美軍模塊化開放式射頻架構探究

張培琴，陳增輝，董兆林

（西安電子工程研究所，西安 710100）

0 引言

隨著武器裝備向信息化、網(wǎng)絡化、智能化的方向快速發(fā)展，多功能射頻裝備對作戰(zhàn)人員越來越重要，尤其是在通信、電子戰(zhàn)（EW）、情報和任務指揮系統(tǒng)方面。為更好應對各種突發(fā)情況，迫切需要增強作戰(zhàn)人員的快速反應能力。如果依然采用傳統(tǒng)方式滿足這種需求，即不同功能分別獨立設計，會給平臺集成帶來巨大挑戰(zhàn)。另外，對陸戰(zhàn)裝備而言，車上各種設備互聯(lián)復雜，車載傳感器、計算平臺和接口越來越多，會對系統(tǒng)升級改進的成本和周期帶來挑戰(zhàn)。

美軍提出了模塊化開放式射頻架構（MORA），通過定義針對多功能任務的開放式架構來解決諸多挑戰(zhàn)?；谠摷軜?，可對多種射頻功能進行硬件和功能分解，最大程度降低模塊化帶來的復雜性和成本。通過跨系統(tǒng)共享功率放大器和天線等硬件，大大降低了尺寸、重量和功率（SWaP）。此外，通過將信號調諧與實際的無線電應用程序處理分開，MORA 還能使以前無法訪問的架構節(jié)點成為開放式節(jié)點，從而方便系統(tǒng)集成商靈活插入第三方功能，解決新技術挑戰(zhàn)和需求。

1 當前車載平臺射頻集成的問題

陸基車載和步兵系統(tǒng)以及小型無人機對多功能射頻的要求日益提高，這給SWaP 帶來了挑戰(zhàn)。圖1 所示為集成在軍車平臺的眾多電子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的集成多源于伊拉克和阿富汗沖突的緊急作戰(zhàn)需要。這些快速反應能力的成功整合，大大增強了戰(zhàn)斗力。但是，這些系統(tǒng)均為獨立設計，有各自的電源、收發(fā)器、功率放大器、天線、用戶接口。盡管它們在部署前都已通過陸軍的測試和評估，但在某些情況下還是第一次在戰(zhàn)場上一同使用。而且部分功能并不兼容，特別是電子戰(zhàn)系統(tǒng)的射頻發(fā)射會影響通信性能，導致“藍軍射頻自相傷害”。

圖1 傳統(tǒng)“煙囪式”系統(tǒng)在軍用車輛上的集成造成SWaP 過大

這些“煙囪式”獨立系統(tǒng)的局限性表現(xiàn)在：

1）無法通過快速技術插入應對新威脅，并與商用技術發(fā)展保持同步。

2）GPS 接收機、功放、天線、濾波器、用戶界面等的并行冗余配置，造成SWaP 過大。

3）射頻設備在重疊頻段并行工作，導致射頻共址干擾。

4）封閉式系統(tǒng)和接口，造成供應商固定，缺乏競爭。

美國國防部提出了采用開放式標準，通過創(chuàng)建并使用模塊化開放式射頻架構（MORA）規(guī)范，來解決射頻域的這些問題。以往美軍主要關注軟件定義無線電（SDR）的開發(fā)和完善，目的是提高數(shù)字處理和波形應用的可移植性，并未涉及RF 鏈路。RF鏈控制（如頻率調諧、增益設置、濾波器選擇、發(fā)射/接收功能）基本局限于特定供應商。為了真正實現(xiàn)動態(tài)和多任務RF 鏈構建，需要對功能配置文件、資源管理/控制以及數(shù)據(jù)和消息傳遞進行標準化。而MORA 的主要目的就是為RF 鏈提供標準化的訪問和控制。

