多功能一體化平臺實現(xiàn)及其關(guān)鍵技術(shù)研究

李圣衍,吳久濤,江 濤,周 谷

(南京電子技術(shù)研究所,江蘇 南京 210039)

0 引 言

隨著微電子技術(shù)和寬帶射頻技術(shù)的發(fā)展,武器裝備的多功能一體化已經(jīng)成為一種趨勢。新型艦艇為了解決隱身、電磁兼容等問題,艦載電子設(shè)備逐漸向綜合一體化桅桿方向發(fā)展,一體化桅桿已經(jīng)成為新型艦艇的標(biāo)志之一;機載電子設(shè)備為了解決尺寸、重量和功耗(SWAP)問題,也逐漸向綜合孔徑、集成化處理平臺方向發(fā)展[1],基于單一平臺的多功能一體化的應(yīng)用研究已經(jīng)受到越來越多的重視。

從目前國內(nèi)外的研究路徑來看,多功能一體化主要分為3個層次[2]:第一層次為多平臺功能一體化,通過網(wǎng)絡(luò)和軟件將物理形態(tài)獨立的設(shè)備連接起來,實現(xiàn)多功能一體化;第二層次為單平臺分時多功能一體化,硬件高度集成統(tǒng)一,通過軟件配置實現(xiàn)分時多功能;第三層次是單平臺同時多功能一體化,硬件高度集成統(tǒng)一,采用信號一體、處理一體實現(xiàn)同時多功能。本文主要結(jié)合寬帶數(shù)字陣的技術(shù)發(fā)展,討論在高度集成化、通用化的硬件平臺上分時實現(xiàn)電子偵察、電子干擾和雷達(dá)等多功能一體以及工程實現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 不同功能實現(xiàn)架構(gòu)比較

根據(jù)對現(xiàn)有裝備架構(gòu)的分析,目前基于相控陣的高增益電子偵察(HGESM)/高功率電子干擾(HPECM)架構(gòu)和相控陣?yán)走_(dá)架構(gòu)差別不大,但和寬帶電子偵察(ESM)架構(gòu)差別較大,各功能實現(xiàn)所需單元性能比較見表1[3-4]。

表1 各功能實現(xiàn)所需單元性能比較

2 基于全數(shù)字陣的一體化架構(gòu)實現(xiàn)

隨著高集成度微電子技術(shù)和寬帶數(shù)字陣的進(jìn)步,上述功能可以集成到統(tǒng)一的硬件架構(gòu)中,通過對陣面、后端資源的靈活調(diào)度,分時實現(xiàn)多功能一體化。該架構(gòu)硬件主要分為兩大部分:其一為全數(shù)字陣面,陣面采用單元級有源子陣進(jìn)行集成,采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計,陣面內(nèi)數(shù)據(jù)流、控制流、信號流均采用光信號傳輸,對外輸出可以是單元級輸出數(shù)據(jù),也可以是波束輸出數(shù)據(jù)(信道化及波束合成集成到陣面里);其二為處理后端,一般集成到控制方艙中,處理后端采用通用異構(gòu)處理平臺,平臺間采用光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),模塊間采用VPX總線互聯(lián),對外支持萬兆網(wǎng)通訊。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1[4-5]。

圖1 基于全數(shù)字陣的一體化實現(xiàn)通用架構(gòu)

利用該架構(gòu)實現(xiàn)雷達(dá)功能時,在顯控和控制模塊統(tǒng)一控制下,每個數(shù)字TR (DTR)產(chǎn)生數(shù)字移相的雷達(dá)信號,在空間指定方向合成發(fā)射波束將信號輻射出去;接收期間,每個DTR對空間信號進(jìn)行采集,AD數(shù)據(jù)統(tǒng)一送數(shù)字波束形成(DBF)模塊,進(jìn)行波束合成,然后送后端進(jìn)行檢測等處理。

