多功能一体化平台实现及其关键技术研究

李圣衍,吴久涛,江 涛,周 谷

(南京电子技术研究所,江苏 南京 210039)

0 引 言

随着微电子技术和宽带射频技术的发展,武器装备的多功能一体化已经成为一种趋势。新型舰艇为了解决隐身、电磁兼容等问题,舰载电子设备逐渐向综合一体化桅杆方向发展,一体化桅杆已经成为新型舰艇的标志之一;机载电子设备为了解决尺寸、重量和功耗(SWAP)问题,也逐渐向综合孔径、集成化处理平台方向发展[1],基于单一平台的多功能一体化的应用研究已经受到越来越多的重视。

从目前国内外的研究路径来看,多功能一体化主要分为3个层次[2]:第一层次为多平台功能一体化,通过网络和软件将物理形态独立的设备连接起来,实现多功能一体化;第二层次为单平台分时多功能一体化,硬件高度集成统一,通过软件配置实现分时多功能;第三层次是单平台同时多功能一体化,硬件高度集成统一,采用信号一体、处理一体实现同时多功能。本文主要结合宽带数字阵的技术发展,讨论在高度集成化、通用化的硬件平台上分时实现电子侦察、电子干扰和雷达等多功能一体以及工程实现中的关键技术。

1 不同功能实现架构比较

根据对现有装备架构的分析,目前基于相控阵的高增益电子侦察(HGESM)/高功率电子干扰(HPECM)架构和相控阵雷达架构差别不大,但和宽带电子侦察(ESM)架构差别较大,各功能实现所需单元性能比较见表1[3-4]。

表1 各功能实现所需单元性能比较

2 基于全数字阵的一体化架构实现

随着高集成度微电子技术和宽带数字阵的进步,上述功能可以集成到统一的硬件架构中,通过对阵面、后端资源的灵活调度,分时实现多功能一体化。该架构硬件主要分为两大部分:其一为全数字阵面,阵面采用单元级有源子阵进行集成,采用标准化、通用化设计,阵面内数据流、控制流、信号流均采用光信号传输,对外输出可以是单元级输出数据,也可以是波束输出数据(信道化及波束合成集成到阵面里);其二为处理后端,一般集成到控制方舱中,处理后端采用通用异构处理平台,平台间采用光网络互联,模块间采用VPX总线互联,对外支持万兆网通讯。系统架构见图1[4-5]。

图1 基于全数字阵的一体化实现通用架构

利用该架构实现雷达功能时,在显控和控制模块统一控制下,每个数字TR (DTR)产生数字移相的雷达信号,在空间指定方向合成发射波束将信号辐射出去;接收期间,每个DTR对空间信号进行采集,AD数据统一送数字波束形成(DBF)模块,进行波束合成,然后送后端进行检测等处理。

实现侦察功能时,系统在显控和控制模块统一控制下,每个DTR对空间信号进行采集,数据统一送DBF模块,进行波束合成,然后送后端进行参测、分选等处理;也可以根据干涉仪测角解模糊的要求,选择相关单元进行多基线干涉仪测角,完成对相关通道的鉴相、参测、分选等处理。

实现干扰功能时,系统在显控和控制模块统一控制下,每个DTR对空间信号进行采集,数据统一送DBF模块,进行波束合成,然后送后端进行参测、分选、威胁度判别等处理,对威胁度高的目标启动干扰;干扰时,首先在DBF模块中形成干扰引导波束,对被干扰信号进行高精度截获,然后送调制模块,完成频率滤波、信号跟踪、时延/多普勒调制等处理,调制后的信号送各个DTR,DTR经过相位移相后,在空间合成干扰波束进行辐射,完成对特定目标的干扰。

该架构内主要分机如下:

(1) 全数字阵面

全数字阵面主要由辐射阵列、馈线、DTR、综合网络、阵面电源等组成。辐射阵列主要用于空间信号的收集以及激励信号对空辐射,采用双极化天线单元,DTR根据需要选择不同的极化。综合网络包括组件供电电源信号的分配网络、基准时钟的分配网络、水冷管路的分配网络以及上下的光信号传输和分配网络。DTR是一个高集成度的混合电路集成模块,主要由TR通道和数字部分组成,包含射频前端、变频链路、本振产生、功放、电源等模拟电路以及AD/DA、现场可编程门阵列(FPGA)器件、接口等数字电路等[6]。全数字阵的主要性能见表2。

表2 典型全数字阵性能

(2) 数字信道化及波束形成

数字信道化及波束形成模块主要由FPGA逻辑和运算器件构成,用于对全阵各通道数字信号的接收、数字信道化处理和波束合成运算,形成所需的接收波束。探测处理时,需要对数据进行抽取,形成窄带波束;高增益侦察时,需要进行多相滤波信道化处理,进行频域分割,形成若干个窄带波束;进行干涉测向侦察时,可以将信道化后的数据直通,送后端处理,其中通道数量、波束数量以及处理带宽对DBF模块的需求影响很大;实际设计时,需要按照最大的资源需求进行考虑。

