Бортовая система управления полетами Полоса пропускания каналов Реконфигурируемые интегрированные подходы к проектированию радиочастот

С развитием микроэлектроники и технологии устройств с полосой пропускания, продвигающей вперед цифровизацию, радиочастотная интеграция поднимется на более высокий уровень с более широкой полосой пропускания и постепенным уменьшением объема, веса и стоимости. Более того, революционные изменения произойдут в конфигурации аппаратного обеспечения системы, и интегрированная структура и обобщение аппаратного обеспечения станут неизбежной тенденцией. Благодаря интеграции бортовой системы миссии и миниатюризации конструкции антенны всех систем могут быть объединены или преобразованы в антенны с небольшим количеством в соответствии с полосой частот и функциями. Кроме того, выполняется всесторонняя обработка антенны, аналоговой схемы, схемы управления, цифровой схемы и сети связи, чтобы можно было создать радиочастотную приемопередающую систему с широким частотным спектром, несколькими каналами и самоадаптируемостью. Цель интегрированного RF заключается в снижении стоимости, веса и объема, чтобы пользователи сочли стоимость приемлемой, а практичность и надежность повысились. На основе экспериментов доказано, что среднее время наработки на отказ (MTBCF) интегрированных систем может быть увеличено в два раза за счет сообщества, модулей, совместного использования ресурсов, тестируемости и реконструкции для реализации целей, описанных выше.

Анализ проекта встроенной радиочастоты

Из-за ряда ограничений недвижимости на порт, вес, пространство и электропитание, дизайн интеграции применяется бортовыми системами миссии для интеграции и совместного использования ресурсов с аналогичными функциями. В результате, при обеспечении реализации функциональных показателей системы будут достигнуты цели, включая малый вес, миниатюризацию и низкое энергопотребление, чтобы соответствовать требованиям сборки самолета.

а. С точки зрения ограничения системы, антенны на всех датчиках и приемопередающей системе составляют большую часть всей системы с точки зрения освещения, площади и энергопотребления, ответственных за излучение и восприятие сигнала. Чтобы удовлетворить все вышеперечисленные требования, необходимо разработать интегрированную радиочастотную систему:
b. С точки зрения возможностей системы, быстрая обратная связь в соответствии с военными требованиями требует такой высокой функциональной гибкости, что новые функции могут быть добавлены с низкими затратами в течение короткого времени для быстрой модернизации системы и расширения функций.
c. С точки зрения улучшения конфигурации оборудования эффективно реализовать интегрированный дизайн, цифровой сбор и обмен информацией.
d. С точки зрения гибкости платформы применение интегрированной радиочастотной конструкции приводит к тому, что авианосец отвечает требованиям, касающимся адаптируемости сборки за счет снижения веса и повышения мощности. Кроме того, может быть успешно решен ряд проблем, таких как блокирование, электромагнитные помехи и увеличение площади отражения в результате увеличения количества антенн.

Атрибуты встроенной RF

Чтобы быть совместимым с ограниченными ресурсами на платформе и удовлетворить потребности военных операций, в воздушно-десантной системе применяется открытая конфигурация с базовым модулем, вносящим свой вклад во всю систему. Интегрированный радиочастотный дизайн сочетает в себе радиолокационное обнаружение, пассивное обнаружение, связь/цепочку передачи данных и IFF (идентификацию друга или врага), так что может быть создано интегрированное электронное устройство с несколькими спектрами, несколькими средствами и самоадаптируемостью.

Атрибуты встроенной радиочастоты включают:

а. Открытая конструкция RF;
b. Полное воплощение цифровизации, модульности, обобщения и стандартизации;
c. Способный быть надежным и отказоустойчивым;
d. Возможность вторичного развития;
e. Высокая надежность, доступ к поддержке, возможность расширения, легкий вес и низкая стоимость и т. д.

Элементы интегрированного радиочастотного проектирования

• Элементы дизайна интеграции радиоприема

Интеграция радиоприема относится к процессу, при котором разные системы миссии обычно совместно используют входной радиочастотный канал и реализуют свою собственную функцию приема сигнала. Функции приемного канала требуют, чтобы РЧ-сигналы, принимаемые приемными антеннами, усиливались, фильтровались, преобразовывались по частоте, оцифровывались и предварительно обрабатывались, а также выводились на встроенный базовый процессор для обработки сигналов и обработки данных. Возможно, для одного из сигналов требуется несколько каналов приема, которые должны работать вместе с требованиями к производительности, включая совместное использование сети, усиление с низким уровнем шума, коэффициенты усиления канала, АРУ, динамический диапазон, полосу пропускания канала и баланс каналов.