實現(xiàn)偵察功能時,系統(tǒng)在顯控和控制模塊統(tǒng)一控制下,每個DTR對空間信號進(jìn)行采集,數(shù)據(jù)統(tǒng)一送DBF模塊,進(jìn)行波束合成,然后送后端進(jìn)行參測、分選等處理;也可以根據(jù)干涉儀測角解模糊的要求,選擇相關(guān)單元進(jìn)行多基線干涉儀測角,完成對相關(guān)通道的鑒相、參測、分選等處理。

實現(xiàn)干擾功能時,系統(tǒng)在顯控和控制模塊統(tǒng)一控制下,每個DTR對空間信號進(jìn)行采集,數(shù)據(jù)統(tǒng)一送DBF模塊,進(jìn)行波束合成,然后送后端進(jìn)行參測、分選、威脅度判別等處理,對威脅度高的目標(biāo)啟動干擾;干擾時,首先在DBF模塊中形成干擾引導(dǎo)波束,對被干擾信號進(jìn)行高精度截獲,然后送調(diào)制模塊,完成頻率濾波、信號跟蹤、時延/多普勒調(diào)制等處理,調(diào)制后的信號送各個DTR,DTR經(jīng)過相位移相后,在空間合成干擾波束進(jìn)行輻射,完成對特定目標(biāo)的干擾。

該架構(gòu)內(nèi)主要分機如下:

(1) 全數(shù)字陣面

全數(shù)字陣面主要由輻射陣列、饋線、DTR、綜合網(wǎng)絡(luò)、陣面電源等組成。輻射陣列主要用于空間信號的收集以及激勵信號對空輻射,采用雙極化天線單元,DTR根據(jù)需要選擇不同的極化。綜合網(wǎng)絡(luò)包括組件供電電源信號的分配網(wǎng)絡(luò)、基準(zhǔn)時鐘的分配網(wǎng)絡(luò)、水冷管路的分配網(wǎng)絡(luò)以及上下的光信號傳輸和分配網(wǎng)絡(luò)。DTR是一個高集成度的混合電路集成模塊,主要由TR通道和數(shù)字部分組成,包含射頻前端、變頻鏈路、本振產(chǎn)生、功放、電源等模擬電路以及AD/DA、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件、接口等數(shù)字電路等[6]。全數(shù)字陣的主要性能見表2。

表2 典型全數(shù)字陣性能

(2) 數(shù)字信道化及波束形成

數(shù)字信道化及波束形成模塊主要由FPGA邏輯和運算器件構(gòu)成,用于對全陣各通道數(shù)字信號的接收、數(shù)字信道化處理和波束合成運算,形成所需的接收波束。探測處理時,需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取,形成窄帶波束;高增益?zhèn)刹鞎r,需要進(jìn)行多相濾波信道化處理,進(jìn)行頻域分割,形成若干個窄帶波束;進(jìn)行干涉測向偵察時,可以將信道化后的數(shù)據(jù)直通,送后端處理,其中通道數(shù)量、波束數(shù)量以及處理帶寬對DBF模塊的需求影響很大;實際設(shè)計時,需要按照最大的資源需求進(jìn)行考慮。

(3) 信息處理

信息處理采用FPGA+CPU的異構(gòu)處理平臺。參數(shù)測量、副瓣對消等功能實時性要求高,采用以FPGA為主的無源模塊流水方式處理;偵察分選、雷達(dá)信號處理、任務(wù)調(diào)度實時性要求不高,采用以CPU為主的模塊進(jìn)行異步處理,目前較多采用計算刀片模塊。異構(gòu)處理平臺采用中間件管理,軟硬件解耦,分層總線架構(gòu),模塊間根據(jù)需要可以采用VPX總線、RapidIO接口或光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),對外采用專用光纖或光網(wǎng)絡(luò)連接。實際設(shè)計時,需要考慮不同功能接口的復(fù)用以及接口的配置,涉及到FPGA功能動態(tài)配置見下一節(jié)。

(4) 調(diào)制處理

調(diào)制處理模塊主要由PFGA等器件構(gòu)成的模塊組成,主要用于對被干擾目標(biāo)信號的接收,無關(guān)信號的頻率濾波、重頻濾波等處理,提純需要干擾的信號,對需要干擾的信號進(jìn)行延時、頻率/幅度調(diào)制等處理,形成所需的干擾信號。

