機(jī)載綜合射頻通信傳感器架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 王 健

機(jī)載綜合射頻通信傳感器架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 王 健

本文提出機(jī)載射頻一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，從頂層規(guī)劃綜合射頻通信傳感器系統(tǒng)架構(gòu)，通過標(biāo)準(zhǔn)化手段進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)和過程控制，形成通用化的體系架構(gòu)、模塊劃分以及統(tǒng)一接口，在支持現(xiàn)有典型通信傳感器功能的基礎(chǔ)之上，具備新射頻通信功能的快速擴(kuò)展能力，從而最大限度地提高系統(tǒng)的可重用性、可靠性與維修性，并降低全生命周期使用維護(hù)成本。

綜合射頻；CNI；通信傳感器

1.引言

機(jī)載射頻系統(tǒng)（也可稱為射頻傳感器系統(tǒng)）作為機(jī)載航電的重要組成部分，其性能和技術(shù)水平的高低不僅直接決定和影響著飛機(jī)的綜合性能，更是提升其信息化程度的關(guān)鍵要素。長(zhǎng)期以來，機(jī)載射頻通信傳感器系統(tǒng)采用完全獨(dú)立開發(fā)的各類通信、導(dǎo)航、識(shí)別裝備并“松散”的整合在整個(gè)航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)，完成所需的各種功能。就機(jī)載通信系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)的通信設(shè)備僅能滿足單模式和窄頻段的通信需求。不同頻段通信系統(tǒng)之間很難實(shí)現(xiàn)信息交互，通常只能采用組合式無線電的方式來實(shí)現(xiàn)，通過激活硬件的不同狀態(tài)來完成不同系統(tǒng)之間的切換。這種組合無線電的體系結(jié)構(gòu)需要不斷的硬件擴(kuò)展才能支持更多的系統(tǒng)，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸的膨脹以及成本的直線上升。這些問題嚴(yán)重的限制了用戶對(duì)通信業(yè)務(wù)的功能需求的拓展，難以適應(yīng)未來機(jī)載射頻輕型化、模塊化和通用化的發(fā)展趨勢(shì)。因而，急需研究機(jī)載綜合射頻體系架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)未來機(jī)載的統(tǒng)一通信平臺(tái)。

本文針對(duì)這一需求提出先進(jìn)的通信傳感器系統(tǒng)在進(jìn)行綜合射頻設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用綜合化天線孔徑，并對(duì)支撐電子部件進(jìn)行共用化和模塊化設(shè)計(jì)，利用統(tǒng)一的資源調(diào)度和任務(wù)軟件實(shí)現(xiàn)硬件和傳感器感知信息的資源共享，從而實(shí)現(xiàn)包含通信、導(dǎo)航、識(shí)別等多項(xiàng)功能，大幅提高飛機(jī)的可靠性的同時(shí)降低成本和重量。

2.國(guó)外主要研究思路

鑒于綜合射頻技術(shù)可顯著降低傳感器全壽命周期成本、快速應(yīng)對(duì)新的功能需求、動(dòng)態(tài)分配系統(tǒng)資源、大幅降低升級(jí)費(fèi)用，其發(fā)展受到世界各國(guó)的廣泛重視，尤其是在以美國(guó)為代表的歐美國(guó)家已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。

綜合化射頻一般多應(yīng)用于需要多種電子信息系統(tǒng)協(xié)同工作的空間有限的飛行平臺(tái)，按照應(yīng)用環(huán)境和需求的不同，常見的綜合射頻通信傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般分為以下三種：

一是硬件通用設(shè)計(jì)的多通道結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由于信道無法共享，設(shè)備數(shù)量相對(duì)最多、集成度較差。

二是多路可配置信道組網(wǎng)的方式，即按照同時(shí)使用的功能系統(tǒng)的最大數(shù)目來確定射頻信道數(shù)量，利用射頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和中頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)連接通用模塊形成所需的多路射頻信道，這樣就可以用最少的信道來完成系統(tǒng)所有的功能，并且信道間具有相互備份的作用，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)既可多通道同時(shí)工作，又能夠分時(shí)共享信道資源，因而適用范圍廣，如美軍F-22的CNI系統(tǒng)以及F-35的航電系統(tǒng)都是基于該種構(gòu)架。這種“結(jié)構(gòu)綜合”的理念擯棄了過去的“一次只設(shè)計(jì)一個(gè)功能設(shè)備”的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)又保留了原先的CNI設(shè)備功能，不僅使得綜合后的機(jī)載CNI系統(tǒng)的體積重量功耗和成本費(fèi)用大大降低，而且可靠性可維護(hù)性可擴(kuò)展性方面的性能也明顯提高。但這種結(jié)構(gòu)的波形重構(gòu)能力差。

