主動電掃描陣列 (AESA) 雷達是當今先進武器系統的關鍵組成 ， 特別是機載作戰系統。而其體系結構的未來發展將超越最初的軍事應用，延伸到地球物理測繪、汽車輔助駕駛、自動車輛、工業機器人和增強現實等領域：實際上，這包括任何需要對大量的傳感器數據進行調理，融合到模型中進行判決的應用。

典型系統的角色

這一方法避免了采用大量的移動部件，支持雷達實現傳統天線采用物理方法無法獲得的功能，例如，瞬時改變波束方向，發送和接收同時有多個天線方向圖，或者把陣列分成多個天線陣，完成多項功能 —— 也就是，根據地形搜索目標，同時跟蹤目標。這些方法只需要在發送器增加一些信號，在每一接收器將信號分開。重疊是一種很好的方法。

一個完整的系統從CPU簇傳輸到天線，然后再返回 ( 圖 1 ) 。 一開始處理時，軟件控制的波形發生器產生系統要發送的啁啾。取決于應用，降噪、多普勒處理和隱身的需求會對信號有所損傷。

圖 1 .一個非常簡化的 AESA 系統結構圖。

一開始，接收到的信號實際上通過與反方向相同的通路，在后端要進行更多的處理。在每一個天線單元，限幅器和帶通濾波器保護了低噪聲放大器。放大器驅動 RF 下變頻器，可以結合模擬放大和調相功能。信號從 IF 級傳輸到基帶，每一天線單元的信號到達其模數轉換器 (ADC) 。然后，聚束模塊把天線信號重新組合成一路或者多路復數數據采樣流，每一數據流代表了來自某一接收波束的信號。這些信號流通過大占空比的數字信號處理 (DSP) 電路，進一步調理數據，進行多普勒處理，嘗試從噪聲中提取出實際信號。

什么時候進行數據轉換

目前可以把數據轉換器放在 IF 中，進行 IF 頻率轉換，所有基帶處理工作都是數字化的 ( 圖 2 ) 。 可以在基帶聚束網絡中，以數字方式在天線單元之間產生干涉方向圖的時延，每一個天線單元并不需要模擬相移器或者延時線。這種劃分方法支持 DSP 設計人員把發送和接收通路分解成分立的功能 —— 乘法器、濾波器、用于延時的 FIFO ，以及加法器，在 MATLAB 中對其進行建模，從庫中實現它們。可以把要求最苛刻的功能放到專門開發的 ASIC 、 FPGA 或者 GPU 芯片中，而把要求不太高的運算分組成 DSP 芯片或者加速器中的代碼。

圖 2 .把數據轉換器放到 IF 級的最后。

在其最后級，有目的的對接收鏈進行修改并實現。通過其濾波、聚束和脈沖壓縮級，鏈的任務是從噪聲中提取出信號，特別是那些可能承載了環境中實際目標信息的信號。然后，重點從信號轉向它們所代表的目標，任務的本質發生了改變。

從信號到目標

下一步一般是多普勒處理。首先，脈沖被送入方格陣列中( 圖 3 ) 。在陣列中，每一列含有從某一發射器啁啾返回的脈沖。陣列中會有很多列，這取決于系統能夠承受多大的延時。陣列中的行表示返回切換時間：距離陣列的 x 軸越遠，發射器啁啾和接收脈沖到達時間之間的延時就越大。這樣，延時方格也代表了與某一脈沖反射的目標的距離。

圖 3 .多普勒處理方格。

先進系統在陣列中增加了另一個維度。通過把天線劃分成子陣列，系統可以同時發送多個波束，然后，使用相同的多旁瓣天線方向圖設置接收器進行監聽。或者，系統通過聚束或者使用合成孔徑方法來掃描波束。現在，當裝入壓縮后的脈沖時，系統建立一個三維方格陣列：一個軸上是發送脈沖，第二個是返回延時，第三個是波束方位( 圖 4 ) 。現在，對于每一路脈沖，我們有兩維或者三維方格陣列，同時表示距離和方向 —— 表示物理空間。這種存儲器的排列是空時自適應處理 (STAP) 的起點。

圖 4 .多維方格為STAP建立矩陣。

概念上，實際情況也是如此，構成自適應濾波器是一個矩陣求逆過程：這一數據要與哪一矩陣相乘，得到噪聲中隱藏的結果 ? 據Altera資深技術營銷經理Michael Parker，推測的隱藏方向圖信息可能來自多普勒處理過程發現的種子，從其他傳感器采集的數據，或者來自智能數據。運行在 CPU 下游的算法把假設的方向圖插入到矩陣方程中，解出能夠產生預期數據的濾波函數。

兩種體系結構

作為對比，汽車或者機器人系統設計人員會從完全不同的角度看系統。從嵌入式設計人員的角度看，系統只是一大段軟件，有一些非常專用的 I/O 器件，以及需要進行加速的某些任務。有經驗的雷達信號工程師考慮到信號處理和通用硬件的相對規模，可能會對這一方法不屑一顧。很顯然，機載多功能雷達的數據速率、靈活性和動態范圍要求采用專用 DSP 流水線以及大量的本地緩沖才能完成實時處理。但是對于有幾個天線單元的不同應用，簡單的環境、更短的距離和較低的分辨率，以 CPU 為中心的觀點帶來了一些有意思的問題。

實際結果可能與以 DSP 為中心的方法完全不同。例如，以 CPU 為中心的方法一開始假設在一片通用 CPU 上執行所有工作。如果速度不夠快，這一方法轉向多片 CPU ，共享一個分層的連續存儲器。只有當多核不足以完成任務時，這一方法才轉向優化的硬件加速器。

在要求最嚴格的應用中，同一個系統設計可能會同時采用兩種體系結構方法。幾乎每一任務嚴格的帶寬和計算需求都導致采用專用硬件流水線和存儲器例化。要求大幅度降低功耗可能會迫使做出采用高精度數字方法的決定，這使得在任務之間共享硬件變得越來越復雜。

Frantz 指出了關于模擬 / 數字邊界的問題。他說：“我們需要重新考慮模擬信號處理。三十年以前，我們開始告訴系統設計人員只要做好數據轉換就行，我們采用數字方法完成其他所有工作。但是實際上，在 8 位分辨率，模擬和數字方法大概是相同的。模擬是不是更好一些 ? 這取決于在您的系統中，‘更好'的含義是什么。”

圖 5 .一個理想的低性能AESA系統。

AESA 雷達系統不但為研究實現策略提供了豐富的環境，而且還提供了方法來研究有大量信號的系統。這些有源陣列分布在軍事等多種設計應用中，所以，不應該局限在傳統的嵌入式設計思路中。因此，對于完全不同的需要大量信號的領域要有新思路，這包括信號智能和網絡安全等應用。這是值得注意的領域。