基于軟件無線電的多功能射頻綜合一體化設(shè)計*

關(guān)中鋒

(中國西南電子技術(shù)研究所,四川成都610036)

基于軟件無線電的多功能射頻綜合一體化設(shè)計*

關(guān)中鋒

(中國西南電子技術(shù)研究所,四川成都610036)

在研究國內(nèi)外雷達、電子戰(zhàn)、通信綜合一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上,分析了雷達、電子戰(zhàn)、通信功能特點及綜合一體化帶來的優(yōu)勢,提出了基于軟件無線電的多功能射頻綜合一體化設(shè)計思路,然后闡述了綜合一體化系統(tǒng)架構(gòu),給出了雷達、電子戰(zhàn)、通信綜合一體化方案,最后對綜合一體化設(shè)計技術(shù)、超寬帶射頻技術(shù)、系統(tǒng)軟件技術(shù)和系統(tǒng)資源管理等關(guān)鍵技術(shù)進行了重點討論,為基于軟件無線電的雷達、電子戰(zhàn)、通信多功能綜合射頻系統(tǒng)具體設(shè)計提供了借鑒。

軟件無線電 多功能 綜合一體化

0 引 言

隨著高新武器技術(shù)的發(fā)展,未來戰(zhàn)爭對作戰(zhàn)平臺的信息化程度、綜合作戰(zhàn)性能、隱身性、遠程打擊能力要求更高。下一代航空電子系統(tǒng)呈現(xiàn)出綜合化、模塊化、復(fù)雜化等特征,具有資源高度共享、信息高度融合和軟件高度密集等特點[1]。

但一直以來,現(xiàn)代戰(zhàn)斗機平臺裝備的雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈等裝備,都是采用大量獨立的射頻傳感器分散在整個航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部,分別完成各自的功能[2]。目前,雷達、電子戰(zhàn)及通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)綜合一體化研究重點在于雷達通信一體化、雷達電子戰(zhàn)一體化技術(shù)研究,多功能綜合程度不夠,導(dǎo)致作戰(zhàn)平臺的重量和體積較大。

軟件無線電的概念是將信號數(shù)字化處理無限接近天線,這種理想軟件無線電代表了無線電平臺的最大靈活性[3]。從基于硬件、面向用途的傳感器設(shè)計方法中解放出來。功能軟件化的實現(xiàn)方法勢必減少功能單一、靈活性差的硬件電路,建立一個通用的、開放的硬件平臺,盡量利用軟件來實現(xiàn)電臺的各種功能模塊,系統(tǒng)的升級是通過軟件來實現(xiàn)的[4]。隨著天線、射頻、數(shù)字處理器、互聯(lián)總線等技術(shù)進步,軟件無線電技術(shù)開始在雷達、電子戰(zhàn)領(lǐng)域應(yīng)用,國內(nèi)外開展了大量軟件無線電電子戰(zhàn)、軟件化雷達等技術(shù)研究[5-6]。本文在總結(jié)以往雷達、電子戰(zhàn)、通信系統(tǒng)綜合設(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上,提出了一種基于軟件無線電技術(shù)的多功能綜合射頻系統(tǒng)方案。

1 綜合一體化設(shè)計分析

(1)多功能射頻特點分析

雷達主要通過發(fā)射信號主動探測目標(biāo),電子戰(zhàn)系統(tǒng)的偵察設(shè)備利用目標(biāo)發(fā)射的電磁信號被動探測目標(biāo),通信數(shù)據(jù)鏈通過與合作目標(biāo)相互通信實現(xiàn)有效信息傳輸。從無線電理論和系統(tǒng)實現(xiàn)方面看,雷達、電子戰(zhàn)和通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)都極為相似,在原理上雷達和通信都是電磁波的發(fā)射和接收過程[7];電子戰(zhàn)的偵察是電磁波接收,電子干擾是電磁波發(fā)射;在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上三者的子系統(tǒng)有相當(dāng)大的重疊,如天線、發(fā)射機、接收機、處理器等。雖然不同功能具體實現(xiàn)上有一定的差別,但如果有效利用最新技術(shù)發(fā)展成果,那么完全有可能利用通用資源實現(xiàn)雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈功能一體化。戰(zhàn)斗機平臺雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈功能對比分析見表1。

(2)綜合一體化技術(shù)介紹

綜合化程度有高有低,已經(jīng)開展的雷達、電子戰(zhàn)、通信多功能綜合一體化設(shè)計,重點在于實現(xiàn)共址兼容工作、信息融合處理、原始數(shù)據(jù)交互融合、硬件綜合等,已經(jīng)開展的綜合一體化研究情況詳細如表2所示。本文將進一步提高綜合一體化程度,采用軟件無線電技術(shù),實現(xiàn)雷達、電子戰(zhàn)、通信多種射頻系統(tǒng)綜合一體化設(shè)計。