При интеграции радиоприема необходимо учитывать следующие элементы:

а. Рабочая частота;
b. Переходная полоса пропускания канала приема;
c. Переходная динамика приемных сигналов;
d. Чувствительность принимаемых сигналов;
д. Выходная пропускная способность превышает общую пропускную способность, когда все миссии используют один и тот же канал.

• Элементы дизайна интеграции радиочастотного излучения

Интеграция РЧ-излучения заставляет различные системы миссии совместно использовать выходной РЧ-канал для выполнения своих собственных функций излучения сигнала. Каналы излучения обеспечивают соответствующую форму волны сигнала, модуляцию, преобразование частоты, усиление возбуждения и выходную мощность, которые будут отправлены на антенны. Его лучшие характеристики заключаются в форме волны сигнала, стабильности сигнала, усилении канала, динамическом диапазоне, выходной мощности и чистоте выходного спектра.

При интеграции РЧ-излучения необходимо учитывать следующие элементы:

а. Рабочая частота;
b. Переходная полоса пропускания канала излучения;
c. SFDR (динамический диапазон без паразитных помех) излучаемых сигналов;
d. Частота излучаемых сигналов;
д. Форма выходного сигнала.

Упомянутые выше элементы должны быть обеспечены интегрированным радиочастотным излучением. В отличие от интеграции радиоприема, которая способна принимать сигналы одновременно, некоторые проблемы все еще существуют при одновременном излучении, что особенно касается формы сигнала с полосой пропускания. Ключевой вопрос заключается в том, что общее излучение от нескольких источников предъявляет высокие требования к линейности усилителя мощности.

Методы проектирования встроенной радиочастоты

• Метод проектирования интеграции апертуры антенны

Интегрированная антенна или антенная решетка является ключевым физическим компонентом, вносящим вклад в бортовую систему миссии, и реализует преобразование между космической электрической радиочастотной энергией и высокочастотной электрической радиочастотной энергией подсистемами. В соответствии с требованиями с точки зрения воздушной области, частотной области, временной области и области модуляции, а также ее свойств по функциям, режиму работы, рабочему диапазону частот, охвату воздушной области, периоду работы, режиму модуляции, поляризации и бортовой адаптивности, все виды Антенн следует интегрировать, и в максимально возможной степени должны применяться передовые технологии современной конструкции антенн, такие как сверхширокая полоса пропускания, конформная антенна, миниатюризация, общая апертура и реконструкция. Оптимальная цель дизайна должна быть достигнута в отношении индекса, объема, веса и стоимости, и все виды антенн должны получить интегрированную конструкцию с оптимизированными функциями и частотами, чтобы, наконец, интегрировать апертуру антенны.

а. Интегрированный тип дизайна. С учетом таких требований, как рабочая частота, покрытие воздушной области и поляризация, следует применять антенну с широкой полосой пропускания, высокой эффективностью и высоким коэффициентом усиления, а антенна или антенная решетка должны иметь единую конструкцию с упрощенной классификацией антенн.

б. Интегрированная конструкция апертуры. Если требования к характеристикам антенны удовлетворены, то для антенны или антенной решетки следует в максимально возможной степени использовать общую апертуру с оптимизацией целевого проекта по стоимости, объему и весу. На основе соображений рабочей частоты антенны, положения сборки, размера пространства и дальности покрытия, а также фундаментальных результатов обсуждения, общая конструкция апертуры реализуется для антенн с аналогичными положениями сборки, так что несколько антенн или антенных решеток располагаются на одной апертуре, чтобы уменьшить пространство для сборки антенны. и повысить эффективность использования диафрагмы.

в. Схема совместного использования антенны. Когда речь идет об антеннах с аналогичными требованиями к показателю с точки зрения рабочей частоты, типа поляризации, коэффициента усиления и площади покрытия, проектирование совместного использования антенн выполняется с помощью переключателя, объединителя или разветвителя сигналов и приложения с разделением времени, чтобы свести к минимуму количество антенн. .

