基于软件无线电的多功能射频综合一体化设计*

关中锋

(中国西南电子技术研究所,四川成都610036)

基于软件无线电的多功能射频综合一体化设计*

关中锋

(中国西南电子技术研究所,四川成都610036)

在研究国内外雷达、电子战、通信综合一体化技术的基础上,分析了雷达、电子战、通信功能特点及综合一体化带来的优势,提出了基于软件无线电的多功能射频综合一体化设计思路,然后阐述了综合一体化系统架构,给出了雷达、电子战、通信综合一体化方案,最后对综合一体化设计技术、超宽带射频技术、系统软件技术和系统资源管理等关键技术进行了重点讨论,为基于软件无线电的雷达、电子战、通信多功能综合射频系统具体设计提供了借鉴。

软件无线电 多功能 综合一体化

0 引 言

随着高新武器技术的发展,未来战争对作战平台的信息化程度、综合作战性能、隐身性、远程打击能力要求更高。下一代航空电子系统呈现出综合化、模块化、复杂化等特征,具有资源高度共享、信息高度融合和软件高度密集等特点[1]。

但一直以来,现代战斗机平台装备的雷达、电子战、通信数据链等装备,都是采用大量独立的射频传感器分散在整个航电系统结构内部,分别完成各自的功能[2]。目前,雷达、电子战及通信数据链系统综合一体化研究重点在于雷达通信一体化、雷达电子战一体化技术研究,多功能综合程度不够,导致作战平台的重量和体积较大。

软件无线电的概念是将信号数字化处理无限接近天线,这种理想软件无线电代表了无线电平台的最大灵活性[3]。从基于硬件、面向用途的传感器设计方法中解放出来。功能软件化的实现方法势必减少功能单一、灵活性差的硬件电路,建立一个通用的、开放的硬件平台,尽量利用软件来实现电台的各种功能模块,系统的升级是通过软件来实现的[4]。随着天线、射频、数字处理器、互联总线等技术进步,软件无线电技术开始在雷达、电子战领域应用,国内外开展了大量软件无线电电子战、软件化雷达等技术研究[5-6]。本文在总结以往雷达、电子战、通信系统综合设计经验基础上,提出了一种基于软件无线电技术的多功能综合射频系统方案。

1 综合一体化设计分析

(1)多功能射频特点分析

雷达主要通过发射信号主动探测目标,电子战系统的侦察设备利用目标发射的电磁信号被动探测目标,通信数据链通过与合作目标相互通信实现有效信息传输。从无线电理论和系统实现方面看,雷达、电子战和通信数据链系统都极为相似,在原理上雷达和通信都是电磁波的发射和接收过程[7];电子战的侦察是电磁波接收,电子干扰是电磁波发射;在系统结构上三者的子系统有相当大的重叠,如天线、发射机、接收机、处理器等。虽然不同功能具体实现上有一定的差别,但如果有效利用最新技术发展成果,那么完全有可能利用通用资源实现雷达、电子战、通信数据链功能一体化。战斗机平台雷达、电子战、通信数据链功能对比分析见表1。

(2)综合一体化技术介绍

综合化程度有高有低,已经开展的雷达、电子战、通信多功能综合一体化设计,重点在于实现共址兼容工作、信息融合处理、原始数据交互融合、硬件综合等,已经开展的综合一体化研究情况详细如表2所示。本文将进一步提高综合一体化程度,采用软件无线电技术,实现雷达、电子战、通信多种射频系统综合一体化设计。

(3)综合一体化优势

通过分析雷达、电子战、通信数据链功能特点,发现采用综合一体化设计可带来如下好处:

1)提高系统共址兼容工作能力

采用时分、频分、频率加固、频谱协调、协同管控等措施,提高雷达、电子战、通信数据链同时工作时共址干扰承受能力。

2)提高雷达的作战性能

火控雷达天线一般覆盖机头前向±60°,可利用电子战系统在机身四周的分布式天线,实现雷达对飞机侧向、后向等方向的探测能力。提高导弹发射后飞机机动逃逸时目标持续跟踪能力。