(3) 信息处理

信息处理采用FPGA+CPU的异构处理平台。参数测量、副瓣对消等功能实时性要求高,采用以FPGA为主的无源模块流水方式处理;侦察分选、雷达信号处理、任务调度实时性要求不高,采用以CPU为主的模块进行异步处理,目前较多采用计算刀片模块。异构处理平台采用中间件管理,软硬件解耦,分层总线架构,模块间根据需要可以采用VPX总线、RapidIO接口或光网络互联,对外采用专用光纤或光网络连接。实际设计时,需要考虑不同功能接口的复用以及接口的配置,涉及到FPGA功能动态配置见下一节。

(4) 调制处理

调制处理模块主要由PFGA等器件构成的模块组成,主要用于对被干扰目标信号的接收,无关信号的频率滤波、重频滤波等处理,提纯需要干扰的信号,对需要干扰的信号进行延时、频率/幅度调制等处理,形成所需的干扰信号。

其他还包括系统控制、显控等分机,这些和常规的雷达功能分机基本类似。

3 关键技术分析

该架构目前在工程上逐渐成熟,已有相应功能的样机出现,实现过程中不少关键技术(包括宽带宽角阵面、高集成度组件、高速数据采集等)目前已经具有较成熟的基础,但在多功能动态重构等方面尚存在不少难点。

3.1 FPGA动态可重构技术[7-8]

功能重构是实现分时多功能的关键环节。其中后端处理软件一般运行在CPU等计算模块上,可以多个CPU并行处理,资源较充裕,所以处理软件可以按照不同的功能划分成不同的子模块集成到统一的主控软件中。实际工作时,系统运行全功能的处理软件模块,在人机交互的情况下选择不同的工作方式实现不同功能。但对于DBF、信道化/参测、调制处理模块等实时处理模块均以FPGA逻辑器件为主,其功能的切换比较复杂,通常情况下使用FPGA 设计实现特定的功能,流程如图2所示。经过设计、综合、布局布线生成比特流文件,然后下载到FPGA芯片中执行。当需要实现不同功能时,重新进行上述流程并将生成的比特流文件下载即可。这个过程可以认为是对FPGA 进行的静态可重构配置,耗时较长,且需要中断系统运行,无法满足分时多功能实现的需求。

图2 FPGA静态重构流程

所以需要研究动态可重构计算系统,要求重构时间短、不掉电,外围电路简单。目前动态可重构方法包括基于差异的设计方法、基于模块的可重构设计方法和早期获取部分可重构(EAPR)方法,这些方法均是针对某些类型的FPGA而设计的,配置电路各不相同,具有较大局限性。随着FPGA规模越来越大,可利用资源越来越多,工程设计人员可以牵引厂家利用现有FPGA资源开发可重构计算设计平台,实现动态重构接口和方法的统一;另外需要开发面向应用者透明化、可重构配置代码编译环境,将编译环境和具体的芯片类型解耦,从根本上实现FPGA的快速重构功能。

3.2 合成式相参干扰技术

该架构一个显著的特点是将数字射频存储器(DRFM)功能分解到DTR中,转发式干扰时,需要将各通道侦收的数据合成干扰引导数据,然后经过干扰调制后,再通过多通道合成来实现干扰信号发射,所以合成式相参干扰本质上是收发DBF形成问题,原理如图3所示。

图3 合成式相参干扰示意

假设被干扰目标方向为θB,考虑复加权系数,则干扰引导波束数据为:

(1)

式中:Wir=(ai-air)ej(-(i-1)φB-φir)为复加权系数,包含幅度权、相位权和补偿权;air为接收通道的幅度补偿值;φir为接收通道的相位补偿值,可以通过阵面监测获得,如下:

(2)

式中:Xi(k)为阵列通道数据;Xc(k)为参考通道数据。

进行干扰调制后,则有:

(3)

式中:τ为假目标的距离延时;fd为假目标的多普勒频偏;Tpw为信号脉宽。

假目标完成干扰调制后,需要通过发射通道合成辐射出去,发射通道同样存在幅相误差需要补偿,假设发射通道幅相误差分别为Δait和Δφit,则有:

Δait)ej(-(i-1)ΔφB-Δφir-Δφit+2πf0τ+2πfd(mΔT))

(4)

式中:Wit=aite-jφit为发射通道补偿权,同样可以通过发射通道监测获得。

根据上面的分析,多通道采样及通道间数据同步、通道间幅相一致性均会影响干扰波束质量[9],同样需要在发射支路增加监测网络,实时获取发射支路的补偿数据。宽带工作时,频带内的幅相起伏也会影响波束质量,采用均衡处理尤为重要,宽带数字均衡的原理见图4。