(3)綜合一體化優(yōu)勢

通過分析雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈功能特點,發(fā)現(xiàn)采用綜合一體化設(shè)計可帶來如下好處:

1)提高系統(tǒng)共址兼容工作能力

采用時分、頻分、頻率加固、頻譜協(xié)調(diào)、協(xié)同管控等措施,提高雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈同時工作時共址干擾承受能力。

2)提高雷達的作戰(zhàn)性能

火控雷達天線一般覆蓋機頭前向±60°,可利用電子戰(zhàn)系統(tǒng)在機身四周的分布式天線,實現(xiàn)雷達對飛機側(cè)向、后向等方向的探測能力。提高導(dǎo)彈發(fā)射后飛機機動逃逸時目標(biāo)持續(xù)跟蹤能力。

3)提高電子戰(zhàn)的作戰(zhàn)性能

電子戰(zhàn)系統(tǒng)的靈敏度有限,通過利用有源相控陣雷達高增益天線,大大提高ESM的接收靈敏度。靈敏度的提高可以支持ESM實現(xiàn)對雷達主瓣和旁瓣持續(xù)偵察。

表1 雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈功能對比分析Table 1 Contrast table of Radar/EW/COM function

4)提高通信數(shù)據(jù)鏈的作戰(zhàn)性能

通過利用雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)射的高EIRP、高增益天線資源、窄波束天線等,提高通信數(shù)據(jù)鏈通信帶寬、通信距離、通信抗截獲、通信抗干擾能力等。

5)提高系統(tǒng)綜合性能

由于ESM的空間傳播因數(shù)為距離R-2,雷達的空間傳播因數(shù)為距離R-4,再考慮到目標(biāo)RCS不斷減小的趨勢,雖然ESM靈敏度低于雷達,但ESM的作用距離一般比雷達大,可先于雷達發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。再結(jié)合ESM的隱蔽性,可采用電子戰(zhàn)系統(tǒng)為雷達做目標(biāo)指示,使其能更快地搜索到目標(biāo),減少系統(tǒng)的反應(yīng)時間和降低被敵方探測和攻擊的風(fēng)險。

表2 雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈綜合一體化等級Table 2 Level of Radar/EW/Communication integration

綜合利用雷達、ESM、通信數(shù)據(jù)鏈提供的綜合信息,進行融合處理,降低目標(biāo)識別的模糊度,提高態(tài)勢綜合識別能力。

對于遠距離雷達目標(biāo),一般情況下,ESM僅僅使用主波束對準(zhǔn)雷達目標(biāo)進行探測和識別,而且,在具有相近角度的多目標(biāo)環(huán)境下,或敵方雷達靜默時, ESM是不可能探測和分辨目標(biāo)的。相反,雷達是一種有效的多目標(biāo)探測傳感器,利用其測距、多普勒、天線角度選擇性等辨別多目標(biāo),但是一般雷達探測距離比ESM近。電子戰(zhàn)可為雷達探測提供目標(biāo)初始方位,雷達依據(jù)初始方位進行小角度搜索。雷達為電子戰(zhàn)系統(tǒng)提供目標(biāo)數(shù)量和精確的位置(包括距離、角度、速度等信息)。再加上通信數(shù)據(jù)鏈提供的態(tài)勢信息,通過多源信息融合處理,提高綜合態(tài)勢感知能力。

通過資源共享,降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本,減小平臺RCS,降低系統(tǒng)被截獲概率,提高設(shè)備利用率等。

隨著現(xiàn)代軍事需求的日益多樣化,采用軟件無線電技術(shù)設(shè)計多功能綜合射頻系統(tǒng),可適應(yīng)多種平臺裝載需要,實現(xiàn)多種雷達、電子戰(zhàn)、通信功能,為軍用機載平臺提供多種應(yīng)用能力,適應(yīng)多種應(yīng)用場景。系統(tǒng)典型應(yīng)用場景示意圖如圖1所示。

圖1 多功能綜合射頻系統(tǒng)應(yīng)用場景示意Fig.1 Applications Schematic diagram ofintegrated multifunction RF system

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于軟件無線電技術(shù),采用開放式系統(tǒng)架構(gòu),利用通用的硬件,硬件與軟件相互獨立,功能軟件化,設(shè)計一種多功能射頻系統(tǒng),提供雷達、電子戰(zhàn)、通信等功能。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of system hardware structure

其中,超寬帶多波束相控陣天線要求覆蓋比較寬的頻段,每個頻段的特性均勻,以滿足雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈各種業(yè)務(wù)的要求。為便于實現(xiàn),可在全頻段甚至每個頻段使用幾付天線,并采用智能化天線技術(shù)。同時多波束可支持雷達功能同時實現(xiàn)多個空域探測和多目標(biāo)同時跟蹤能力,可支持電子偵察瞬時波束寬覆蓋、高增益,可支持通信數(shù)據(jù)鏈同一時刻多節(jié)點同時通信,另外也可利用多波束相控陣天線波束靈活控制能力,在重點方向?qū)崿F(xiàn)波束零陷,解決同平臺、本方編隊等多通道射頻系統(tǒng)兼容工作能力,支持雷達、通信、電子戰(zhàn)功能在不同空域同時覆蓋,實現(xiàn)多功能線程同時運行。

超寬帶通用射頻硬件要求具備高帶寬、線性、高效射頻放大、低噪聲、靈活射頻通道切換、多通道電磁兼容等特點,在發(fā)射時主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務(wù),接收時實現(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。靈活射頻通道切換電路提供多個天線和多個接收通道、多個發(fā)射通道之間互聯(lián)和靈活切換功能,支持通信全雙工、半雙工模式射頻通道切換等。多通道發(fā)射機和接收機可在軟件控制下提供多樣性功能。射頻濾波器組中心頻率和帶寬根據(jù)雷達、電子戰(zhàn)、通信波形參數(shù)靈活可調(diào),支持同時多通道發(fā)射和接收。射頻通道具備射頻信號自適應(yīng)調(diào)整能力。

ADC轉(zhuǎn)換器主要是把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,要求ADC在保證一定的動態(tài)范圍前提下,盡量提高其采樣率。

通用處理平臺主要由DSP、FPGA、PowerPC等處理器組成,具有很強的通用性和可擴展性。通過加載不同軟件實現(xiàn)雷達、電子戰(zhàn)、通信不同功能波形實現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用開放式軟件架構(gòu),符合軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA)規(guī)范,保證硬件和軟件分離及協(xié)調(diào)工作,實現(xiàn)通用硬件處理平臺的軟件組件可移植、可互換、可互操作、軟件可重用、體系結(jié)構(gòu)可縮放等?；赟CA的系統(tǒng)軟件架構(gòu)見圖3。

圖3 基于SCA的系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture diagram based on SCA

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括框架類軟件和軟件組件。軟件組件負責(zé)系統(tǒng)功能實現(xiàn),把信號處理和數(shù)據(jù)處理封裝為一體,采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行分析和設(shè)計,重復(fù)利用性好,構(gòu)造一次,測試一次,可多次重復(fù)使用。其中系統(tǒng)控制軟件、波形軟件、適配軟件等屬于軟件組件?？蚣茴愜浖峁┮粋€標(biāo)準(zhǔn)的運行環(huán)境,開發(fā)者可在框架的相關(guān)規(guī)則下開發(fā)軟件組件。操作系統(tǒng)、通信連接服務(wù)、CORBA中間件、核心框架等都是框架類軟件,正是這些框架類軟件保證了不同的軟件組件能一起協(xié)調(diào)運行。

應(yīng)用層的軟件組件主要包括系統(tǒng)控制管理、雷達波形處理軟件、電子戰(zhàn)波形處理軟件、通信波形處理軟件,以及一些非CORBA形式的適配軟件。對軟件組件而言,它不關(guān)心硬件的實現(xiàn)形式和實現(xiàn)細節(jié),通過框架類軟件,實現(xiàn)與硬件的隔離,框架軟件的標(biāo)準(zhǔn)化保證了軟件組件的可移植性和可重用性。當(dāng)一個功能組要升級時,設(shè)計者僅需把重點放在具體算法設(shè)計上,其它的組成部分基本可以移植。比如要升級通信波形1,只需要對新的通信波形1具體算法重新開發(fā),測試軟件進行小部分修改,所有變動部分軟件代碼一般不超過軟件組件總代碼的10%,可大大提高軟件的可重用性。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 綜合一體化設(shè)計技術(shù)

雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈各種功能能力需求、指標(biāo)要求、工作時機、工作對象等各不相同,需要分析研究各種功能的工作流程、資源需求,對各種功能進行類型的歸并和組合,確定系統(tǒng)工作模式、業(yè)務(wù)先后順序、狀態(tài)切換準(zhǔn)則等,建立系統(tǒng)關(guān)聯(lián)矩陣、動態(tài)組合模型、功能切換模型等。從而實現(xiàn)在相同的硬件平臺上,通過不同的軟件功能組件實現(xiàn)不同的功能,通過系統(tǒng)資源管理來消除共址干擾等,既能滿足系統(tǒng)有源探測要求,又能夠適應(yīng)電子戰(zhàn)功能需求,同時又具備所需的通信數(shù)據(jù)鏈能力。

3.2 超寬帶射頻技術(shù)

通用硬件平臺設(shè)計的難點主要在于射頻資源的寬帶化和統(tǒng)一化。雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈各種功能工作頻段跨度大,天線波束寬度、天線指向、射頻輸出功率、接收靈敏度、射頻瞬時帶寬等差異大,這就要求天線系統(tǒng)和射頻硬件必須能在一個相當(dāng)寬的頻帶內(nèi)工作,并支持多種工作模式,具備通過軟件靈活控制的能力,具有一定的技術(shù)實現(xiàn)難度。解決該問題的技術(shù)途徑有:研究開發(fā)寬帶天線和射頻組件技術(shù),開發(fā)多頻段組合天線和射頻組件技術(shù),研究多波束、多輸入天線技術(shù),研究多模、多通道發(fā)射和接收通道技術(shù),可靈活調(diào)整的多樣式射頻濾波器技術(shù),研究靈活的寬頻段射頻開關(guān)技術(shù)等。

3.3 系統(tǒng)軟件技術(shù)

雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈性能的好壞在一定程度上取決于系統(tǒng)軟件的性能。要實現(xiàn)雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈等功能的軟件化,必須做好軟件架構(gòu)設(shè)計、基本框架軟件設(shè)計開發(fā)、承載各種功能的軟件組件開發(fā)等。雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)基本的信號處理功能,雷達的目標(biāo)識別、抗干擾等,電子戰(zhàn)的信號識別、測向定位、信號分選等,通信數(shù)據(jù)鏈的組網(wǎng)協(xié)議等性能主要靠相應(yīng)算法和軟件來實現(xiàn)。需要組織專門力量進行SCA架構(gòu)設(shè)計,雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)軟件組件開發(fā)等。

3.4 系統(tǒng)資源管理技術(shù)

傳統(tǒng)雷達、電子戰(zhàn)、通信數(shù)據(jù)鏈功能采用不同的獨立設(shè)備實現(xiàn),因此幾乎沒有系統(tǒng)級的資源管理,更多的是設(shè)備內(nèi)部級的模塊管理。多功能綜合射頻系統(tǒng)采用通用的硬件資源,通過不同軟件實現(xiàn)不同的功能。資源的通用化和共用帶來資源動態(tài)管理的問題。

需要對系統(tǒng)的硬件資源、軟件資源進行合理劃分和定義,資源的管理調(diào)度應(yīng)進行統(tǒng)一設(shè)計,全盤考慮,協(xié)調(diào)統(tǒng)一。根據(jù)不同工作模式下各功能線程的優(yōu)先級,設(shè)計出合理的資源分配算法和重構(gòu)策略,優(yōu)化資源調(diào)度配置;采用XML技術(shù)對藍圖進行描述,實現(xiàn)系統(tǒng)流程描述、應(yīng)用部署描述、資源需求描述、軟件構(gòu)件屬性描述、部署位置描述、依賴性描述、裝配關(guān)系描述、故障處理描述;在系統(tǒng)管理以及各子功能線程或組件管理程序的配合下,按照系統(tǒng)藍圖定義實現(xiàn)對系統(tǒng)天線資源、射頻資源、網(wǎng)絡(luò)資源、通用硬件模塊資源、軟件模塊資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度;完成系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)關(guān)閉的控制和管理;功能線程的裝載、卸載、重構(gòu)和降級等功能。

4 結(jié) 語

本文分析了雷達、電子戰(zhàn)、通信綜合一體化發(fā)展現(xiàn)狀,將目前最新的軟件無線電技術(shù)引入綜合化設(shè)計,可進一步提高綜合化多功能射頻系統(tǒng)的通用化、綜合一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、軟件化、開放性、小型化、功能多樣化程度。并對軟件無線電多功能綜合射頻系統(tǒng)方案的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計進行分析,提出需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。建議下一步對關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計和工程化應(yīng)用進行深入研究。

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Integrated Design of Multifunction RF System based on Software Defined Radio

GUAN Zhong-feng
(Southwest Research Institute of Electronic Technology,Chengdu Sichuan 610036,China)

Based on the technical status of radar at home and abroad,EW and communication integration, this paper analyzes the functional characteristics of radar,EW,communications and the superiority brought by integration,introduces the integrated design concept of multifunction RF system based on SDR,then expounds system architecture of integration,and proposes an integrated scheme of radar,EW and communication.Finally,key techniques,such as integrated technique,ultra wide band RF technique,system software technique and resource management technique are highlighted in this paper,these could serve as a reference for the concrete design of radar,EW,communication integration system based on SDR.

SDR;multifunction;integration

TN802

A

1002-0802(2014)11-1333-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.11.019

2014-07-02;

2014-09-16 Received date：2014-07-02;Revised date：2014-09-16

關(guān)中鋒(1976—),男,碩士,工程師,主要研究方向為通信系統(tǒng)總體設(shè)計。

GUAN Zhong-feng(1976—),male,M. Sci.,engineer,mainly working at overall design of communication system.