2 MORA 概述

為了理解MORA 的概念，需要了解MORA 與美國陸軍的VICTORY 架構之間的關系。VICTORY架構全稱“C4ISR/EW 互操作性車輛集成”（VICTORY）架構，它定義了一種基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡體系，用于實現(xiàn)軍用地面車輛上電子系統(tǒng)的集成；還確定了實現(xiàn)傳感器和數(shù)據(jù)共享、管理基礎架構和應用程序的配置，模式和健康狀況的接口規(guī)范，以高服務質量傳輸數(shù)據(jù)；同時采用必要的信息安全控制措施，保護系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)。VICTORY 支持射頻系統(tǒng)的重要消息傳遞和管理，包括射頻處理鏈的設置、任務分配和監(jiān)控，以及小批量處理后數(shù)據(jù)消息的傳輸。但是，為了實現(xiàn)大容量信號數(shù)據(jù)流的傳輸，以及RF鏈訪問和低延遲控制的標準化，需對VICTORY 進行擴展，MORA 概念的提出正是為了實現(xiàn)該目的。為此，MORA 增加了低時延傳輸機制、數(shù)據(jù)流接口、新消息類型、管理以及特定射頻應用的功能概念。

MORA 支持實現(xiàn)模塊化和靈活的射頻系統(tǒng)，能夠用相同的物理資源執(zhí)行多種任務。從根本上講，MORA 系統(tǒng)由采用雙網(wǎng)絡拓撲結構的多個MORA設備集成而成。這使得MORA 系統(tǒng)能夠利用VICTORY 數(shù)據(jù)總線（VDB）實現(xiàn)非時敏的功能，并將其擴展以支持時敏功能的單獨網(wǎng)絡分區(qū)，例如可使用低延遲報文控制信令來替代離散信令。

VICTORY 的MORA 擴展將射頻任務模塊化，這需要增加如下功能：

1）射頻設備和應用程序運行監(jiān)控、資源管理。

2）大容量數(shù)字射頻信號數(shù)據(jù)采樣的高可靠性、低延遲、高速傳輸與訪問。

3）基于報文的射頻鏈路實時（低延遲）控制，包括天線陣列、射頻開關、射頻濾波器和增益、變頻器、模數(shù)轉換器、數(shù)模轉換器、現(xiàn)場可編程門陣列、通用處理器和數(shù)字信號處理器。

4）消息在MORA 和VICTORY 組件之間的格式化、編碼、數(shù)據(jù)包、傳輸和分發(fā)。

3 MORA 架構解析

3.1 MORA 總體架構

VICTORY 和MORA 專用組件類型聯(lián)合定義了一組接口和傳輸方法，以實現(xiàn)兩套系統(tǒng)中的設備的交互。MORA 特有的組件類型包括：低延時交換機、MORA 設備、MORA 信號資源管理器、MORA處理端口和MORA 信號端口管理器，如下頁圖2 所示。

圖2 MORA 專用組件類型

MORA 將單片射頻系統(tǒng)分解為3 種不同的設備類型，包括軟件定義無線電、射頻前端和射頻調節(jié)與分配設備類型。MORA 低延遲總線（ML2B）支持低延遲、高確定性的消息傳遞，用于資源控制（作為替代離散信令的一種手段）和數(shù)字射頻信號數(shù)據(jù)采樣，這可以減少模擬射頻電纜的使用。MORA 還支持在單獨光纖或同軸電纜上傳輸模擬射頻信號。另外，MORA 架構還配備有一條符合美軍標的供電總線（如28 V 直流）負責為架構下的每個設備提供標準平臺供電。VICTORY 和MORA 總體架構所包含的功能如圖3 所示。

圖3 MORA 架構

3.2 MORA 組件類型說明

3.2.1 低延遲交換機

低延遲交換機組件類型主要用于實現(xiàn)MORA低延遲總線（ML2B），該總線為模塊化射頻信號資源功能組提供傳輸能力，它由一組符合低延遲交換機組件類型的網(wǎng)絡交換機組成。

ML2B 通過引入可尋址總線擴展VICTORY，以實現(xiàn)更大帶寬、更低延遲和更準確的傳輸。ML2B 以極低延遲（端-端延遲為約1 ms）實現(xiàn)更具確定性和可靠性的消息傳遞。延遲是發(fā)送/接收消息的總時間，包括傳輸、傳播和開關延誤。ML2B 替代當前射頻系統(tǒng)組件之間的點- 點離散信號（例如，晶體管-晶體管邏輯電路）。ML2B 的特定用途包括發(fā)送/接收切換、消隱和消息調整。使用可尋址總線而不是點-點信號可提高MORA 體系結構的可擴展性，并使組件可分布于整個平臺。ML2B 還可用于數(shù)字射頻，包括大容量、高速率信號數(shù)據(jù)的實時控制和傳輸。