• Дизайн интеграции внешнего радиочастотного интерфейса

На основе технологии устройства с высокой пропускной способностью, микросистемной технологии, MEMS (микроэлектромеханической системы) и распределенной технологии, интегрированная стандартная система RF создается путем обобщения, оцифровки и модульной конструкции. Кроме того, общий радиочастотный приемопередающий канал и аппаратная платформа настроены таким образом, что радиочастотный системный канал может быть совместим со всем спектром, реконструируемым, оцифрованным и микросистематизированным.

В соответствии с общими требованиями к разработке бортовой системы миссии и ее структурным определением, наряду с принципами интегрированного проектирования, методы проектирования интеграции внешнего радиочастотного интерфейса содержат следующие аспекты:
a. Радиоканализация. Дискретность и выделенность каждой функциональной подсистемы должны быть нарушены, и все РЧ-системы должны получить дизайн распределения каналов, чтобы сделать канал РЧ-приемопередатчика совместимым со всем спектром и в целом интегрированным.
b. Модульность ресурсов. Все аппаратные ресурсы спроектированы с помощью плоской рамы, задней панели и модулей, совместимых со стандартом, для достижения единообразного питания сборки и рассеивания тепла модулей аппаратных ресурсов.
c. Обобщение модуля. Модули общедоступных радиочастотных интерфейсов проходят через обобщающий дизайн, включая модуль источника питания, приемный модуль и модуль коммутации, а общий дизайн постепенно реализуется в многофункциональном модуле предварительной обработки. С одной стороны, общий дизайн модулей помогает уменьшить классификацию ресурсов. С другой стороны, создается основа для резервного копирования и восстановления функций.
d. Стандартизация интерфейса. Стандартная шина применяется во внешнем ВЧ-интерфейсе, а доступ к сенсорной сети осуществляется через унифицированный модуль общего интерфейса. Стандартизация интерфейсов позволяет эффективно сократить тип и количество системных шин, что полезно для взаимодействия между системами.
e. Унификация управления ресурсами. Модуль общего интерфейса на внешнем интерфейсе RF единообразно получает и анализирует запросы на администрирование ресурсов от базового процессора и отправляет их соответствующим модулям предварительной обработки и другим модулям с завершенным единым администрированием на интерфейсе RF.

Методы проектирования модульной конструкции

Сенсорная секция, относящаяся к бортовой системе миссии, включая аналоговую схему на входной радиочастотной части и цифровую схему на задней части радиочастотной части, использует открытую структуру системы и использует стандартные аппаратные модули с различными функциями и несколькими типами, которые содержат входной радиочастотный модуль, модуль общего приема, модуль предварительной обработки, модуль обработки сигналов, модуль многочастотного излучения, модуль многофункционального модулятора, блок антенного интерфейса и массив матричных переключателей. Эти модули можно динамически комбинировать в зависимости от требований к радиочастотным функциям датчиков для реализации функций различных датчиков. Они могут быть спроектированы и изготовлены на основе строгих и унифицированных конструктивных стандартных размеров, а также могут быть установлены и использованы на стандартной монтажной раме.

Антенный интерфейсный блок выполняет функции РЧ-переключателей, отвечающих за отправку РЧ-сигналов, принимаемых антеннами, на модуль РЧ-интерфейса. Подключенный к модулю многочастотного излучателя, блок антенного интерфейса передает РЧ-сигналы, готовые к излучению, на соответствующие антенны. Блок интерфейса антенны способен разрешать конфликты, которые могут возникнуть, когда сигналы приемопередатчика используют общую антенну.

Входной радиочастотный приемный модуль преобразует радиочастотные сигналы в стандартную среднюю частоту, а переключатель средней частоты передает среднечастотные сигналы, выдаваемые входным радиочастотным приемным модулем, в общий приемный модуль, среднечастотные сигналы модуляции, генерируемые многофункциональным модулятором, в соответствующий модуль-излучатель. Переключатели средней частоты отвечают за разрешение конфликтов, которые могут возникнуть, когда среднечастотные сигналы приемопередатчика совместно используются модулем общего приема и модулем многофункционального модулятора.