圖1 多通路綜合化射頻信道結(jié)構(gòu)示意圖

三是基于軟件無線電結(jié)構(gòu)（SCA）的統(tǒng)一通信平臺(tái)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的射頻信道和數(shù)字信號(hào)處理都采用了統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，支持不同頻段波形的應(yīng)用，如美軍的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）。JTRS是一種硬件和軟件都采用開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多頻段多模式軟件可重編程的無線電系統(tǒng)，覆蓋2MHz～2GHz的頻譜范圍，具有射頻硬件復(fù)用和波形軟件重構(gòu)的能力，不但兼容傳統(tǒng)系統(tǒng)，而且提供了多種新的寬帶波形，支持話音、數(shù)據(jù)和多媒體等多種業(yè)務(wù)的傳輸，可極大地增強(qiáng)飛機(jī)之間的互通能力。

3.綜合射頻體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 架構(gòu)描述

由于射頻系統(tǒng)工作的特點(diǎn)，通常情況下在進(jìn)行射頻設(shè)計(jì)時(shí)都是采用信號(hào)鏈路的方式來描述系統(tǒng)的工作原理和構(gòu)成，系統(tǒng)中每個(gè)部件之間都具有較強(qiáng)的耦合，接口關(guān)系復(fù)雜，難以將系統(tǒng)按照模塊化劃分形成層次清晰的架構(gòu)。本文提出，射頻系統(tǒng)按照信號(hào)流向自上向下的方式進(jìn)行分解，將可以共用的部分作為共性提取出來形成相對(duì)獨(dú)立的層級(jí)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，整個(gè)射頻系統(tǒng)按照共用部分，可劃分為6層，其中矩陣開關(guān)用作每層之間的信號(hào)通路的控制，單獨(dú)算作一層。這6層分別為：天線層、矩陣開關(guān)層、功放層、激勵(lì)器/接收器層、頻率合成器層、基帶處理層。

圖2 通用綜合射頻通信傳感器架構(gòu)功能組件組成

以上各組件層除了矩陣開關(guān)層以外，其描述如下：

(1)天線組件層主要是綜合各種射頻應(yīng)用的天線端。特別是在微波頻段，采用天線孔徑共用技術(shù)，可以使天線的種類和數(shù)量減少。

(2)功放組件層主要是各路射頻應(yīng)用的功率放大組件，通過增加共用的方式形成模塊化，減少功放的種類和數(shù)量。

(3)激勵(lì)器/接收器組件層主要是各個(gè)頻段的射頻信號(hào)的激勵(lì)和接收通路，靈活性較高，需要兼容的模式也較多。

(4)頻率合成器組件層主要是為整個(gè)架構(gòu)提供頻率源，為系統(tǒng)的靈活性提供支撐。

(5)基帶處理組件層主要是為各種射頻應(yīng)用處理基帶信號(hào)，解析各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

3.2 設(shè)計(jì)方法

開展機(jī)載綜合射頻的通信傳感器系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，本文提出的設(shè)計(jì)方法是：

一是采用自頂向下的研究方法，基于上一節(jié)提出的6層組建劃分思路，先建立起綜合射頻體系架構(gòu)，劃分好各部分的功能和接口，然后再逐個(gè)突破關(guān)鍵技術(shù)，形成可復(fù)用的共用模塊。

二是通過構(gòu)建好的體系架構(gòu)和共用模塊，規(guī)劃出針對(duì)所需的通信傳感器的整體應(yīng)用方案，保證本項(xiàng)目中建立的體系架構(gòu)能夠支撐現(xiàn)有的使用需求。整體應(yīng)用方案根據(jù)所采用的機(jī)載平臺(tái)不同，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)妮p量化裁剪以適應(yīng)諸如小型飛機(jī)和無人機(jī)等需要進(jìn)一步精簡(jiǎn)體積重量的應(yīng)用場(chǎng)合。

整體的設(shè)計(jì)方法如圖3所示，這種通用綜合射頻通信傳感器系統(tǒng)采用統(tǒng)一的軟硬件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，并通過軟件控制可編程邏輯器件和各個(gè)功能模塊，并根據(jù)需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)構(gòu)建不同的通信體制，從而達(dá)到在不改變射頻硬件的前提下，實(shí)現(xiàn)多種通信功能和傳輸體制動(dòng)態(tài)切換。