图4 宽带均衡原理示意

经过数字均衡后,通道内幅相起伏具有明显的改善,仿真见图5。

图5 宽带均衡前后幅相起伏

另外,侦收通道和干扰引导通道合二为一,接收尽可能采用线性放大链路,减少信号交、互调带来的虚假信号,对侦察分选有好处;但对于利用检波信号的转发式干扰,存在检测电平不够问题。针对该情况,需要增加样本数据的信号调理功能,提升检测信噪比,实现起来和常规DRFM存在很大的不同,需要进行攻关和验证。

3.3 分布式频率源技术

该架构中,各组件接收统一的时钟基准,独自产生所需本振,不同组件本振间的差异性主要表现为本振的频率一致性和幅度一致性,其中幅度一致性可以通过增加幅度均衡来实现,确保各本振输出功率相差不大。而频率一致性体现为不同本振的频率精度和频率短期稳定度,其中频率短稳对本振的相参性影响较大。频率短稳主要源于本振的链路特性和外部环境所引起的各种随机噪声,目前使用最广泛的频率源噪声模型是幂率谱噪声模型。该模型是用5种相互独立的随机噪声来描述振荡器的频率波动过程,并通过输出频率的功率谱密度函数在对数域的斜率来区分各种不同的噪声类型,功率谱密度函数可以表示为[10]:

(5)

式中:hα为常数,α=-2、-1、0、1、2分别对应随机游走噪声、频率闪烁噪声、频率白噪声、相位闪烁噪声、相位白噪声5种不同的噪声类型。

由于频率稳定度关注时间轴x(t)上噪声的变化,x(t)的功率谱密度函数表示为:

h-1f-3+h0f-2+h1f-1+h2)

(6)

Sx(f)在对数域的表示如图6所示。

图6 对数域x(t)的功率谱密度函数

其中相位白噪声对频率短稳影响最大,根据相关文献的分析,本振频率处理过程是相位噪声的主要来源,含有振荡器的部件,如上下变频器、调制器等都会带来相位噪声,另外电源纹波大、电路失配也会造成相噪恶化[11]。为了实现本振之间的相参性,可以采取的措施包括:组件的本振链路尽可能采用低相位噪声的器件;供电电源采用线性电源、降低电源纹波等。为了提升各本振间的相参性,各本振电路还可以增加本振锁相回路,将本振输出信号锁相到时钟基准。上述措施在地面的频率源设备中是可以实现的,但在集成度很高的组件内解决起来难度较大,需要开展技术攻关和验证。

3.4 多功能光传输技术

本架构的另一个特点是阵面和后端采用光传输链路互联,光传输的信号类型包括上下行数据、控制定时信号以及时钟信号。信号传输类型不同,对光纤的要求也各不相同,光链路拓扑如图7[12]所示。

图7 数字阵光网络拓扑

其中上下行数据包括中频采样后的I/Q数据和上行的干扰调制I/Q数据,上下行数据传输一般采用多模光纤。由于通道数多、AD采样率高且量化位数多,对光纤传输容量、传输误码和传输延时特性等带来很高的要求,所以需要增加光链路监测支路,自动监测下行光链路各节点状态,实现下行数据实时监测。上行控制信号采用广播式传输方式,将控制信号从雷达控制器传输至阵面各DTR。由于阵面DTR数量巨大,对输入光功率的要求高,需要使用光功率放大器提高输出光功率来实现分布式传输,所以考虑采用1 550 m单模光纤进行光信号放大传输。控制定时信号传输过程中,器件本身的噪声和光纤传输的非线性效应等会造成定时信号的抖动劣化,进而对波束合成等性能造成影响[13],所以控制定时链路需要考虑稳相传输。传递模拟时钟和传递控制信号类似,采用光功分进行广播式传输,但光链路特性对时钟信号的影响不一样。光调制器、光纤及光接收器均会对时钟信号的幅相特性产生影响,传输后时钟信号的幅相会产生变化,频率越高,幅相变化越大,其中相位变化尤为突出。特别是环境温度的随机起伏变化将强烈地影响光纤的折射率,导致信号时延漂移,进而产生相位波动,影响系统性能,对稳相传输的要求更高[14-15]。

目前国内外研究的光纤稳相传输技术主要有基于光载波矢量和、电域矢量和、色散理论以及射频光子移相等。

综上所述,多功能光纤传输技术涉及状态监测、稳相传输、收发模块降噪等多方面的技术,系统实现时需要统筹考虑进行技术验证。

4 结束语

目前在较低频段,特别是在S波段以下,高集成DTR已经研制成功,基于全数字阵的多功能一体化样机也已经问世,并完成了相关试验及技术验证。预计不久的将来,在舰载平台或机载平台上将会出现多功能一体化形态的装备。但目前该架构还只局限于分时多功能,尚存在难以克服的瓶颈,后续随着一体化波形、高效线性功放、大动态射频器件、对消技术等相关技术和器件性能的突破[16],基于全数字阵的同时多功能一体化也会逐渐实现。