由于ML2B 已在商用產品中無處不在，因此，可使用10 Gb 或更高速以太網(wǎng)（10 GbE）。由于設備“何時”可以發(fā)送消息與消息傳遞需“多長時間”一樣重要，因此，不適宜采用調度方法的確定性協(xié)議，因為會限制最大消息速率。MORA 通過使用“寬通道”發(fā)送非常小的控制消息來實現(xiàn)近乎確定的消息傳遞，這些控制消息根據(jù)服務質量（QoS）策略在網(wǎng)絡中獲得優(yōu)先級。目前通過硬連線共享小的二進制字段的離散信號，也可以通過ML2B 上的二進制控制消息來傳送，該消息適合用最小以太網(wǎng)幀（即64 Byte）。ML2B 上的信號數(shù)據(jù)消息可以使用較大的數(shù)據(jù)包，如大型幀（即9 000 Byte），以提高協(xié)議效率。高吞吐量和機制的結合降低了發(fā)生緩沖延遲的可能性。多數(shù)商用交換機都能以線路速率切換，可進一步降低發(fā)生緩沖延遲的概率，避免網(wǎng)絡爭用到/來自同一設備流量的可能性。

3.2.2 MORA 信號端口管理器

MORA 信號端口管理器組件類型的接口支持射頻信令、數(shù)據(jù)和流控制交互，它們通常在ML2B（而不是在VICTORY 數(shù)據(jù)總線）上傳輸。其數(shù)據(jù)接口交換編碼為MORA 數(shù)據(jù)報文的射頻數(shù)據(jù)，而非VICTORY 數(shù)據(jù)報文。與多數(shù)VICTORY 組件類型使用的命令響應網(wǎng)絡接口不同，其管理交互也被編碼為MORA 數(shù)據(jù)報文，并以與數(shù)據(jù)消息相同的傳輸方式交叉?zhèn)鬏?。MORA 數(shù)據(jù)報文遵循二進制編碼格式，旨在優(yōu)化射頻采樣流和小數(shù)據(jù)結構的傳輸。MORA 信號端口管理器組件可直接控制所有信號端口和RF 組件，執(zhí)行來自MORA 設備、MORA 信號資源或MORA 信號端口管理器客戶端的配置、調整和命令。

MORA 信號端口管理器不遵循其他VICTORY組件類型上的傳輸、數(shù)據(jù)和管理界面的通用模式，并且不能通過常用數(shù)據(jù)和管理界面直接在VICTORY 數(shù)據(jù)總線上進行訪問。

3.2.3 MORA 設備

MORA 設備組件類型提供信號資源和/或處理資源以支持射頻接收和/或傳輸應用。這種組件允許系統(tǒng)設計人員在平臺范圍內構建最能滿足射頻任務需求的設備系統(tǒng)，同時保持對資源的標準化訪問和控制，以確保靈活性。

MORA 將單片射頻系統(tǒng)分解為3 種設備類型，即軟件定義無線電、射頻前端和射頻調節(jié)與分配設備類型。它們的差異僅在于信號和處理資源的組合方式，從體系架構看是相同的。MORA 設備通常通過設備內部介質與VICTORY 數(shù)據(jù)總線和信號端口管理器相連，以實現(xiàn)設備級命令/控制。

MORA 設備組件類型的實例通常具有一個或多個VICTORY 數(shù)據(jù)總線接口，以及零/多個MORA低延遲總線接口。每個MORA 設備實例實現(xiàn)一個MORA 信號資源管理器、零/一個MORA 信號端口管理器以及零/多個處理資源。

