Переконфигурируемое РЧ-проектирование для авиационных миссионных систем: высокополосательная канализация и интеграция

С развитием микроэлектроники и технологий полосовых устройств, продвигающими оцифровку вперед, РЧ-интеграция поднимется на более высокий уровень с более широкой полосой пропускания и постепенным сокращением в плане объема, веса и стоимости. Более того, революционные изменения произойдут в аппаратной конфигурации системы и интегрированной структуре, и аппаратная генерализация станет неизбежной тенденцией. Через интеграцию и миниатюризацию дизайна авиационных миссионных систем, антенны со всех систем могут быть обобщены или реконструированы в антенну с малым числом в соответствии с частотным диапазоном и функциями. Кроме того, комплексная обработка выполняется на антенне, аналоговой схеме, схеме управления, цифровой схеме и сети соединений, так что может быть создана РЧ-трансиверная система с широким частотным спектром, множественными каналами и самоадаптивностью. Цель интегрированного РЧ заключается в снижении стоимости, веса и объема, чтобы пользователи сочли стоимость приемлемой, а практичность и надежность также возрастали. На основе экспериментов доказано, что MTBCF (среднее время между критическими отказами) интегрированных систем может быть увеличено в два раза через средства сообщества, модулей, совместного использования ресурсов, тестируемости и реконфигурации для реализации вышеобсуждаемых объектов.

Анализ дизайна интегрированного РЧ

Из-за ряда ограничений реального места на борту, веса, пространства и питания, интеграционный дизайн применяется авиационными миссионными системами для интеграции и совместного использования ресурсов с похожими функциями. В результате, при обеспечении реализации функциональных индексов системы, цели будут реализованы, включая малый вес, миниатюризацию и низкое потребление энергии, чтобы быть совместимым с требованием сборки самолета.

1. С точки зрения системных ограничений, антенны на всех датчиках и трансиверных системах составляют большинство всей системы в плане света, недвижимости и потребления энергии, отвечают за излучение сигналов и восприятие сигналов. Для удовлетворения всех вышеупомянутых требований необходимо выполнить интегрированный дизайн РЧ-системы.
2. С точки зрения системных возможностей, быстрая обратная связь в соответствии с военными требованиями требует такой высокой функциональной гибкости, что новые функции могут быть добавлены с низкой стоимостью за короткое время для достижения быстрого обновления системы и расширения функций.
3. С точки зрения улучшения конфигурации оборудования, эффективно реализовать интегрированный дизайн, цифровой сбор и обмен информацией.
4. С точки зрения гибкости платформы, применение интегрированного РЧ-дизайна приводит воздушного носителя к соответствию требованиям адаптивности сборки через снижение веса и энергозагрузки. Более того, ряд проблем может быть успешно решен, таких как блокирование, электромагнитные помехи и увеличение области отражения в результате увеличения количества антенн.

Атрибуты интегрированного РЧ

Для совместимости с ограниченными ресурсами на платформе и удовлетворения спроса военной операции, в авиационной миссионной системе применяется открытая конфигурация с базовым модулем, вносящим вклад в всю систему. Интегрированный РЧ-дизайн объединяет радарное обнаружение, пассивное обнаружение, связь/цепочку данных и IFF (Identification Friend or Foe), чтобы может быть сгенерировано интегрированное электронное устройство, обладающее множественными спектрами, множественными средствами и самоадаптивностью.

Атрибуты интегрированного РЧ включают:

1. Открытая РЧ-конструкция;
2. Полное воплощение оцифровки, модуляризации, генерализации и стандартизации;
3. Способность быть надежным и толерантным к ошибкам;
4. Способность вторичной разработки;
5. Высокая надежность, доступ к поддержке, расширяемость, малый вес и низкая стоимость и т.д.

Элементы интегрированного РЧ-дизайна

Элементы дизайна интеграции радиоприема

Интеграция радиоприема относится к процессу, когда разные миссионные системы совместно используют РЧ-входной канал и достигают свою функцию приема сигналов. Функции приемного канала требуют, чтобы РЧ-сигналы, принятые приемными антеннами, были усилены, отфильтрованы, частотно преобразованы, оцифрованы и предварительно обработаны сигналы, и они были выведены в интегрированный центральный процессор для обработки сигналов и обработки данных. Один из сигналов, возможно, требует множественные приемные каналы, которые должны работать вместе с требованиями производительности, включая передачу совместной сети, низкошумное усиление, коэффициенты каналов, АРУ, динамический диапазон, полосу пропускания канала и баланс каналов.

