机载任务系统信道化带宽可重构集成射频设计方法
随着微电子和带宽器件技术的发展推动数字化，射频集成度将攀升到更高的水平，带宽更宽，体积、重量和成本逐渐降低。此外，系统硬件配置和集成结构将发生翻天覆地的变化，硬件通用化将是必然趋势。通过机载任务系统集成和小型化设计，所有系统的天线可以根据频段和功能进行汇总或重构为数量较少的天线。此外，对天线、模拟电路、控制电路、数字电路和连接网络进行综合处理，形成宽频谱、多通道、自适应的射频收发系统。集成射频的目的在于降低成本、重量和体积，使用户认为成本可以接受，同时实用性和可靠性也有所提高。实验证明，通过社区、模块、资源共享、可测试性和重构等手段实现上述目标，集成系统的MTBCF（Mean Time Between Critical Failures）可以提高两倍。
集成射频的设计分析
由于空间对端口、重量、空间和供电等一系列限制，机载任务系统采用集成设计来整合和共享功能相似的资源。从而在保证系统功能指标实现的同时，实现轻量化、小型化、低功耗等目标，以适应飞机装配要求。
一个。从系统限制来看，所有传感器和收发系统上的天线在光、空间和功耗方面占整个系统的大部分，负责信号发射和信号感知。为了满足上述所有需求，有必要进行集成射频系统设计：
b．从系统能力上看，根据军事需求快速反馈，要求功能灵活性高，可以在短时间内以低成本添加新功能，实现系统快速升级和功能扩展。
c．从设备配置改进的角度，实施一体化设计、数字化采集、信息共享是有效的。
d．从平台的灵活性来看，集成射频设计的应用使航母通过减重和通电满足装配适应性的要求。此外，还可以成功解决由于天线帐户的增加而导致的阻塞、电磁干扰和反射面积增加等一系列问题。
集成射频的属性
为兼容平台有限资源，满足军事作战需求，机载任务系统采用开放式配置，基础模块参与整个系统。集成射频设计结合了雷达探测、无源探测、通信/数据链和IFF（Identification Friend or Foe），从而可以生成具有多频谱、多手段和自适应能力的集成电子设备。
集成射频的属性包括：
一个。开放式射频结构；
b．数字化、模块化、通用化、标准化的充分体现；
c．具有鲁棒性和容错能力；
d．二次开发能力；
e．高可靠性、获得支持、可扩展性、重量轻、成本低等特点。
集成射频设计中的元素
• 无线电接收集成的设计元素
无线电接收一体化是指不同的任务系统共同共享一个射频输入通道，实现各自的信号接收功能的过程。接收通道的功能要求接收天线接收到的射频信号经过放大、滤波、变频、数字化和信号预处理，输出到集成核心处理器进行信号处理和数据处理。其中一个信号可能需要多个接收通道，这些通道必须一起运行，性能要求包括共享网络切换、低噪声放大、通道增益、AGC、动态范围、通道带宽和通道平衡。
无线电接收集成应考虑以下要素：
一个。工作频率；
b．接收信道的瞬态带宽；
c．接收信号的瞬态动态；
d．接收信号的灵敏度；
e．当所有任务都持有相同频道时，输出带宽大于总带宽。
• 射频发射集成的设计元素
RF发射集成驱动不同的任务系统共同共享RF输出通道以完成各自的信号发射功能。发射通道提供相应的信号波形、调制、频率转换、驱动放大和功率输出，这些信号将被发送到天线。其领先的性能在于信号波形、信号稳定性、通道增益、动态范围、输出功率和输出频谱纯度。
射频发射集成应考虑以下因素：
一个。工作频率；
b．发射通道的瞬态带宽；
c．发射信号的SFDR（无杂散动态范围）；
d．发射信号的频率；
e．输出信号波形。
上述元素应通过集成射频发射来确保。与能够同时接收信号的无线电接收集成不同，同时发射仍然存在一些问题，尤其是带宽波形。关键问题在于多源共发射对功放的线性度提出了很高的要求。
集成射频的设计方法
• 天线孔径一体化设计方法
集成天线或天线阵列是机载任务系统的关键物理部件，通过子系统实现空间电射频能量与高频电射频能量之间的转换。根据空域、频域、时域、调制域的要求，及其功能、工作模式、工作频率范围、覆盖空域、工作周期、调制模式、极化和机载适应性等特性应整合天线设计，尽可能应用当前天线设计的先进技术，如超带宽、共形、小型化、共孔径、重构等。围绕指标、体积、重量、成本等方面达到最优设计目标，对各类天线进行一体化设计，发布功能优化、频率优化，最终实现天线孔径一体化。
一个。一体式设计。考虑到工作频率、覆盖空域和极化等要求，应采用高带宽、高效率、高增益的天线，天线或天线阵列应采用统一设计，简化天线分类。
湾。一体化光圈设计。在满足天线性能要求的情况下，应尽可能在天线或天线阵列上进行共孔径设计，并以成本、体积和重量为优化设计目标。基于天线工作频率、装配位置、空间尺寸和覆盖范围的考虑和基本讨论结果，在装配位置相近的天线上实施共孔径设计，使多个天线或天线阵列布置在同一孔径上，以减少天线装配空间并提高光圈使用效率。
C。天线共享设计。对于工作频率、极化类型、增益和覆盖空间等指标要求相近的天线，通过开关切换、信号合路或分路器、分时应用等方式进行天线共用设计，以尽量减少天线的占用.
