机载任务系统可重构射频设计：高带宽信道化与集成化
微电子与宽带器件技术发展推动数字化进程，射频集成化迈向更高层级：带宽更宽、体积重量成本逐步降低。系统硬件配置与集成结构将发生革命性变革，硬件通用化成必然趋势。通过机载任务系统集成微型化设计，按频段功能将全系统天线汇总重构为少量天线，对天线、模拟电路、控制电路、数字电路、连接网络综合处理，构建宽频谱、多信道、自适应的射频收发系统。集成射频旨在降低成本、重量、体积，使成本可接受同时实用性可靠性提升。实验证明，通过共性、模块化、资源共享、可测试性、重构手段，集成系统MTBCF(关键故障平均间隔)可提升两倍。
集成射频设计分析
受端口空间、重量、体积、电源限制，机载任务系统采用集成设计实现同类功能资源集成共享。在保障系统功能指标前提下，实现轻量化、微型化、低功耗，适配飞机装配要求。
- 系统限制视角：所有传感器/收发系统天线占系统空间重量功耗大头，负责信号发射感知。为满足上述需求，必须实施集成射频系统设计；
- 系统能力视角：军事需求快速反馈要求高功能灵活性，低成本短周期增添新功能，实现快速升级扩展；
- 装备配置改进视角：集成设计、数字化采集、信息共享行之有效；
- 平台适应性视角：集成射频设计减重供电，解决天线增多导致的遮挡、电磁干扰、反射面积增加等问题。
集成射频属性
为适配平台有限资源、满足军事作战需求，机载任务系统采用开放构型，基础模块支撑整体。集成射频设计融合雷达探测、被动探测、通信/数据链、IFF(敌我识别)，形成多频谱、多手段、自适应的集成电子设备。属性包括：
- a. 开放射频架构；
- b. 充分体现数字化、模块化、通用化、标准化；
- c. 具备鲁棒性与容错能力；
- d. 支持二次开发；
- e. 高可靠、可支持、可扩展、轻量化、低成本等。
集成射频设计要素
射频接收集成设计要素
射频接收集成指不同任务系统共享射频输入通道实现各自接收功能。接收通道要求：接收天线接收的射频信号经放大、滤波、变频、数字化、信号预处理后输出至集成核心处理器进行信号/数据处理。单信号可能需多接收通道协同，性能指标含：网络切换共享、低噪放大、通道增益、AGC、动态范围、通道带宽、通道平衡。需考虑要素：
- a. 工作频率；
- b. 接收通道瞬时带宽；
- c. 接收信号瞬时动态范围；
- d. 接收信号灵敏度；
- e. 所有任务同信道时输出带宽大于总带宽。
射频发射集成设计要素
射频发射集成驱动不同任务系统共享射频输出通道完成各自发射功能。发射通道提供对应波形、调制、变频、驱动放大、功率输出送天线。核心性能指标：信号波形、稳定性、通道增益、动态范围、输出功率、输出频谱纯度。需考虑要素：
- a. 工作频率；
- b. 发射通道瞬时带宽；
- c. 发射信号SFDR(无杂散动态范围)；
- d. 发射信号频率；
- e. 输出信号波形。
上述要素须由集成射频发射保障。不同于接收可同时工作，同步发射仍存难题，尤在带宽波形方面。关键问题在于多源共用发射对功放线性度要求极高。
集成射频设计方法
天线孔径集成设计方法
集成天线/天线阵列是机载任务系统关键物理部件，实现空间射频能量与高频电射频能量互变。按空域、频域、时域、调制域需求及功能、工作模式、频率范围、覆盖空域、工作周期、调制模式、极化、机载适应性等属性，集成各类天线并最大程度应用超宽带、贴形、微型化、共口径、重构等先进天线设计技术。以指标、体积、重量、成本为优化目标，各类天线按功能频率优化释放，最终实现天线孔径集成。
- 集成型设计：考虑工作频率、覆盖空域、极化等，选用高带宽、高效率、高增益天线，天线/阵列统一设计、分类简化。
- 共口径设计：满足性能前提下最大程度实施共口径设计，优化成本体积重量目标。综合考虑工作频率、装配位置、空间尺寸覆盖范围、基础论证结果，对装配位置相似天线实施共口径设计，多天线/阵列同口径布局，减少装配空间、提升口径利用率。
- 天线共用设计：针对工作频率、极化类型、增益、覆盖空间指标相似天线，通过开关切换、信号合路/分路、时分复用最小化天线数量。
射频前端集成设计
基于高功率宽带器件技术、微系统技术、MEMS(微机电系统)、分布式技术，通过通用化、数字化、模块化设计建立集成射频标准体系，建立通用射频收发通道与硬件平台，使射频系统通道全频谱兼容、可重构、数字化、微系统化。按机载任务系统通用发展要求及结构定义，遵循集成设计原则，射频前端集成设计方法含：
- a. 射频信道化：打破各功能子系统离散性与专用性，所有射频系统信道化设计，实现射频收发通道全频谱兼容与通用集成；
- b. 资源模块化：所有硬件资源通过机框、背板、标准模块设计，实现硬件资源模块统一组装供电散热；
- c. 模块通用化：射频前端公共资源模块通用化设计，含供电模块、接收模块、开关模块，多功能预处理模块渐进通用化。既减少资源分类，又为功能备份重构奠基；
- d. 接口标准化：射频前端采用标准总线，传感器网络通过统一设计的通用接口模块接入。标准化有效减少系统总线类型数量，利于系统互联；