其他還包括系統(tǒng)控制、顯控等分機,這些和常規(guī)的雷達(dá)功能分機基本類似。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

該架構(gòu)目前在工程上逐漸成熟,已有相應(yīng)功能的樣機出現(xiàn),實現(xiàn)過程中不少關(guān)鍵技術(shù)(包括寬帶寬角陣面、高集成度組件、高速數(shù)據(jù)采集等)目前已經(jīng)具有較成熟的基礎(chǔ),但在多功能動態(tài)重構(gòu)等方面尚存在不少難點。

3.1 FPGA動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)[7-8]

功能重構(gòu)是實現(xiàn)分時多功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中后端處理軟件一般運行在CPU等計算模塊上,可以多個CPU并行處理,資源較充裕,所以處理軟件可以按照不同的功能劃分成不同的子模塊集成到統(tǒng)一的主控軟件中。實際工作時,系統(tǒng)運行全功能的處理軟件模塊,在人機交互的情況下選擇不同的工作方式實現(xiàn)不同功能。但對于DBF、信道化/參測、調(diào)制處理模塊等實時處理模塊均以FPGA邏輯器件為主,其功能的切換比較復(fù)雜,通常情況下使用FPGA 設(shè)計實現(xiàn)特定的功能,流程如圖2所示。經(jīng)過設(shè)計、綜合、布局布線生成比特流文件,然后下載到FPGA芯片中執(zhí)行。當(dāng)需要實現(xiàn)不同功能時,重新進(jìn)行上述流程并將生成的比特流文件下載即可。這個過程可以認(rèn)為是對FPGA 進(jìn)行的靜態(tài)可重構(gòu)配置,耗時較長,且需要中斷系統(tǒng)運行,無法滿足分時多功能實現(xiàn)的需求。

圖2 FPGA靜態(tài)重構(gòu)流程

所以需要研究動態(tài)可重構(gòu)計算系統(tǒng),要求重構(gòu)時間短、不掉電,外圍電路簡單。目前動態(tài)可重構(gòu)方法包括基于差異的設(shè)計方法、基于模塊的可重構(gòu)設(shè)計方法和早期獲取部分可重構(gòu)(EAPR)方法,這些方法均是針對某些類型的FPGA而設(shè)計的,配置電路各不相同,具有較大局限性。隨著FPGA規(guī)模越來越大,可利用資源越來越多,工程設(shè)計人員可以牽引廠家利用現(xiàn)有FPGA資源開發(fā)可重構(gòu)計算設(shè)計平臺,實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)接口和方法的統(tǒng)一;另外需要開發(fā)面向應(yīng)用者透明化、可重構(gòu)配置代碼編譯環(huán)境,將編譯環(huán)境和具體的芯片類型解耦,從根本上實現(xiàn)FPGA的快速重構(gòu)功能。

3.2 合成式相參干擾技術(shù)

該架構(gòu)一個顯著的特點是將數(shù)字射頻存儲器(DRFM)功能分解到DTR中,轉(zhuǎn)發(fā)式干擾時,需要將各通道偵收的數(shù)據(jù)合成干擾引導(dǎo)數(shù)據(jù),然后經(jīng)過干擾調(diào)制后,再通過多通道合成來實現(xiàn)干擾信號發(fā)射,所以合成式相參干擾本質(zhì)上是收發(fā)DBF形成問題,原理如圖3所示。

圖3 合成式相參干擾示意

假設(shè)被干擾目標(biāo)方向為θB,考慮復(fù)加權(quán)系數(shù),則干擾引導(dǎo)波束數(shù)據(jù)為:

(1)

式中:Wir=(ai-air)ej(-(i-1)φB-φir)為復(fù)加權(quán)系數(shù),包含幅度權(quán)、相位權(quán)和補償權(quán);air為接收通道的幅度補償值;φir為接收通道的相位補償值,可以通過陣面監(jiān)測獲得,如下:

(2)

式中:Xi(k)為陣列通道數(shù)據(jù);Xc(k)為參考通道數(shù)據(jù)。

進(jìn)行干擾調(diào)制后,則有:

(3)

式中:τ為假目標(biāo)的距離延時;fd為假目標(biāo)的多普勒頻偏;Tpw為信號脈寬。

假目標(biāo)完成干擾調(diào)制后,需要通過發(fā)射通道合成輻射出去,發(fā)射通道同樣存在幅相誤差需要補償,假設(shè)發(fā)射通道幅相誤差分別為Δait和Δφit,則有:

Δait)ej(-(i-1)ΔφB-Δφir-Δφit+2πf0τ+2πfd(mΔT))

(4)

式中:Wit=aite-jφit為發(fā)射通道補償權(quán),同樣可以通過發(fā)射通道監(jiān)測獲得。

根據(jù)上面的分析,多通道采樣及通道間數(shù)據(jù)同步、通道間幅相一致性均會影響干擾波束質(zhì)量[9],同樣需要在發(fā)射支路增加監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),實時獲取發(fā)射支路的補償數(shù)據(jù)。寬帶工作時,頻帶內(nèi)的幅相起伏也會影響波束質(zhì)量,采用均衡處理尤為重要,寬帶數(shù)字均衡的原理見圖4。

圖4 寬帶均衡原理示意

經(jīng)過數(shù)字均衡后,通道內(nèi)幅相起伏具有明顯的改善,仿真見圖5。

圖5 寬帶均衡前后幅相起伏

另外,偵收通道和干擾引導(dǎo)通道合二為一,接收盡可能采用線性放大鏈路,減少信號交、互調(diào)帶來的虛假信號,對偵察分選有好處;但對于利用檢波信號的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾,存在檢測電平不夠問題。針對該情況,需要增加樣本數(shù)據(jù)的信號調(diào)理功能,提升檢測信噪比,實現(xiàn)起來和常規(guī)DRFM存在很大的不同,需要進(jìn)行攻關(guān)和驗證。

3.3 分布式頻率源技術(shù)

該架構(gòu)中,各組件接收統(tǒng)一的時鐘基準(zhǔn),獨自產(chǎn)生所需本振,不同組件本振間的差異性主要表現(xiàn)為本振的頻率一致性和幅度一致性,其中幅度一致性可以通過增加幅度均衡來實現(xiàn),確保各本振輸出功率相差不大。而頻率一致性體現(xiàn)為不同本振的頻率精度和頻率短期穩(wěn)定度,其中頻率短穩(wěn)對本振的相參性影響較大。頻率短穩(wěn)主要源于本振的鏈路特性和外部環(huán)境所引起的各種隨機噪聲,目前使用最廣泛的頻率源噪聲模型是冪率譜噪聲模型。該模型是用5種相互獨立的隨機噪聲來描述振蕩器的頻率波動過程,并通過輸出頻率的功率譜密度函數(shù)在對數(shù)域的斜率來區(qū)分各種不同的噪聲類型,功率譜密度函數(shù)可以表示為[10]:

(5)

式中:hα為常數(shù),α=-2、-1、0、1、2分別對應(yīng)隨機游走噪聲、頻率閃爍噪聲、頻率白噪聲、相位閃爍噪聲、相位白噪聲5種不同的噪聲類型。

由于頻率穩(wěn)定度關(guān)注時間軸x(t)上噪聲的變化,x(t)的功率譜密度函數(shù)表示為:

h-1f-3+h0f-2+h1f-1+h2)

(6)

Sx(f)在對數(shù)域的表示如圖6所示。

圖6 對數(shù)域x(t)的功率譜密度函數(shù)