Среднечастотные сигналы передаются в препроцессор сигналов после их обработки модулем общего приема, включая полосовую фильтрацию, аналого-цифровое преобразование и DDC (цифровое преобразование с понижением частоты). Препроцессор сигналов осуществляет согласованную фильтрацию сигналов после оцифровки модуля общего приема с завершением фазового преобразования сигнала основной полосы частот, захвата импульсов и цифрового распределения. Кроме того, он также разделяет часть обработки процессоров сигналов, и цифровые сигналы после предварительной обработки передаются в модуль обработки сигналов. В процессе излучения препроцессор сигналов отправляет модулирующие сигналы на многофункциональный модулятор после реализации цифрового расширения спектра и формирования импульса.

Модуль обработки сигналов отвечает за обработку сигналов всех функций датчиков, включая демодуляцию, самоадаптирующийся баланс каналов, кодирование и декодирование с исправлением ошибок, а также шифрование и дешифрование.

Методы разработки каналов

Поскольку несколько каналов работают вместе или независимо на интегрированном входном ВЧ-интерфейсе и обрабатывается сигнал определенной формы, все ресурсы аппаратного модуля могут быть объединены вместе в сети цифрового преобразования для создания аппаратного потока, поддерживающего обработку формы сигнала. Интегрированный ВЧ-интерфейс способен поддерживать несколько аппаратных потоков, которые могут единообразно или независимо работать в соответствии со стратегией сканирования антенны или процедурой обработки сигнала. В результате входной радиочастотный интерфейс системы способен обрабатывать несколько сигналов с несколькими функциями, достигаемыми в зависимости от потребности в обработке системной информации. Резервные каналы по-прежнему доступны в каналах РЧ, настройки и средних частот, так что все каналы поддерживаются в качестве резервных копий друг друга для повышения надежности системы. Если что-то не так с некоторыми сигнальными каналами, которые не могут полностью поддерживать параллельную обработку нескольких сигналов, могут быть сформированы разные потоки параллельной обработки или обработки с разделением времени в соответствии с режимом работы системы и приоритетом обработки сигналов.

Как показано на Рисунке 1, во входном ВЧ-интерфейсе доступно множество параллельных каналов с несколькими сигналами, которые можно переключать или работать параллельно с помощью системного управления. При настройке канала приема извлекаются все виды относительно чистых сигналов, которые затем переходят на средние частоты посредством преобразования частоты. Все сигналы могут быть разумно разделены на некоторые общедоступные среднечастотные каналы с разделением частот или с разделением времени и обрабатываются в многофункциональном цифровом приемнике после выбора и объединения с помощью массива переключателей. В системе применяется интегрированный частотный интегратор со свойствами широкополосной, многоточечной частоты, быстрой маневренности и комбинированным выходом.

Методы проектирования микросистемизации

Microsystems интегрирует такие компоненты, как датчики, схемы считывания, цифровой сигнальный процессор, АЦП/ЦАП, компоненты приемопередатчика и источники питания в микрометровом диапазоне, что позволяет значительно сократить объем и энергопотребление системы и ее конфигурации. Конфигурация микросистемы, устройства и компонентов радиоканала приемопередатчика с применением технологии 3S (Sop, Sip, Soc) приводит к ключевому развитию широкой полосы частот.

Передовые технологии

• Комплексные технологии проектирования системы

Интегрированная технология проектирования системы играет потенциальную роль в достижении интеграции системы миссии, максимально используя все виды эффективности электронных устройств и обеспечивая интегрированные военные возможности. С точки зрения систем, интеграция должна быть реализована по их составу, конструкции, функциям и методу взаимосвязи, чтобы можно было оптимизировать интеграционный дизайн системы миссии. В соответствии с военными миссиями и требованиями миссии, проектирование интеграции системы миссии отвечает за определение, анализ, проектирование, тестирование и оценку всей системы, чтобы система миссии была совместима с требованиями миссии с точки зрения функций, производительности, надежности, обслуживания, поддерживаемость и стоимость жизненного цикла. Разработчики систем должны участвовать в планировании и исследованиях в соответствии с отраслевыми конформными, долгосрочными и фундаментальными проектами.

• Технология проектирования открытых систем

Построение открытых систем выгодно для формирования распределенных систем, обеспечивает удобство взаимодействия и взаимодействия между оборудованием разных производителей, компьютерами с разными номерами типов и т.п. 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