• 射频前端集成设计
以大功率带宽器件技术、微系统技术、MEMS（微机电系统）和分布式技术为基础，通过通用化、数字化、模块化设计，建立一体化射频标准体系。并搭建了通用射频收发通道和硬件平台，使射频系统通道实现全频谱兼容、可重构、数字化、微系统化。
根据机载任务系统的总体发展要求及其结构定义，结合一体化设计原则，射频前端一体化设计方法包括以下几个方面：
a．射频信道化。打破各功能子系统的离散性和专用性，对所有射频系统进行通道化设计，使射频收发通道全频谱兼容，普遍集成。
b．资源模块化。所有硬件资源均通过平面框架、背板和兼容标准的模块进行设计，以实现硬件资源模块的统一组装供电和散热。
c．模块泛化。射频前端公共资源模块经过泛化设计，包括电源模块、接收模块、开关模块，并逐步在多功能预处理模块上实现泛化设计。一方面，模块的泛化设计有助于减少资源分类。另一方面为功能备份和重构奠定了基础。
d．接口标准化。 RF前端采用标准总线，通过统一设计的通用接口模块接入传感器网络。接口的标准化可以有效减少系统总线的种类和数量，有利于系统之间的互联。
e．资源管理统一。射频前端通用接口模块统一接收和分析来自核心处理器的资源管理需求，并将其发送到相应的预处理模块和其他模块，射频前端统一管理完成。
模块化的设计方法
属于机载任务系统的传感器部分，包括射频前端的模拟电路和射频后端的数字电路，采用开放式系统结构，采用标准硬件模块，功能不同，种类少，包含射频前端模块、通用接收模块、预处理模块、信号处理模块、多频发射模块、多功能调制器模块、天线接口单元和矩阵开关阵列。这些模块可以根据传感器对射频功能的需求进行动态组合，实现不同传感器的功能。可按照严格统一的结构标准尺寸设计制造，安装在标准的安装架上使用。
天线接口单元完成射频转换开关的功能，负责将天线接收到的射频信号发送到射频前端模块。天线接口单元与多频发射器模块连接，将准备好发射的射频信号发射到相应的天线。天线接口单元能够解决收发信号共用天线时可能发生的冲突。
射频前端接收模块将射频信号转换为标准中频，中频开关将射频前端接收模块输出的中频信号传输到通用接收模块，多功能调制器产生的中频调制信号传输到相应的发射模块。中频开关负责解决收发中频信号共用通用接收模块和多功能调制模块时可能产生的冲突。
中频信号经过带通滤波、A/D转换、DDC（数字下变频）等通用接收模块处理后，传送到信号预处理器。信号预处理器对通用接收模块数字化后的信号进行匹配滤波，完成基带信号的相位变换、脉冲捕捉和数字扩频。此外，它还分担了信号处理器的部分处理工作，并将预处理后的数字信号传送到信号处理模块。在发射过程中，信号预处理器将基带信号经过数字扩频和脉冲整形后送入多功能调制器。
信号处理模块负责所有传感器功能的信号处理，包括解调、通道自适应平衡、纠错编解码、加解密等。
渠道化的设计方法
由于集成射频前端的多个通道一起或独立工作，并且正在处理某个信号波形，所有硬件模块资源可以在数字转换网络中组合在一起，以创建一个支持信号波形处理的硬件线程。集成射频前端能够支持多个硬件线程，可以按照天线扫描策略或信号处理程序统一或独立工作。因此，系统的射频前端能够处理多种信号，并根据系统信息处理需求实现多种功能。射频、调谐、中频通道仍具有冗余通道，使所有通道互为备份，提高系统可靠性。如果某些信号通道出现问题，不能完全支持多信号并行处理，可以根据系统工作模式和信号处理优先级形成不同的并行或分时处理线程。
微系统化的设计方法
Microsystems 在微米范围内集成了传感器、读取电路、数字信号处理器、AD/DA、收发器组件和电源等组件，因此可以大大降低系统和配置的体积和功耗。应用3S（Sop、Sip、Soc）技术的射频收发通道微系统、器件和组件的配置，是宽频带发展的关键。
领先技术
• 系统集成设计技术
系统集成设计技术对实现任务系统集成、充分利用各种电子设备的效率、确保综合军事能力具有潜在的作用。围绕系统的角度，必须在其组成、结构、功能和互连方式上进行集成，以优化任务系统的集成设计。根据军事任务和任务要求，任务系统集成设计负责对整个系统进行定义、分析、设计、测试和评估，以驱动任务系统在功能、性能、可靠性、维护、维护等方面与任务需求相适应。可支持性和生命周期成本。系统设计人员应根据行业规范、长期和基础性项目参与规划和研究。
• 开放系统构建设计技术
Open system construction is beneficial for forming of distributed systems provides convenience for interconnection and interoperation between hardware from different manufacturers, computers with varied type numbers or others. It is convenient for hardware and software transplantation and enhancement and expansion of system functions. Also, it helps shrinking research and development period as it supports system's volatile scale.
The key to the implementation of open system construction lies in all kinds of standard interface manufacturing and conformability so that the same standard and regulations can be followed by different product development and manufacturing unit. Apart from hardware, software is also involved in open system construction, still playing a significant role in software open system, reusability and volatile scale. Furthermore, it is regarded as an important measure to reduce system life-cycle cost and development period. A new version of integrated mission system software should conform to uniform standard and regulations and some properties of software, including reusability, standardization, intellectualization, transplantation and reliability should be included among characteristic parameters of representational software technology.
• Antenna Aperture Integrity Design Technology
