机载综合射频通信传感器架构设计技术研究

广州海格通信集团股份有限公司 王 健

机载综合射频通信传感器架构设计技术研究

广州海格通信集团股份有限公司 王 健

本文提出机载射频一体化设计技术，从顶层规划综合射频通信传感器系统架构，通过标准化手段进行设计开发和过程控制，形成通用化的体系架构、模块划分以及统一接口，在支持现有典型通信传感器功能的基础之上，具备新射频通信功能的快速扩展能力，从而最大限度地提高系统的可重用性、可靠性与维修性，并降低全生命周期使用维护成本。

综合射频；CNI；通信传感器

1.引言

机载射频系统（也可称为射频传感器系统）作为机载航电的重要组成部分，其性能和技术水平的高低不仅直接决定和影响着飞机的综合性能，更是提升其信息化程度的关键要素。长期以来，机载射频通信传感器系统采用完全独立开发的各类通信、导航、识别装备并“松散”的整合在整个航电系统结构内，完成所需的各种功能。就机载通信系统而言，传统的通信设备仅能满足单模式和窄频段的通信需求。不同频段通信系统之间很难实现信息交互，通常只能采用组合式无线电的方式来实现，通过激活硬件的不同状态来完成不同系统之间的切换。这种组合无线电的体系结构需要不断的硬件扩展才能支持更多的系统，结果导致系统尺寸的膨胀以及成本的直线上升。这些问题严重的限制了用户对通信业务的功能需求的拓展，难以适应未来机载射频轻型化、模块化和通用化的发展趋势。因而，急需研究机载综合射频体系架构，以实现未来机载的统一通信平台。

本文针对这一需求提出先进的通信传感器系统在进行综合射频设计时应采用综合化天线孔径，并对支撑电子部件进行共用化和模块化设计，利用统一的资源调度和任务软件实现硬件和传感器感知信息的资源共享，从而实现包含通信、导航、识别等多项功能，大幅提高飞机的可靠性的同时降低成本和重量。

2.国外主要研究思路

鉴于综合射频技术可显著降低传感器全寿命周期成本、快速应对新的功能需求、动态分配系统资源、大幅降低升级费用，其发展受到世界各国的广泛重视，尤其是在以美国为代表的欧美国家已取得了长足的发展。

综合化射频一般多应用于需要多种电子信息系统协同工作的空间有限的飞行平台，按照应用环境和需求的不同，常见的综合射频通信传感器的系统结构一般分为以下三种：

一是硬件通用设计的多通道结构，这种结构由于信道无法共享，设备数量相对最多、集成度较差。

二是多路可配置信道组网的方式，即按照同时使用的功能系统的最大数目来确定射频信道数量，利用射频开关网络和中频开关网络动态连接通用模块形成所需的多路射频信道，这样就可以用最少的信道来完成系统所有的功能，并且信道间具有相互备份的作用，其结构示意图如图1所示。这种结构既可多通道同时工作，又能够分时共享信道资源，因而适用范围广，如美军F-22的CNI系统以及F-35的航电系统都是基于该种构架。这种“结构综合”的理念摈弃了过去的“一次只设计一个功能设备”的设计方法，同时又保留了原先的CNI设备功能，不仅使得综合后的机载CNI系统的体积重量功耗和成本费用大大降低，而且可靠性可维护性可扩展性方面的性能也明显提高。但这种结构的波形重构能力差。

图1 多通路综合化射频信道结构示意图

三是基于软件无线电结构（SCA）的统一通信平台系统，这种系统的射频信道和数字信号处理都采用了统一的硬件平台，支持不同频段波形的应用，如美军的联合战术无线电系统（JTRS）。JTRS是一种硬件和软件都采用开放系统结构的多频段多模式软件可重编程的无线电系统，覆盖2MHz～2GHz的频谱范围，具有射频硬件复用和波形软件重构的能力，不但兼容传统系统，而且提供了多种新的宽带波形，支持话音、数据和多媒体等多种业务的传输，可极大地增强飞机之间的互通能力。

3.综合射频体系架构设计

3.1 架构描述

由于射频系统工作的特点，通常情况下在进行射频设计时都是采用信号链路的方式来描述系统的工作原理和构成，系统中每个部件之间都具有较强的耦合，接口关系复杂，难以将系统按照模块化划分形成层次清晰的架构。本文提出，射频系统按照信号流向自上向下的方式进行分解，将可以共用的部分作为共性提取出来形成相对独立的层级结构。如图2所示，整个射频系统按照共用部分，可划分为6层，其中矩阵开关用作每层之间的信号通路的控制，单独算作一层。这6层分别为：天线层、矩阵开关层、功放层、激励器/接收器层、频率合成器层、基带处理层。