3.2.4 MORA 信號資源管理器

MORA 信號資源管理器具有用于描述信號資源功能的VICTORY 數(shù)據(jù)總線接口，這些功能包括信號域轉換、射頻調節(jié)與射頻分配功能。此外還提供用于信號端口預留和可用端口發(fā)現(xiàn)的接口，以實現(xiàn)實時控制以及與VICTORY 數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)連接。

3.2.5 MORA 處理端口

MORA 處理端口旨在定義支持射頻處理能力與VICTORY 數(shù)據(jù)總線之間的系統(tǒng)級接口，以使VICTORY 的其他授權實體可以訪問相關系統(tǒng)級信息，包括對作戰(zhàn)具有重要價值的態(tài)勢感知信息。MORA 架構定義了兩種組件類型：測向引擎（DFE）和射頻頻譜傳感器。

射頻測向引擎組件類型具有偵聽和探測感興趣射頻信號并確定信號入射角的功能。通過分析多個不同天線的相移，來確定感興趣射頻信號的方向線（LOB）。射頻測向引擎接收來自數(shù)字接收信號端口的多通道數(shù)據(jù)，并根據(jù)已知天線的相對間距計算信號方向。

射頻測向引擎組件類型具有管理接口，可以通過VICTORY 數(shù)據(jù)總線接口對其進行任務分配。由管理接口實施特定任務設置，如所需模式（調準測向或掃描測向）、信號方位類型（2D 或3D）、定時、持續(xù)時間、重復次數(shù)、重復間隔、頻率、帶寬和門限。信號方向信息通過VICTORY 數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)接口發(fā)送至客戶端。該數(shù)據(jù)接口包括特定任務的響應，如方位向和置信度、俯仰向和置信度（對于3D 類型）、信號強度和位置（LOB 矢量的起點）。

射頻頻譜傳感器組件類型是射頻處理資源的一個實例，通過對來自數(shù)字接收信號端口的正交信號（IQ 數(shù)據(jù)）應用快速傅里葉變換（FFT），得到并輸出射頻頻譜信息，如接收功率與頻率間隔。射頻頻譜傳感器處理端口根據(jù)相關數(shù)字IQ 數(shù)據(jù)流的前后信息，確定輸入原始信號數(shù)據(jù)的詳細信息，如天線基準、頻率、帶寬、格式和采樣率。射頻頻譜傳感器信息還可能包括用于計算相對于頻率的平均功率、峰值功率和最低功率的采樣數(shù)量。

3.3 MORA 功能分解

為了建立針對訪問和控制的標準化可復用規(guī)范，需對射頻任務進行功能分解。根據(jù)功能對接口（而非特定硬件）進行標準化，這樣就可以采用相同的方式對不同功能進行管理，而無需考慮其具體實現(xiàn)場景。射頻信號的接收和發(fā)射通道的能力被自然分解轉化為一些共用功能。下頁圖4 所示為接收（Rx）和發(fā)射（Tx）鏈路的MORA 功能的理論分解圖。

圖4 MORA 功能透視圖

典型接收鏈路開始于天線，天線接收輻射的射頻能量并將其轉化為可傳導的射頻能量。對信號調節(jié)（經過低噪放和濾波器）和分配后，進行頻率變換（調諧或下變頻）和信號域轉換（模數(shù)轉換）。這些功能可分布于通過一系列信號端口連接的多個硬件裝置（MORA 設備）中。信號域轉換功能可將數(shù)字信號采樣在時域/頻域傳輸?shù)教幚碣Y源。

信號資源與處理資源共同作用，將信號數(shù)據(jù)轉化為信號信息。處理資源可根據(jù)任務需要從信號資源獲取信號數(shù)據(jù)，將其轉化為信號信息（如頻譜感知、信號探測、信號特性和解調）。多個信號處理功能通常并行工作，也可以通過一系列處理資源串聯(lián)運行。信號處理功能通常都由FPGA、數(shù)字信號處理器和/或通用處理器執(zhí)行。

經過處理的接收信息流通過應用程序資源進行積累，形成知識。知識的類型取決于特定任務，如通信任務、電子戰(zhàn)任務等具體應用。生成的處理結果可通過應用程序端口發(fā)布于人機接口，平臺上的其他應用程序也可獲取處理結果，并存儲于戰(zhàn)場/指揮任務資源。