- e. 资源管理统一：射频前端通用接口模块统一接收解析核心处理器资源管理需求，下发至对应预处理等模块，完成射频前端统一管理。
模块化设计方法
机载任务系统传感器部分(含射频前端模拟电路、射频后端数字电路)采用开放系统架构，使用功能各异、类型较少的标准硬件模块：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、多功能调制模块、天线接口单元、矩阵开关阵列。模块可按传感器射频功能需求动态组合实现不同传感器功能。模块按严格统一结构标准尺寸设计制造，安装使用于标准安装机框。
天线接口单元完成射频换向开关功能：将天线接收射频信号送射频前端模块；连接多频发射模块，将待发射射频信号送对应天线。天线接口单元能解决收发信号共用天线时的冲突。
射频前端接收模块将射频信号转标准中频；中频开关将前端接收模块输出中频信号送通用接收模块，多功能调制模块产生的中频调制信号送对应发射模块。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的冲突。
中频信号经通用接收模块处理(带通滤波、A/D转换、DDC数字下变频)送信号预处理器。预处理器对数字化信号实施匹配滤波，完成基带信号相变、脉冲捕获、数字解扩，并分担信号处理器部分工作，预处理后数字信号送信号处理模块。发射端预处理器实施数字扩频、脉冲整形后送多功能调制模块。
信号处理模块负责所有传感器功能信号处理：解调、信道自适应平衡、纠错编解码、加解密。
信道化设计方法
集成射频前端多信道协同或独立工作，处理特定信号波形时，所有硬件模块资源可在数字变换网络内组合形成支持信号波形处理的硬件线程。集成射频前端支持多硬件线程，可按天线扫描策略或信号处理流程统一/独立工作。因此系统射频前端能处理多信号实现多功能，基于系统信息处理需求。射频、调谐、中频通道保留冗余通道互为备份提升可靠性。若部分信号通道故障无法完全支持多信号并行处理，可按系统工作模式和信号处理优先级形成不同时分/并行处理线程。
如图1所示，射频前端存在多信号并行通道，可经系统控制切换或并行工作。调谐接收通道提取各类纯净信号经变频进入中频。所有信号经频率共享/时分方法合理划分为若干公共中频通道，经开关阵列选择组合后进入多功能数字接收机处理。系统采用集成频率综合器，具备宽带、多点频、快速变频、组合输出特性。
微系统化设计方法
微系统在微米级范围内集成传感器、读出电路、数字信号处理器、AD/DA、收发元件、电源等，大幅缩减系统体积功耗。采用3S(SoP, SiP, SoC)技术构型射频收发通道微系统、器件、元件，推动宽频带关键发展。
关键支撑技术
系统集成设计技术
系统集成设计技术在实现任务系统集成、充分发挥电子设备效能、保障集成军事能力中发挥潜在作用。聚焦系统视角，对组成、构架、功能、互联方法实施集成优化。遵循军事任务需求，集成设计负责全系统定义、分析、设计、测试、评价，驱动任务系统在功能、性能、可靠性、可维护性、保障性、全寿命周期成本上适配任务需求。系统设计师应参与行业共性、长期、基础项目规划研究。
开放系统架构设计技术
开放系统架构利于形成分布式系统，便于不同厂商硬件、不同型号计算机等互联互操作；便于软硬件移植、功能增强扩展；支持系统规模动态变化，缩短研发周期。实施关键在于各类标准接口制造与符合性，使不同产品研制单位遵循同一标准规范。除硬件外软件同样涉及，在软件开放系统、复用性、动态规模中发挥重要作用，被视为降低全寿命周期成本和研发周期的重要举措。新版集成任务系统软件应符合统一标准规范，软件复用性、标准化、智能化、可移植性、可靠性等特性应纳入代表性软件技术特征参数。
天线孔径完整性设计技术
天线/天线阵列作为机载任务系统关键部分，负责收发大量无线电信号。系统组成多导致天线类型数量需求大，工作频率范围、极化模式、增益、覆盖空域要求各异。受限于机载平台空间安装位置，天线布局拥挤，迫切需减少天线数量。为降低布局难度，在满足天线功能指标前提下实施天线/天线阵列完整性设计：所有天线集成共用作共享传感器前端，实现天线孔径集成应用。同时为保障系统工作时功能间EMC(电磁兼容)，对系统天线布局实施优化设计，最小化对天线性能及天线间相互影响。
CIP技术
高集成度CIP融合多项先进技术，在内部完成集成处理、数据融合、任务计算、视频信息生成、导航计算、存储管理、电子备份防御管理、通信管理、系统控制故障监测、传感器输入数据检测重构等功能。新版任务系统众多关键特性涉及CIP，技术上充分利用公共模块、并行处理系统、分布式实时操作系统特性，共享核心处理资源，提升性能可靠性，满足机载处理能力与算力快速发展需求。
宽带可构型射频通道数字化技术
机载任务系统覆盖宽频段、多调制方式、多信号格式、电平差异大。传统硬件稠密通信系统互联复杂、成本高、升级难、系统间互联难。故需依托软件无线电与射频采样技术，推进数字化、减少射频前端处理通道、增加后端数字信号处理功能复用，解决系统多功能、宽频段、多调制方式集成难题。模块化软硬件带来设计便利与新技术引入便利，提升性能、降低成本周期。
工业技术