As an essential part of airborne mission system, antenna or antenna array is in charge of emitting and receiving numerous radio signals. Due to a large number of system compositions, demands rise towards antenna types and amount and different demands are available in terms of operating frequency range, polarization mode, gains and covering air space. Furthermore, due to the limitation of airborne platform space and install positions of antenna, system antenna layout becomes rough, leaving a stringent demand for antenna account reduction.
To lower difficulty of system antenna layout, antenna or antenna array integrity design should be carried out after demands are met on antenna in compatible with functions. All antennas should be integrated and shared to make them front end of sharing sensors so that antenna aperture can be applied in an integrating way. Moreover, to ensure the EMC (Electromagnetic Compatibility) between functions as the system is working, optimized design should be taken on antenna layout in the system to minimize the effect on antenna performance and mutual effect between antennas.
• CIP Technology
CIP with a high-level integration in the system combines multiple advanced technologies and lots of computing, processing, control and administration functions are completed within it. CIP is responsible for integrated processing, data fusion, mission computing, video information generation, navigation computing, store management, electronic backup and defense management, communication management, system control and failure monitoring, inspection and reconstruction of sensor input data. Lots of significant characteristics of a new version of mission system are involved in CIP that technically makes the best use of properties of common module, parallel processing system and distributed real-time operating system, processes resources with sharing core and improves performance and reliability to meet demands of airborne processing capability and fast development of computing capability.
• Broadband Configurable RF Channel Digitalization Technology
Airborne mission system covers a wide frequency range, numerous types of signal modulation methods and signal formats and signal levels with wide differences. Devices in traditional hardware density communication system feature a complicated interconnection relation, high cost, a high level of upgrading transferring difficulty and difficult interconnection between systems. Therefore, it's necessary to depend on software radio and RF sampling technology, to push digitalization forward and to reduce RF front end processing channel and to increase function re-usage of digital signal processing at rear end in order to solve some integration issues concerning multiple functions, wide range of frequency and multiple modulation methods of the system. Plus, application of modular hardware and software brings convenience to system design and the introduction of new technologies so that performance will be improved, cost and time reduced.
Helpful Resources:
• Setbacks and Solutions in RF PCB Design
• Flyback Power Module Circuit Design for RFID Reader
• Guidelines for RF and Microwave PCB Design
• Full Feature PCB Manufacturing Service from PCBCart - Multiple Value-added options
• Advanced PCB Assembly Service from PCBCart - Start from 1 piece
工业技术