發(fā)射鏈的功能分解與接收鏈順序相反，由應用程序資源發(fā)起，在處理資源中執(zhí)行（如波形響應和波形產生）。生成的數(shù)字信號隨后會轉換為模擬信號（數(shù)模轉換器），變換成最終的頻率（上變頻）；進行必要的分配和調節(jié)后，由適合的天線輻射出去。

MORA 信號資源可分為5 類：天線、RF 調節(jié)、RF 分配、RF 頻率變換、信號域轉換。

1）線信號資源：用于捕獲或輻射電磁波，實現(xiàn)接收和/或發(fā)射。天線資源的屬性包括陣列類型、陣列視場、組件類型、頻率范圍、增益、極化、波束寬度（方位和俯仰）和設備位置。

2）RF 調節(jié)信號資源：用于RF 信號調節(jié)，實現(xiàn)接收和/或發(fā)射。其實例包括低噪放、濾波器（低通、高通、帶通或帶阻濾波器）、高功率放大器。其屬性包括：增益類型（手動或自動）和范圍；濾波器的配置（可選或可調）、類型（帶通、帶阻）和頻率范圍。

3）RF 分配信號資源：用于RF 信號分配，實現(xiàn)接收和/或發(fā)射。其實例包括功分器、功率合成器和射頻開關。其屬性包括開關狀態(tài)和狀態(tài)連接。

4）RF 轉換信號資源：用于RF 信號的頻率變換，實現(xiàn)接收和/或發(fā)射。在模擬域的實例包括混頻器、本振、射頻調諧器、上變頻器和下變頻器；屬性包括射頻/中頻調諧范圍、帶寬、分辨率和調諧速度。在數(shù)字域的實例包括數(shù)字下變頻器和數(shù)字上變頻器。

5）信號域轉換信號資源：用于RF 信號的模擬域/數(shù)字域轉換，實現(xiàn)接收和/或發(fā)射。其實例包括模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器。屬性包括采樣格式（實/復同相分量和正交分量）、采樣大?。ū忍財?shù)）、采樣速率和緩存器容量。

3.4 實現(xiàn)方法分析

通過分析MORA 架構及其組成，對該框架的實現(xiàn)作出以下幾方面推測：

1）分解。將集成到平臺上的RF 系統(tǒng)最終分解為功能和接口已經定義組件類型。

2）分布式配置。根據(jù)分解后的組件類型，為其設置更合理的位置。如將功率放大器等對散熱要求更高的組件放置在散熱和空氣流通條件更好的位置（如平臺外部）；功率放大器將更靠近天線放置，最大程度縮短高功率RF 電纜的長度，降低功耗，提高整個系統(tǒng)的效率和性能；平臺內部的敏感組件之間只傳輸?shù)凸β蔙F 信號，便于布線和系統(tǒng)安裝。

3）通過射頻分集等技術，有效控制兩個或更多天線同時發(fā)射相同信號，降低干擾。

4）采用軟件無線電技術，將特定功能（即無線電應用）與運行該功能的硬件分開，直接由軟件根據(jù)任務對硬件進行動態(tài)配置與調度。

5）利用MORA 定義的各種標準化接口，通過統(tǒng)一的人機接口，實現(xiàn)對RF 系統(tǒng)和其他軟硬件的全面管理。

6）持續(xù)完善相關標準，進一步提高硬件的通用性和延續(xù)性，為新老裝備的持續(xù)快速更新和維修保障起到推動作用，實現(xiàn)降本增效。

4 結論

軍用地面車輛是一種復雜的系統(tǒng)之系統(tǒng)，涉及指揮、控制、通訊、計算機、情報、監(jiān)視和偵查/電子戰(zhàn)（C4ISR/EW），以及車載平臺組件。MORA 通過添加低延遲傳輸機制、數(shù)據(jù)接口、新報文類型、管理操作以及針對射頻應用的功能概念，擴展了VICTORY的范圍，可提高射頻系統(tǒng)的模塊化和快速插入靈活性，避免冗余設計和配置，能夠用共享的物理資源執(zhí)行多種任務。