圖3 通用化綜合射頻通信傳感器架構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

4.關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)載綜合射頻通信傳感器一體化設(shè)計(jì)技術(shù)需采用統(tǒng)一的硬件體系架構(gòu)，形成孔徑、射頻功放、收發(fā)激勵(lì)與可配置頻合等功能共用模塊，通過射頻、數(shù)字或光交換網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)同類的多個(gè)模塊在不同功能之間的配置使用，形成通用綜合射頻體系架構(gòu)。

在進(jìn)行綜合射頻通信傳感器設(shè)計(jì)中，為了使整個(gè)綜合射頻體系架構(gòu)能夠建立并得以支撐運(yùn)行，各個(gè)組件層形成模塊化時(shí)所需要突破的關(guān)鍵技術(shù)列表如下所示。

表1 綜合射頻通信傳感器架構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)一覽表

4.1 天線孔徑共用技術(shù)

射頻通信傳感器的天線孔徑是涵蓋實(shí)現(xiàn)寬頻段話音、數(shù)據(jù)、識(shí)別、甚至雷達(dá)、電子戰(zhàn)等功能的射頻傳感器中的所有射頻天線。在機(jī)載平臺(tái)上，這些天線要做到體積小、重量輕、強(qiáng)度高和易安裝，盡可能設(shè)計(jì)成流線型、隱蔽式或采用共形，以減小對(duì)氣動(dòng)性能的影響，并適應(yīng)飛機(jī)的電磁兼容性要求。

4.2 模塊化射頻矩陣開關(guān)技術(shù)

在實(shí)現(xiàn)綜合射頻體系架構(gòu)中，由于模塊化的劃分，各個(gè)層級(jí)的共用模塊之間存在著許多種通路組合。共用模塊的功能性能越全面，射頻系統(tǒng)的可重構(gòu)性也就越強(qiáng)，存在的通路切換組合數(shù)量就越多。此時(shí)，傳統(tǒng)的射頻開關(guān)不能滿足構(gòu)建通用綜合射頻系統(tǒng)的需求，需要具有復(fù)雜組合邏輯的開關(guān)矩陣來實(shí)現(xiàn)。

4.3 高速總線傳輸技術(shù)

高速總線傳輸技術(shù)是機(jī)載射頻系統(tǒng)研究、開發(fā)的核心問題，機(jī)載航電的更新?lián)Q代都是以所采用的總線技術(shù)為依據(jù)的，因此總線技術(shù)對(duì)于綜合射頻效能的發(fā)揮至關(guān)重要。目前主流數(shù)據(jù)總線包括HB6096總線以及1553B總線等。隨著各類機(jī)載通信傳感器性能的提升，新一代機(jī)載總線技術(shù)需要重點(diǎn)考慮高實(shí)時(shí)性、大帶寬、高可靠性與低成本，F(xiàn)C-AE總線標(biāo)準(zhǔn)會(huì)是一個(gè)比較好的選擇。

4.4 模塊化寬帶功放技術(shù)

針對(duì)從短波頻段到毫米波頻段的射頻應(yīng)用，一體化的功放難以實(shí)現(xiàn)，需要突破較寬頻段的功放一體化，使功放形成可被多種應(yīng)用共用的模塊。

4.5 模塊化寬帶大動(dòng)態(tài)射頻前端技術(shù)

射頻激勵(lì)器/接收器是射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵通路。要使激勵(lì)器/接收器向模塊化發(fā)展，形成可被多種應(yīng)用共用的模塊，支撐綜合射頻通信傳感器系統(tǒng)的體系架構(gòu)。

4.6 模塊化頻率合成與分配技術(shù)

射頻系統(tǒng)中需要各種各樣的頻率源，從短波頻段到毫米波段，頻率步進(jìn)變化刻度不一致，輸出幅度要求也差異較大，輸出信號(hào)類型也不盡相同。因此，實(shí)現(xiàn)模塊化的頻率合成與分配需要重點(diǎn)研究頻率規(guī)劃和多模式并存的問題。

5.結(jié)束語

傳統(tǒng)的機(jī)載綜合射頻系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的獨(dú)立設(shè)備聯(lián)合式系統(tǒng)，如果要將其綜合化設(shè)計(jì)，在頂層設(shè)計(jì)、資源共享、系統(tǒng)管理與控制方面都是難點(diǎn)，可以說綜合射頻系統(tǒng)是航空電子系統(tǒng)綜合的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文結(jié)合系統(tǒng)工程理論，以從上至下的設(shè)計(jì)方法構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范指導(dǎo)綜合射頻架構(gòu)設(shè)計(jì)，是保證綜合射頻系統(tǒng)性能水平的重要手段，也有利于綜合射頻技術(shù)的有序快速發(fā)展。

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王?。?978-），男，碩士，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，工程師，研究方向?yàn)閷拵o線通信系統(tǒng)。