، بينما بالنسبة لتتبع ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، تُؤخذ الخسارة على أنها 0.025 ديسيبل / مم. بالإضافة إلى ذلك ، تشير التقديرات إلى أن 5٪ من الأسلاك موجودة على الشريحة والباقي على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يأخذ تشكيل الحزمة التناظرية في الحسبان خسائر الكبلات المرتبطة بتجميع الترددات الراديوية ، بينما يأخذ تشكيل الحزمة الرقمية في الحسبان الخسائر في شبكة توزيع LO.
بالنسبة للنموذج الهجين ، يُفترض أن تتوافق كل حزمة مع الفتحة الكاملة للصفيف.
يظهر اعتماد استهلاك الطاقة على عدد الحزم في الشكل 4. بالنسبة للحالة التناظرية ، يتطلب تغيير عدد الحزم تغيير التصميم ، بينما في DBF يمكن تغيير عدد الحزم في أي وقت ويظل التصميم كما هو. بالنسبة للحالة الهجينة ، ضع في اعتبارك تصميمًا واحدًا مع عدد ثابت من الحزم التناظرية (ns). افترض أيضًا أنه عندما يكون عدد الحزم أقل من ns ، يتم إيقاف تشغيل مكبرات الصوت في المسارات غير المستخدمة.
الشكل 4: استهلاك الطاقة مقابل عدد الحزم لمعماريات تشكيل الحزمة التناظرية والرقمية والمختلطة (بأربعة حزم تناظرية). بالنسبة للحالة التناظرية ، يظهر المنحنى على شكل خط متقطع لأكثر من أربعة حزم ، مما يشير إلى صعوبة المزيد من الحزم لتحقيق استخدام التقنيات التناظرية. بالنسبة للحالات الرقمية والهجينة ، تصبح قدرة وعرض النطاق لكل حزمة ثابتة بمجرد الوصول إلى قدرة DSP.
بالنسبة لحزمة واحدة ، يستهلك التنفيذ الرقمي مزيدًا من الطاقة بسبب الحمل الإضافي للخلاطات الإضافية ومضخمات LO و ADCs. بالنسبة للحالة الرقمية ، يعتمد المعدل الذي يزداد فيه استهلاك الطاقة على الزيادة في معدل البيانات الإجمالي ؛ بالنسبة للحالة التناظرية ، يرتبط المعدل الذي يزيد فيه استهلاك الطاقة بالطاقة المطلوبة للتعويض عن الخسائر التي تسببها التحويلات ووحدات VAP الإضافية . نظرًا لتعقيد تقسيم الشبكة والجمع الموصوف أعلاه ، فإنه من غير العملي استخدام تشكيل الحزمة التناظرية لتحقيق عدد كبير من الحزم ، وهي حقيقة ينعكسها الخط المتقطع وراء أربع حزم. بالنسبة لـ DBF ، بمجرد الوصول إلى السعة القصوى لـ DSP ، لا يزيد استهلاك الطاقة بعد الآن. بعد هذه النقطة ، تؤدي زيادة عدد الحزم إلى تقليل عرض النطاق الترددي لكل حزمة. من حيث استهلاك الطاقة ، فإن DBF يمكن مقارنته بـ ABF ، مع استهلاك أقل للطاقة عندما يكون هناك عدد كبير من الحزم. مقارنةً بـ DBF ، يقلل النهج الهجين بشكل كبير من الحمل والمنحدر ، ويصل إلى نقطة التعادل بشكل أسرع.
يوضح الشكل 5 استهلاك الطاقة لكل منتج عرض نطاق الحزمة ويقارن نسب كفاءة الطاقة لحالات تشكيل الحزمة الثلاث. كما يتضح ، فإن تشكيل الشعاع التناظري يكون دائمًا أكثر كفاءة. يبدأ النهج الهجين في مكان ما بين الطرفين ويصبح مشابهًا للحالة التناظرية مع زيادة عدد الحزم.