Следующие элементы должны быть приняты во внимание касательно интеграции радиоприема:

1. Рабочая частота;
2. Мгновенная полоса пропускания приемного канала;
3. Мгновенная динамика приемных сигналов;
4. Чувствительность приемных сигналов;
5. Выходная полоса пропускания больше общей полосы пропускания, когда все миссии удерживают один и тот же канал.

Элементы дизайна интеграции РЧ-излучения

Интеграция РЧ-излучения заставляет разные миссионные системы совместно использовать РЧ-выходной канал для завершения своих функций излучения сигналов. Излучающие каналы предоставляют соответствующую форму волны сигнала, модуляцию, частотное преобразование, драйверное усиление и выходную мощность, которые будут отправлены к антеннам. Ее ведущая производительность лежит в форме волны сигнала, стабильности сигнала, коэффициентах каналов, динамическом диапазоне, выходной мощности и чистоте выходного спектра.

Следующие элементы должны быть приняты во внимание касательно интеграции РЧ-излучения:

1. Рабочая частота;
2. Мгновенная полоса пропускания излучающего канала;
3. SFDR (Spurious Free Dynamic Range) излучаемых сигналов;
4. Частота излучаемых сигналов;
5. Выходная форма волны сигнала.

Упомянутые выше элементы должны быть обеспечены интегрированным РЧ-излучением. В отличие от интеграции радиоприема, которая способна принимать сигналы одновременно, некоторые проблемы все еще доступны при одновременном излучении, что особенно касается полосы пропускания формы волны. Ключевая проблема лежит в том, что многокисточное общее излучение оставляет высокие требования к линейности усилителя мощности.

Методы дизайна интегрированного РЧ

Метод дизайна интеграции апертуры антенны

Интегрированная антенна или антенная решетка — ключевой физический компонент, вносящий вклад в авиационную миссионную систему, и реализует преобразование между пространственной электрической РЧ-энергией и высокочастотной электрической РЧ-энергией подсистемами. Согласно требованию в плане воздушной области, частотной области, временной области и модуляционной области, вместе со своими свойствами на функциях, режиме работы, рабочем частотном диапазоне, покрывании воздушной области, периоде работы, модуляционном режиме, поляризации и авиационной адаптивности, все виды антенн должны быть интегрированы и передовые технологии текущего дизайна антенн должны применяться настолько, насколько возможно, такие как сверхширокополосные, конформные, миниатюрные, общая апертура и реконфигурация. Оптимальная цель дизайна должна быть достигнута вокруг индекса, объема, веса и стоимости, и все виды антенн должны получать интегрированный дизайн с их функциями и частотами, оптимизированными и выпущенными, для окончательной интеграции апертуры антенны.

1. Интегрированный тип дизайна. С требованиями, такими как рабочая частота, покрытие воздушной области и поляризация, рассматриваемыми, должна применяться антенна с высокой полосой пропускания, высокой эффективностью и высоким коэффициентом, и антенна или антенная решетка должна получать унифицированный дизайн с упрощением классификации антенн.
2. Интегрированный дизайн апертуры. С требованием к производительности антенны, выполненным, дизайн общей апертуры должен выполняться на антенне или антенной решетке настолько, насколько возможно, с оптимизированной целью дизайна по стоимости, объему и весу. На основе соображений о рабочей частоте антенны, позиции сборки, пространственном размере и покрывающем диапазоне и фундаментальном результате обсуждения, дизайн общей апертуры реализуется на антеннах с похожими позициями сборки, чтобы множественные антенны или антенная решетка располагались в одной апертуре для снижения пространства сборки антенн и улучшения эффективности использования апертуры.
3. Дизайн совместного использования антенн. Когда речь идет об антеннах с похожими индексными требованиями в плане рабочей частоты, типа поляризации, коэффициентов и покрывающего пространства, дизайн совместного использования антенн выполняется через коммутацию переключателей, комбинатор или разделитель сигналов и разделение во времени для минимизации счета антенн.