图2 通用综合射频通信传感器架构功能组件组成

以上各组件层除了矩阵开关层以外，其描述如下：

(1)天线组件层主要是综合各种射频应用的天线端。特别是在微波频段，采用天线孔径共用技术，可以使天线的种类和数量减少。

(2)功放组件层主要是各路射频应用的功率放大组件，通过增加共用的方式形成模块化，减少功放的种类和数量。

(3)激励器/接收器组件层主要是各个频段的射频信号的激励和接收通路，灵活性较高，需要兼容的模式也较多。

(4)频率合成器组件层主要是为整个架构提供频率源，为系统的灵活性提供支撑。

(5)基带处理组件层主要是为各种射频应用处理基带信号，解析各种业务数据。

3.2 设计方法

开展机载综合射频的通信传感器系统架构设计，本文提出的设计方法是：

一是采用自顶向下的研究方法，基于上一节提出的6层组建划分思路，先建立起综合射频体系架构，划分好各部分的功能和接口，然后再逐个突破关键技术，形成可复用的共用模块。

二是通过构建好的体系架构和共用模块，规划出针对所需的通信传感器的整体应用方案，保证本项目中建立的体系架构能够支撑现有的使用需求。整体应用方案根据所采用的机载平台不同，可进行适当的轻量化裁剪以适应诸如小型飞机和无人机等需要进一步精简体积重量的应用场合。

整体的设计方法如图3所示，这种通用综合射频通信传感器系统采用统一的软硬件平台来实现，并通过软件控制可编程逻辑器件和各个功能模块，并根据需要实时动态构建不同的通信体制，从而达到在不改变射频硬件的前提下，实现多种通信功能和传输体制动态切换。

图3 通用化综合射频通信传感器架构技术实现途径

4.关键技术

机载综合射频通信传感器一体化设计技术需采用统一的硬件体系架构，形成孔径、射频功放、收发激励与可配置频合等功能共用模块，通过射频、数字或光交换网络可实现同类的多个模块在不同功能之间的配置使用，形成通用综合射频体系架构。

在进行综合射频通信传感器设计中，为了使整个综合射频体系架构能够建立并得以支撑运行，各个组件层形成模块化时所需要突破的关键技术列表如下所示。

表1 综合射频通信传感器架构设计关键技术一览表

4.1 天线孔径共用技术

射频通信传感器的天线孔径是涵盖实现宽频段话音、数据、识别、甚至雷达、电子战等功能的射频传感器中的所有射频天线。在机载平台上，这些天线要做到体积小、重量轻、强度高和易安装，尽可能设计成流线型、隐蔽式或采用共形，以减小对气动性能的影响，并适应飞机的电磁兼容性要求。

4.2 模块化射频矩阵开关技术

在实现综合射频体系架构中，由于模块化的划分，各个层级的共用模块之间存在着许多种通路组合。共用模块的功能性能越全面，射频系统的可重构性也就越强，存在的通路切换组合数量就越多。此时，传统的射频开关不能满足构建通用综合射频系统的需求，需要具有复杂组合逻辑的开关矩阵来实现。

4.3 高速总线传输技术

高速总线传输技术是机载射频系统研究、开发的核心问题，机载航电的更新换代都是以所采用的总线技术为依据的，因此总线技术对于综合射频效能的发挥至关重要。目前主流数据总线包括HB6096总线以及1553B总线等。随着各类机载通信传感器性能的提升，新一代机载总线技术需要重点考虑高实时性、大带宽、高可靠性与低成本，FC-AE总线标准会是一个比较好的选择。

4.4 模块化宽带功放技术

针对从短波频段到毫米波频段的射频应用，一体化的功放难以实现，需要突破较宽频段的功放一体化，使功放形成可被多种应用共用的模块。

4.5 模块化宽带大动态射频前端技术

射频激励器/接收器是射频系统的关键通路。要使激励器/接收器向模块化发展，形成可被多种应用共用的模块，支撑综合射频通信传感器系统的体系架构。

4.6 模块化频率合成与分配技术

射频系统中需要各种各样的频率源，从短波频段到毫米波段，频率步进变化刻度不一致，输出幅度要求也差异较大，输出信号类型也不尽相同。因此，实现模块化的频率合成与分配需要重点研究频率规划和多模式并存的问题。

5.结束语

传统的机载综合射频系统是一个复杂的独立设备联合式系统，如果要将其综合化设计，在顶层设计、资源共享、系统管理与控制方面都是难点，可以说综合射频系统是航空电子系统综合的重点和难点。本文结合系统工程理论，以从上至下的设计方法构建标准体系，规范指导综合射频架构设计，是保证综合射频系统性能水平的重要手段，也有利于综合射频技术的有序快速发展。

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王健（1978-），男，硕士，通信与信息系统专业，工程师，研究方向为宽带无线通信系统。