الشكل 5. مقارنة نسب كفاءة الطاقة لمعماريات تشكيل الحزم التناظرية والرقمية والهجينة.
ختاماً
تنطبق المقارنات ونماذج استهلاك الطاقة الواردة في هذه المقالة فقط لتلقي مصفوفات مرحلية (Rx). بالنسبة لحالة الإطلاق ، ستتغير بعض الافتراضات الأساسية وقد تكون زيادة استهلاك الطاقة لبنية DBF بالكامل أقل حدة. حتى في حالة الاستقبال ، تعتمد الاختلافات بين المعماريات الثلاثة إلى حد كبير على المعلمات الموضحة في المعادلات من 2 إلى 4. بالنسبة لقيم المعلمات غير الواردة في الجدول 1 ، ستختلف الاختلافات بين الرسوم البيانية. ولكن من الآمن أن نقول إن النهج الهجين يتيح توفيرًا كبيرًا في الطاقة في العديد من التطبيقات مع الاحتفاظ بمعظم مزايا تشكيل الحزمة الرقمية. كما ذكرنا سابقًا ، هناك عيوب لاستخدام المسار الهجين ، ولكن بالنسبة للعديد من التطبيقات ، يمكن التغلب على هذه العيوب من خلال توفير الطاقة.
الدائرة المرجعية
1. تشوجيانغ لي ، وعمر الأعسر ، وأرفيند كومار ، وميرا بوينكي ، وغابرييل إم ريبيز. “تصميم LNA باستخدام عملية CMOS SOI – 1.4dB NF K / Ka Band LNA.” ندوة الميكروويف الدولية IEEE / MTT-S – IMS ، يونيو 2018.
2. تشارلي ويلسون وبريان فلويد. “خلاط 20-30 جيجاهرتز – أول جهاز استقبال يستخدم تقنية 45-nm SOI CMOS.” ندوة IEEE حول الدوائر المتكاملة للترددات الراديوية (RFIC) ، مايو 2016.
3. بوريس مورمان. “استبيان أداء ADC 1997-2021.” ندوة ISSCC و VLSI.
4. مارتن بيرت و ويم ديهان. “VCO-Based 20.1 A 5GS / s 7.2 ENOB معشق زمني ADC يتيح 30.5fJ / Converter Steps.” مؤتمر IEEE الدولي لدوائر الحالة الصلبة – (ISSCC) ، فبراير 2019.
5. بريان ديجنان ، بو مار وجينيفر هاسلر. “تقييم اتجاهات الأداء لكل واط لتطبيقات معالجة الإشارات.” معاملات IEEE على أنظمة التكامل على نطاق واسع جدًا (VLSI) ، المجلد. 24 ، رقم 1 ، يناير 2016.
6. يوهان فرانس ، جاووك شين ، لي زو ، باراغ أوباديايا ، جاي إم ، فاسيلي كيريف ، محمد الزفتاوي ، هيفا هيداياتي ، توان فام ، سانتياغو أسونسيون ، كريس بوريلي ، جيف زانج ، هونجتاو زانج وكين تشانغ. “56-Gb / s PAM4 Wired Transceiver باستخدام 32 Time-Interleaved SAR ADCs in 16-nm FinFET.” IEEE Journal of Solid State Circuits، Vol. 52، No. 4، April 2017.
7. أوموت كوداك وغابرييل إم ريبيز. “شريحة فليب ثنائية الاتجاه بتردد 28 جيجاهرتز مصفوفة أساسية ذات كفاءة عالية وأنظمة 5G عالية الخطية في 45 نانومتر CMOS SOI.” ندوة IEEE حول الدوائر المتكاملة للترددات الراديوية (RFIC) ، يونيو 2017.
8. جون كونرود. “قضايا تصميم وتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور لدارات الموجات المليمترية.” إلكترونيات عالية التردد ، روجرز كورب ، مارس 2021
The Links: 2MBI150TA-060 LM64P701