Дизайн интеграции РЧ-фронтенда

На основе технологии высокомощных полосовых устройств, технологии микросистем, МЭМС (микроэлектромеханических систем) и распределенной технологии, интегрированная стандартная РЧ-система устанавливается через генерализацию, оцифровку и модуляризацию дизайна. Более того, общий РЧ-трансиверный канал и аппаратная платформа устанавливаются, чтобы РЧ-системный канал мог быть совместим со всеми спектрами, реконфигурируемым, оцифрованным и микросистематизированным.

Согласно общему требованию развития авиационной миссионной системы и ее структурному определению, вместе с принципами интегрированного дизайна, методы дизайна интеграции РЧ-фронтенда содержат следующие аспекты:

1. РЧ-канализация. Дискретность и выделенность каждого функционального подсистемы должны быть нарушены, и все РЧ-системы получают дизайн канализации, чтобы привести РЧ-трансиверный канал к совместимости со всеми спектрами и общей интеграции.
2. Модуляризация ресурсов. Все аппаратные ресурсы проектируются через планарную раму, заднюю плоскость и модули, совместимые со стандартом, для достижения унифицированной сборки питания и теплоотвода модулей аппаратных ресурсов.
3. Генерализация модулей. Общедоступные модули ресурсов РЧ-фронтенда проходят дизайн генерализации, включая модуль питания, модуль приема, модуль переключения, и генерализация дизайна постепенно реализуется на многофункциональном модуле предобработки. С одной стороны, генерализация дизайна модулей помогает сократить классификацию ресурсов. С другой стороны, база устанавливается для функционального резервирования и реконфигурации.
4. Стандартизация интерфейсов. Стандартная шина применяется в РЧ-фронтенде, и сенсорная сеть получает доступ через унифицированно спроектированный общий интерфейсный модуль. Стандартизация интерфейсов способна эффективно сократить тип и количество системных шин, полезно для взаимосвязи между системами.
5. Унификация управления ресурсами. Общий интерфейсный модуль на РЧ-фронтенде единообразно получает и анализирует требования администрирования ресурсов от центрального процессора и отправляет их к соответствующим модулям предобработки и другим модулям с унифицированным администрированием на РЧ-фронтенде, завершенным.

Методы дизайна модуляризации

Сенсорная секция, принадлежащая авиационной миссионной системе, включая аналоговую схему на РЧ-фронтенде и цифровую схему на РЧ-бэкэнде, применяет открытую системную структуру и использует стандартные аппаратные модули с разными функциями и небольшим количеством типов, содержащие модуль РЧ-фронтенда, общий модуль приема, модуль предобработки, модуль обработки сигналов, модуль многоканального излучения, модуль многофункционального модулятора, блок интерфейса антенны и матричный коммутационный массив. Эти модули могут быть динамически комбинированы на основе требований к РЧ-функциям сенсоров для реализации функций разных сенсоров. Они могут быть спроектированы и произведены на основе строгого и унифицированного структурного стандартного размера и установлены и использованы на стандартной установочной раме.

Блок интерфейса антенны завершает функции РЧ-переключателей, отвечающие за отправку РЧ-сигналов, принятых антеннами, к модулю РЧ-фронтенда. Соединенный с модулем многоканального излучения, блок интерфейса антенны передает РЧ-сигналы, готовые к излучению, к соответствующим антеннам. Блок интерфейса антенны способен разрешать конфликты, которые возможно произойдут, когда трансиверные сигналы совместно используют антенну.

Модуль приема РЧ-фронтенда преобразует РЧ-сигналы в стандартную промежуточную частоту, и коммутатор промежуточной частоты передает сигналы промежуточной частоты, выведенные модулем приема РЧ-фронтенда, к общему модулю приема, модуляционные сигналы промежуточной частоты, сгенерированные многофункциональным модулятором, к соответствующим излучающим модулям. Коммутаторы промежуточной частоты отвечают за разрешение конфликтов, которые могут быть созданы, когда трансиверные сигналы промежуточной частоты совместно используют общий модуль приема и модуль многофункционального модулятора.