3)提高电子战的作战性能

电子战系统的灵敏度有限,通过利用有源相控阵雷达高增益天线,大大提高ESM的接收灵敏度。灵敏度的提高可以支持ESM实现对雷达主瓣和旁瓣持续侦察。

表1 雷达、电子战、通信数据链功能对比分析Table 1 Contrast table of Radar/EW/COM function

4)提高通信数据链的作战性能

通过利用雷达和电子战系统发射的高EIRP、高增益天线资源、窄波束天线等,提高通信数据链通信带宽、通信距离、通信抗截获、通信抗干扰能力等。

5)提高系统综合性能

由于ESM的空间传播因数为距离R-2,雷达的空间传播因数为距离R-4,再考虑到目标RCS不断减小的趋势,虽然ESM灵敏度低于雷达,但ESM的作用距离一般比雷达大,可先于雷达发现目标。再结合ESM的隐蔽性,可采用电子战系统为雷达做目标指示,使其能更快地搜索到目标,减少系统的反应时间和降低被敌方探测和攻击的风险。

表2 雷达、电子战、通信数据链综合一体化等级Table 2 Level of Radar/EW/Communication integration

综合利用雷达、ESM、通信数据链提供的综合信息,进行融合处理,降低目标识别的模糊度,提高态势综合识别能力。

对于远距离雷达目标,一般情况下,ESM仅仅使用主波束对准雷达目标进行探测和识别,而且,在具有相近角度的多目标环境下,或敌方雷达静默时, ESM是不可能探测和分辨目标的。相反,雷达是一种有效的多目标探测传感器,利用其测距、多普勒、天线角度选择性等辨别多目标,但是一般雷达探测距离比ESM近。电子战可为雷达探测提供目标初始方位,雷达依据初始方位进行小角度搜索。雷达为电子战系统提供目标数量和精确的位置(包括距离、角度、速度等信息)。再加上通信数据链提供的态势信息,通过多源信息融合处理,提高综合态势感知能力。

通过资源共享,降低系统复杂度和成本,减小平台RCS,降低系统被截获概率,提高设备利用率等。

随着现代军事需求的日益多样化,采用软件无线电技术设计多功能综合射频系统,可适应多种平台装载需要,实现多种雷达、电子战、通信功能,为军用机载平台提供多种应用能力,适应多种应用场景。系统典型应用场景示意图如图1所示。

图1 多功能综合射频系统应用场景示意Fig.1 Applications Schematic diagram ofintegrated multifunction RF system

2 系统设计

2.1 系统架构

本文基于软件无线电技术,采用开放式系统架构,利用通用的硬件,硬件与软件相互独立,功能软件化,设计一种多功能射频系统,提供雷达、电子战、通信等功能。系统硬件架构如图2所示。

图2 系统硬件架构Fig.2 Schematic diagram of system hardware structure

其中,超宽带多波束相控阵天线要求覆盖比较宽的频段,每个频段的特性均匀,以满足雷达、电子战、通信数据链各种业务的要求。为便于实现,可在全频段甚至每个频段使用几付天线,并采用智能化天线技术。同时多波束可支持雷达功能同时实现多个空域探测和多目标同时跟踪能力,可支持电子侦察瞬时波束宽覆盖、高增益,可支持通信数据链同一时刻多节点同时通信,另外也可利用多波束相控阵天线波束灵活控制能力,在重点方向实现波束零陷,解决同平台、本方编队等多通道射频系统兼容工作能力,支持雷达、通信、电子战功能在不同空域同时覆盖,实现多功能线程同时运行。

超宽带通用射频硬件要求具备高带宽、线性、高效射频放大、低噪声、灵活射频通道切换、多通道电磁兼容等特点,在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务,接收时实现滤波、放大、下变频等功能。灵活射频通道切换电路提供多个天线和多个接收通道、多个发射通道之间互联和灵活切换功能,支持通信全双工、半双工模式射频通道切换等。多通道发射机和接收机可在软件控制下提供多样性功能。射频滤波器组中心频率和带宽根据雷达、电子战、通信波形参数灵活可调,支持同时多通道发射和接收。射频通道具备射频信号自适应调整能力。

ADC转换器主要是把模拟信号转换为数字信号,要求ADC在保证一定的动态范围前提下,尽量提高其采样率。

通用处理平台主要由DSP、FPGA、PowerPC等处理器组成,具有很强的通用性和可扩展性。通过加载不同软件实现雷达、电子战、通信不同功能波形实现。

2.2 系统软件设计

系统采用开放式软件架构,符合软件通信体系结构(SCA)规范,保证硬件和软件分离及协调工作,实现通用硬件处理平台的软件组件可移植、可互换、可互操作、软件可重用、体系结构可缩放等。基于SCA的系统软件架构见图3。