其中相位白噪聲對頻率短穩(wěn)影響最大,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的分析,本振頻率處理過程是相位噪聲的主要來源,含有振蕩器的部件,如上下變頻器、調(diào)制器等都會帶來相位噪聲,另外電源紋波大、電路失配也會造成相噪惡化[11]。為了實現(xiàn)本振之間的相參性,可以采取的措施包括:組件的本振鏈路盡可能采用低相位噪聲的器件;供電電源采用線性電源、降低電源紋波等。為了提升各本振間的相參性,各本振電路還可以增加本振鎖相回路,將本振輸出信號鎖相到時鐘基準(zhǔn)。上述措施在地面的頻率源設(shè)備中是可以實現(xiàn)的,但在集成度很高的組件內(nèi)解決起來難度較大,需要開展技術(shù)攻關(guān)和驗證。

3.4 多功能光傳輸技術(shù)

本架構(gòu)的另一個特點是陣面和后端采用光傳輸鏈路互聯(lián),光傳輸?shù)男盘栴愋桶ㄉ舷滦袛?shù)據(jù)、控制定時信號以及時鐘信號。信號傳輸類型不同,對光纖的要求也各不相同,光鏈路拓?fù)淙鐖D7[12]所示。

圖7 數(shù)字陣光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

其中上下行數(shù)據(jù)包括中頻采樣后的I/Q數(shù)據(jù)和上行的干擾調(diào)制I/Q數(shù)據(jù),上下行數(shù)據(jù)傳輸一般采用多模光纖。由于通道數(shù)多、AD采樣率高且量化位數(shù)多,對光纖傳輸容量、傳輸誤碼和傳輸延時特性等帶來很高的要求,所以需要增加光鏈路監(jiān)測支路,自動監(jiān)測下行光鏈路各節(jié)點狀態(tài),實現(xiàn)下行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測。上行控制信號采用廣播式傳輸方式,將控制信號從雷達(dá)控制器傳輸至陣面各DTR。由于陣面DTR數(shù)量巨大,對輸入光功率的要求高,需要使用光功率放大器提高輸出光功率來實現(xiàn)分布式傳輸,所以考慮采用1 550 m單模光纖進(jìn)行光信號放大傳輸?？刂贫〞r信號傳輸過程中,器件本身的噪聲和光纖傳輸?shù)姆蔷€性效應(yīng)等會造成定時信號的抖動劣化,進(jìn)而對波束合成等性能造成影響[13],所以控制定時鏈路需要考慮穩(wěn)相傳輸。傳遞模擬時鐘和傳遞控制信號類似,采用光功分進(jìn)行廣播式傳輸,但光鏈路特性對時鐘信號的影響不一樣。光調(diào)制器、光纖及光接收器均會對時鐘信號的幅相特性產(chǎn)生影響,傳輸后時鐘信號的幅相會產(chǎn)生變化,頻率越高,幅相變化越大,其中相位變化尤為突出。特別是環(huán)境溫度的隨機起伏變化將強烈地影響光纖的折射率,導(dǎo)致信號時延漂移,進(jìn)而產(chǎn)生相位波動,影響系統(tǒng)性能,對穩(wěn)相傳輸?shù)囊蟾遊14-15]。

目前國內(nèi)外研究的光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)主要有基于光載波矢量和、電域矢量和、色散理論以及射頻光子移相等。

綜上所述,多功能光纖傳輸技術(shù)涉及狀態(tài)監(jiān)測、穩(wěn)相傳輸、收發(fā)模塊降噪等多方面的技術(shù),系統(tǒng)實現(xiàn)時需要統(tǒng)籌考慮進(jìn)行技術(shù)驗證。

4 結(jié)束語

目前在較低頻段,特別是在S波段以下,高集成DTR已經(jīng)研制成功,基于全數(shù)字陣的多功能一體化樣機也已經(jīng)問世,并完成了相關(guān)試驗及技術(shù)驗證。預(yù)計不久的將來,在艦載平臺或機載平臺上將會出現(xiàn)多功能一體化形態(tài)的裝備。但目前該架構(gòu)還只局限于分時多功能,尚存在難以克服的瓶頸,后續(xù)隨著一體化波形、高效線性功放、大動態(tài)射頻器件、對消技術(shù)等相關(guān)技術(shù)和器件性能的突破[16],基于全數(shù)字陣的同時多功能一體化也會逐漸實現(xiàn)。