Сигналы промежуточной частоты передаются к предобработчику сигналов после обработки общим модулем приема, включающей полосовое фильтрацию, АЦ-преобразование и DDC (цифровое понижающее преобразование). Предобработчик сигналов выполняет согласованную фильтрацию на сигналах после оцифровки общим модулем приема с фазовым преобразованием базовой полосы, захватом импульса и цифровым расширением спектра. Более того, он также разделяет часть работы обработки сигналов процессоров сигналов, и цифровые сигналы после предобработки передаются к модулю обработки сигналов. В процессе излучения предобработчик сигналов отправляет базовые сигналы к многофункциональному модулятору после реализации цифрового расширения спектра и формирования импульса.

Модуль обработки сигналов отвечает за обработку сигналов всех функций сенсоров, включая демодуляцию, самоадаптивный баланс каналов, исправляющее кодирование и декодирование и шифрование и дешифрование.

Методы дизайна канализации

Поскольку множественные каналы работают вместе или независимо на интегрированном РЧ-фронтенде и определенная форма волны сигнала обрабатывается, все ресурсы аппаратных модулей могут быть объединены вместе внутри сети цифрового преобразования для создания аппаратного потока, поддерживающего обработку формы волны сигнала. Интегрированный РЧ-фронтенд способен поддерживать множественные аппаратные потоки, которые могут единообразно или независимо работать в соответствии со стратегией сканирования антенны или процедурой обработки сигналов. В результате РЧ-фронтенд системы способен обрабатывать множественные сигналы с множественными функциями, достигнутыми на основе системного спроса обработки информации. Избыточные каналы все еще доступны в каналах РЧ, настройки и промежуточной частоты, поэтому все каналы поддерживаются как резервы друг с другом для увеличения надежности системы. Если что-то не так с некоторыми сигнальными каналами, которые не могут полностью поддерживать параллельную обработку множественных сигналов, разные параллельные или временные потоки обработки могут быть сформированы в соответствии с рабочим режимом системы и приоритетом обработки сигналов.

Как показано на рисунке 1, многочисленные параллельные каналы множественных сигналов доступны в РЧ-фронтенде, которые могут быть переключены или работать параллельно через системное управление. Приемный канал настройки извлекает все виды относительно чистых сигналов, которые затем попадают в промежуточную частоту через частотное преобразование. Все сигналы могут быть разумно разделены на некоторые общие каналы промежуточной частоты с методами разделения частоты или разделения во времени и обрабатываются в многофункциональном цифровом приемнике после выбора и комбинирования коммутационным массивом. Система применяет интегрированный частотный интегратор со свойствами широкой полосы, многоточечной частоты, быстрой перестройки и комбинированного выхода.

Методы дизайна микросистематизации

Микросистемы интегрируют компоненты, такие как датчики, считывающие цепи, процессор цифровой обработки сигналов, АЦ/ЦА, трансиверные компоненты и источники питания в микрометровом диапазоне, чтобы объем и потребление энергии системы и конфигурации могли быть резко снижены. Конфигурация микросистемы РЧ-трансиверного канала, устройства и компонентов с применением технологий 3S (SiP, SoC, SoP) приводит к ключевому развитию широкой полосы частот.

Ведущие технологии

Интегрированные технологии дизайна системы

Интегрированная технология дизайна системы играет потенциальную роль в достижении интеграции миссионной системы, в наилучшем использовании эффективности всех видов электронных устройств и обеспечении интегрированных военных возможностей. Сосредоточившись на перспективе систем, интеграция должна быть реализована на ее композиции, конструкции, функциях и методе взаимосвязи, чтобы дизайн интеграции миссионной системы мог быть оптимизирован. Соответствуя военным миссиям и требованиям миссии, дизайн интеграции миссионной системы отвечает за определение, анализ, дизайн, тестирование и оценку всей системы, чтобы привести миссионную систему к совместимости с миссионным спросом в плане функций, производительности, надежности, обслуживаемости, поддерживаемости и стоимости жизненного цикла. Системные дизайнеры должны участвовать в планировании и исследовании в соответствии с промышленной конформностью, долгоживущими и фундаментальными проектами.