图3 基于SCA的系统软件架构Fig.3 Software architecture diagram based on SCA

系统软件设计主要包括框架类软件和软件组件。软件组件负责系统功能实现,把信号处理和数据处理封装为一体,采用面向对象的方法进行分析和设计,重复利用性好,构造一次,测试一次,可多次重复使用。其中系统控制软件、波形软件、适配软件等属于软件组件。框架类软件提供一个标准的运行环境,开发者可在框架的相关规则下开发软件组件。操作系统、通信连接服务、CORBA中间件、核心框架等都是框架类软件,正是这些框架类软件保证了不同的软件组件能一起协调运行。

应用层的软件组件主要包括系统控制管理、雷达波形处理软件、电子战波形处理软件、通信波形处理软件,以及一些非CORBA形式的适配软件。对软件组件而言,它不关心硬件的实现形式和实现细节,通过框架类软件,实现与硬件的隔离,框架软件的标准化保证了软件组件的可移植性和可重用性。当一个功能组要升级时,设计者仅需把重点放在具体算法设计上,其它的组成部分基本可以移植。比如要升级通信波形1,只需要对新的通信波形1具体算法重新开发,测试软件进行小部分修改,所有变动部分软件代码一般不超过软件组件总代码的10%,可大大提高软件的可重用性。

3 关键技术

3.1 综合一体化设计技术

雷达、电子战、通信数据链各种功能能力需求、指标要求、工作时机、工作对象等各不相同,需要分析研究各种功能的工作流程、资源需求,对各种功能进行类型的归并和组合,确定系统工作模式、业务先后顺序、状态切换准则等,建立系统关联矩阵、动态组合模型、功能切换模型等。从而实现在相同的硬件平台上,通过不同的软件功能组件实现不同的功能,通过系统资源管理来消除共址干扰等,既能满足系统有源探测要求,又能够适应电子战功能需求,同时又具备所需的通信数据链能力。

3.2 超宽带射频技术

通用硬件平台设计的难点主要在于射频资源的宽带化和统一化。雷达、电子战、通信数据链各种功能工作频段跨度大,天线波束宽度、天线指向、射频输出功率、接收灵敏度、射频瞬时带宽等差异大,这就要求天线系统和射频硬件必须能在一个相当宽的频带内工作,并支持多种工作模式,具备通过软件灵活控制的能力,具有一定的技术实现难度。解决该问题的技术途径有:研究开发宽带天线和射频组件技术,开发多频段组合天线和射频组件技术,研究多波束、多输入天线技术,研究多模、多通道发射和接收通道技术,可灵活调整的多样式射频滤波器技术,研究灵活的宽频段射频开关技术等。

3.3 系统软件技术

雷达、电子战、通信数据链性能的好坏在一定程度上取决于系统软件的性能。要实现雷达、电子战、通信数据链等功能的软件化,必须做好软件架构设计、基本框架软件设计开发、承载各种功能的软件组件开发等。雷达、电子战、通信数据链系统基本的信号处理功能,雷达的目标识别、抗干扰等,电子战的信号识别、测向定位、信号分选等,通信数据链的组网协议等性能主要靠相应算法和软件来实现。需要组织专门力量进行SCA架构设计,雷达、电子战、通信数据链标准软件组件开发等。

3.4 系统资源管理技术

传统雷达、电子战、通信数据链功能采用不同的独立设备实现,因此几乎没有系统级的资源管理,更多的是设备内部级的模块管理。多功能综合射频系统采用通用的硬件资源,通过不同软件实现不同的功能。资源的通用化和共用带来资源动态管理的问题。

需要对系统的硬件资源、软件资源进行合理划分和定义,资源的管理调度应进行统一设计,全盘考虑,协调统一。根据不同工作模式下各功能线程的优先级,设计出合理的资源分配算法和重构策略,优化资源调度配置;采用XML技术对蓝图进行描述,实现系统流程描述、应用部署描述、资源需求描述、软件构件属性描述、部署位置描述、依赖性描述、装配关系描述、故障处理描述;在系统管理以及各子功能线程或组件管理程序的配合下,按照系统蓝图定义实现对系统天线资源、射频资源、网络资源、通用硬件模块资源、软件模块资源的统一管理和调度;完成系统初始化、系统关闭的控制和管理;功能线程的装载、卸载、重构和降级等功能。

4 结 语

本文分析了雷达、电子战、通信综合一体化发展现状,将目前最新的软件无线电技术引入综合化设计,可进一步提高综合化多功能射频系统的通用化、综合一体化、标准化、软件化、开放性、小型化、功能多样化程度。并对软件无线电多功能综合射频系统方案的硬件设计和软件设计进行分析,提出需要突破的关键技术。建议下一步对关键技术设计和工程化应用进行深入研究。

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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

关中锋(1976—),男,硕士,工程师,主要研究方向为通信系统总体设计。

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