Технология дизайна открытой системной конструкции

Открытая системная конструкция полезна для формирования распределенных систем, предоставляет удобство для взаимосвязи и взаимодействия между аппаратным обеспечением от разных производителей, компьютерами с разными типами номеров или другими. Это удобно для трансплантации аппаратного и программного обеспечения и расширения функций системы. Также помогает сократить период исследования и разработки, так как поддерживает изменчивый масштаб системы.

Ключом к реализации открытой системной конструкции лежит в производстве всех видов стандартных интерфейсов и конформности, чтобы те же стандарты и регуляции могли следовать разными единицами разработки и производства продуктов. Помимо аппаратного обеспечения, программное обеспечение также участвует в открытой системной конструкции, все еще играя значительную роль в программном открытом системном, повторном использовании и изменчивом масштабе. Более того, оно рассматривается как важная мера снижения стоимости жизненного цикла системы и периода разработки. Новая версия интегрированного миссионного системного ПО должна соответствовать унифицированным стандартам и регуляциям, и некоторые свойства ПО, включая повторное использование, стандартизацию, интеллектуализацию, трансплантацию и надежность, должны быть включены среди характеристических параметров репрезентативной программной технологии.

Технология дизайна целостности апертуры антенны

Как существенная часть авиационной миссионной системы, антенна или антенная решетка отвечает за излучение и прием многочисленных радиосигналов. Из-за большого числа системных композиций, требования поднимаются к типам и количеству антенн, и разные требования доступны в плане рабочего частотного диапазона, режима поляризации, коэффициентов и покрытия воздушного пространства. Более того, из-за ограничения пространства авиационной платформы и позиций установки антенны, системная компоновка антенн становится грубой, оставляя строгий спрос на сокращение счета антенн.

Для снижения сложности системной компоновки антенн, дизайн целостности антенны или антенной решетки должен быть выполнен после выполнения требований к антенне в совместимости с функциями. Все антенны должны быть интегрированы и совместно использованы, чтобы они стали фронтендом совместных сенсоров, так что апертура антенны может применяться интегрированным образом. Более того, для обеспечения ЭМС (электромагнитной совместимости) между функциями при работе системы, оптимизированный дизайн должен быть принят на компоновке антенн в системе для минимизации эффекта на производительность антенн и взаимного эффекта между антеннами.

Технология CIP

CIP с высокоуровневой интеграцией в системе объединяет множество передовых технологий и множество вычислительных, обработки, управления и администрирования функций завершаются внутри него. CIP отвечает за интегрированную обработку, слияние данных, миссионные вычисления, генерацию видеоинформации, навигационные вычисления, управление хранилищем, электронное резервирование и управление защитой, управление связями, системное управление и мониторинг отказов, инспекцию и реконфигурацию входных данных сенсоров. Множество значительных характеристик новой версии миссионной системы вовлечены в CIP, который технически наилучшим образом использует свойства общего модуля, системы параллельной обработки и распределенной ОС реального времени, обрабатывает ресурсы с совместным ядром и улучшает производительность и надежность для удовлетворения требований авиационной обработки способности и быстрого развития вычислительной способности.

Технология оцифровки широкополосного конфигурируемого РЧ-канала

Авиационная миссионная система покрывает широкий частотный диапазон, многочисленные типы методов модуляции сигналов и форматов сигналов и уровни сигналов с большими различиями. Устройства в традиционной системе связи с высокой плотностью аппаратного обеспечения обладают сложным соотношением взаимосвязи, высокой стоимостью, высоким уровнем сложности обновления передачи и трудной взаимосвязью между системами. Поэтому необходимо зависеть от программного радио и технологии РЧ-дискретизации, чтобы продвинуть оцифровку вперед и сократить канал обработки РЧ-фронтенда и увеличить повторное использование функций цифровой обработки сигналов на бэкэнде для решения некоторых интеграционных проблем, касающихся множественных функций, широкого диапазона частот и множественных методов модуляции системы. Плюс, применение модульного аппаратного и программного обеспечения приносит удобство системному дизайну и введению новых технологий, так что производительность будет улучшена, стоимость и время сокращены.

Полезные ресурсы

• Проблемы и решения в проектировании печатных плат РЧ
• Дизайн цепи модуля обратного хода для RFID-ридера
• Руководства по проектированию печатных плат для РЧ и микроволн
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценностных опций
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки