【技术综述】机载任务系统通道化宽带可重构综合射频设计方法研究，战技性能跨越发展的重要推力

Original 学术plus 2022-07-29

今日荐文

今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家刘民，唐晓斌。本篇节选自论文《机载任务系统通道化宽带可重构综合射频设计方法研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第1期。

摘要：本文论述了综合射频的内涵和特点，分析了军事电子装备所面临的形势和挑战，探讨了通道化综合射频系统的设计要素,并通过在机载任务系统设计中的应用，进一步详细阐述了实施宽带可重构综合射频设计的主要步骤和方法，还论述了为支撑机载任务系统综合射频设计所需突破的关键技术以及需要制定的标准规范等。最后指出，综合射频前端的综合化程度高低和综合达到的技术水平，将对机载任务系统总体性能产生至关重要的影响。

关键字：综合射频；通道化；可重构；设计

引言

随着微电子和宽带器件技术的发展使数字化前移，射频集成度将更高，带宽更宽，体积、重量和成本不断下降，系统硬件形态和集成架构将发生革命性的变化，硬件通用化是必然趋势。通过开展机载任务系统综合化和小型化设计，把机上的各系统天线按频段和功能，归并、重构成数量尽可能少的天线，并对天线和模拟电路、控制电路、数字电路和连接网络进行综合处理，构成一个宽频谱、多通道和自适应的射频收发系统。综合射频的目的是降低成本、重量和体积，让用户在经济上可以承受，同时可用性和可靠性也得到提高，验证结果表明，综合后的系统平均致命故障间隔时间（MTBCF）可以增加两倍，通过共用化、模块化、资源共享、可测试及重构等手段可实现上述目标。

1 综合射频设计分析

1.1 综合射频设计驱动源

受飞机平台资源、重量、空间和供电限制，机载任务系统采用综合设计，对相同功能资源进行整合和共用，确保在满足系统功能性能指标的同时，实现轻型化、小型化和低功耗的目标，以适应飞机装机要求。

（1）从系统的约束角度，在任务系统设计中，各传感器的天线及收发系统占有总系统最多的重量、最大的空间及功耗，实现了整个传感器的信号发射及信号感知的功能，为达到以上约束条件下，实现最大的系统能力，需开展综合射频系统设计。

（2）从系统能力实现角度，根据作战需求的快速变化，要求射频系统具有尽可能大的功能弹性，能在短期内以低成本增加新的功能，实现快速系统升级和功能扩展。

（3）从装备能力提升角度，开展综合设计并进行数字化采集，进行信息共享是实现系统能力提升的有效途径。

（4）从平台适应性角度，采用综合射频设计后，通过减重、增能等手段提升载机的适装性要求，同时缓解因天线数目的增加导致的遮挡、电磁干扰和反射面积增大等一系列问题。

1.2 国外综合射频发展情况

国外综合射频研究项目主要有：

1996年美国海军研究局的“先进多功能射频系统”（AMRFC）计划、美国空军的“综合传感器系统”（ISS）计划和“多功能综合射频”（MIRFS）项目
2001年欧盟的可裁剪多功能射频系统（Scalable Multifunction RF，SMRF）项目、2005年美国海军“多功能电子战”（MFEW）计划
2010年美国海军研究局创新式综合上层建筑（InTop）计划。

典型的工程应用有：美国DDG-1000驱逐舰和基于“宝石柱”、“宝石台”计划的F-22/F-35战斗机。

1.3 综合射频主要特点

为适应平台资源限制和满足作战需求，机载任务系统采用开放式的体系架构，以基本模块构成整个系统。它将雷达探测、无源侦察、通信/数据链、敌我识别等综合设计在一起，以构成多频谱、多手段的自适应综合一体化电子设备。

综合射频的特点表现在以下几个方面：

（1）采用开放式射频体系架构；

（2）充分体现数字化、模块化、通用化和标准化；

（3）具有鲁棒、容错重组的能力；

（4）具有二次开发能力，在原有的框架下更换软硬件、提供新的算法以不断提升系统能力，满足用户要求；

（5）具有高可靠性、易支持、可扩展、重量轻、经济性等特点。

2 综合射频设计要素

2.1射频接收综合设计要素

射频接收综合是不同任务系统同时共用射频输入通道，共同完成各自的信号接收功能。接收通道的功能要求是把接收天线接收到的射频信号进行放大、滤波、变频、数字量化和信号预处理，然后输出给综合核心处理机进行信号处理和数据处理。其中一个信号可能需要多个接收通道同时并行工作，其性能要求包括共享网络切换、低噪声放大、通道增益、AGC、动态范围、通道带宽和通道平衡等。

射频接收综合主要考虑以下因素：

（1）工作频段；

（2）接收信道瞬时带宽；

（3）接收信号瞬时动态；

（4）接收信号灵敏度；

（5）输出带宽大于各任务同时占用信道的总带宽等。

综合射频接收需保证各任务系统同时满足以上（1）~（4）各因素。第（5）条是保证综合射频接收通道能同时工作的前提。

2.2 射频发射综合设计要素

射频发射综合是不同任务系统同时共用射频输出通道，共同完成各自的信号发射功能。发射通道需根据系统工作状态或控制要求，提供相应的信号波形、调制、变频、放大驱动和相应的功率输出至发射天线。其主要性能要求包括信号波形、信号稳定度、通道增益、动态范围、输出功率和输出频谱纯度等。

射频发射综合主要考虑以下因素：

（1）工作频段；

（2）发射信道瞬时带宽；

（3）发射信号无杂散动态范围；

（4）发射信号功率；

（5）输出信号波形等。

综合射频发射需保证各任务系统同时满足以上各因素，与射频接收综合能够同时接收不同，各任务系统同时发射目前存在问题，尤其是宽带波形，主要问题是多源同时发射对功放的线性度要求过高。

3 综合射频设计方法

3.1 天线孔径综合设计方法

综合天线/天线阵是机载任务系统的重要物理组成部分，综合天线/天线阵分系统集中实现包括雷达、通信、侦察、导航、识别等众多无线电传感器功能的空间电磁波能量和高频电磁波能量之间的转换，按照空域、频域、时域、调制域等诸多方面的要求，考虑其在功能、工作方式、工作频段、覆盖空域、工作时段、调制方式、极化方式、载体适装性等方面的特性，对各类天线进行整合，最大限度的采纳当前天线设计领域的先进技术，如超宽带、共形、小型化、共孔径、重构等设计技术，遵循技术指标、体积、重量、成本等多方面最优化设计的目标，对各类天线进行综合设计，并最大程度地发挥其功能和效率，最终达到综合利用天线孔径的目的。

3.1.1 统一类型设计

综合考虑各功能对天线/天线阵的工作频率、覆盖空域、极化形式等的要求，尽量采用宽带、高效率、高增益天线形式，对各类天线/天线阵进行统一设计，简化天线的种类，设计多频段宽带通用全向天线，满足多种功能使用需求。

3.1.2 综合孔径设计

在满足各功能对天线性能要求的基础上，最大限度的将天线/天线阵进行共孔径设计，并遵循成本、体积、重量等方面最优化设计的目标。通过考量天线工作频段、安装位置、空间尺寸、覆盖范围等各方面的因素，以及前期的初步论证结果，对于安装位置需求接近的天线进行共用孔径设计，使多幅天线/天线阵安装于同一个孔径中，以减少天线安装空间，提高孔径利用效率。

3.1.3 天线共用设计

对于工作频率、极化形式、增益、覆盖空域等指标要求较接近的天线，通过开关切换、信号合路/分路、分时使用等手段进行天线共用设计，以最大程度地减少天线的数量。

3.2 射频前端综合化设计方法

以大功率宽带器件技术、微系统技术、微机电（MEMS）、分布式技术为基础，通过采用通用化、数字化和模块化设计，建立综合射频标准规范体系，打造通用射频收发通道和硬件平台，实现射频系统通道全谱覆盖、可重构复用、信号数字化和微系统化。

根据机载任务系统总体研制要求和任务系统体系架构定义，结合综合化设计原则，射频前端综合化设计方法主要体现在以下几个方面。

（1）射频通道化：打破各功能分系统的分立和专用，将所有射频系统进行通道化设计，实现全谱覆盖，通用集成化的射频收发通道。

（2）资源模块化：射频前端所有的硬件资源均以机架、背板和符合统一标准的模块进行设计，实现硬件资源模块的统一安装、供电和散热。

（3）模块通用化：射频前端的公共资源模块实现了通用化设计，包括电源模块、接收模块、开关类模块，并逐步实现更多功能预处理模块的通用化设计。模块的通用化设计一方面减少了资源的种类，另一方面也为功能备份和重构奠定基础。

（4）接口标准化：射频前端采用标准的总线，并通过统一设计的通用接口模块接入传感器网络，接口的标准化可有效减少系统总线类型和数量，也有利于保证系统的互通互连。

（5）资源管理统一化：射频前端通用接口模块统一接收并解析来自核心处理机的资源管理指令，并将指令分发给相应的预处理模块和其它模块，完成对射频前端统一的资源管理。

3.3 模块化设计方法

机载任务系统的传感器部分，包括射频前端的模拟电路部分和后端的数字电路部分均采用开放式的系统架构方式，使用不同功能的种类尽量少的标准硬件模块，这些模块按其功能应包括射频前端模块、通用接收模块、预处理模块、信号处理模块、多频段发射模块、多功能调制器模块、天线接口单元和矩阵开关阵列等。这些模块可按传感器射频功能的要求进行动态组合，以实现不同的传感器功能。它们以一个严格统一的结构标准尺寸设计生产，能在标准安装架上安装使用。

天线接口单元完成射频转换开关的功能，它把天线接收到的射频信号送到射频前端模块，它与多频段发射机模块相连，把要发射出去的射频信号送至相应的天线。天线接口单元可以解决在收发信号在共享天线时可能出现的冲突。

射频前端接收模块把射频信号变换到标准中频，中频开关把射频前端接收模块输出的中频信号送到通用接收模块中，把多功能调制器产生的中频调制信号送到相应的发射机模块中。中频开关解决收发中频信号在共享通用接收模块和多功能调制器模块时可能出现的冲突。

通用接收模块对中频信号进行带通滤波、A/D变换、数字下变频（DDC）等处理后送信号预处理器。信号预处理器在接收时对通用接收模块数字化后的信号进行匹配滤波，实现数字基带信号的相位转换、脉冲捕获、数字解扩，分担信号处理器的处理工作，预处理后的数字信号送信号处理模块；在发射时，信号预处理器对来自信号处理模块的基带信号进行数字扩频、脉冲成形处理后送多功能调制器。

信号处理模块进行所有传感器功能的信号处理，包括调制解调、信道自适应均衡、纠错编译码、加解密等功能。

3.4 通道化设计方法

综合射频前端在多通道并行或分时处理时，每当处理某个信号波形，所有硬件模块资源可在数字交换网络的支持下进行组合，构成一个硬件线程，支持完成此信号波形的处理。综合射频前端可同时支持多个硬件线程，按照天线扫描策略、信号处理流程并行或分时工作。因此系统射频前端可以根据系统信息处理需要，同时完成对多个信号的处理，实现多种功能。在综合射频的射频、调谐、中频等通道中还留有冗余通道，使各通道互为备份，以提高系统的可靠性。当系统有多个信号通道出现故障而不能完全支持多信号并行处理时，还可以根据系统工作模式、信号处理优先级时序形成不同的并行/分时处理线程。

图1 综合射频通道化设计方法示意图

如图1所示，射频前端包括有多种信号的多个并行通道，通过系统控制任意切换或同时并行工作。通过调谐接收通道分离出各种比较纯净的信号，然后下变频至同一个中频频段。各路信号可以按频分、时分的方法合理分配组合在某几个公共中频信道之中，由开关矩阵选择、组合至多功能数字化接收机进行处理。系统采用综合化频率综合器，它应具有宽带、多点频、快速捷变和组合输出性能。

3.5 微系统化设计方法

微系统可以在微米尺度内集成传感器、读出电路、数字信号处理器、AD/DA、收发组件和电源等多种电子元器件，可以大大减小系统、装备的体积和功耗。重点发展宽频段可配置射频收发通道微系统，以及采用3S技术（Sop、Sip、Soc）的设备组件和器件。

根据目前国内微系统技术现状，同时考虑到综合射频系统的设备和模块在系统总重量中占据了较大的比重，因此在综合射频系统处理通道的小功率信号处理范畴应用微系统技术，即在射频接收/激励、基带信号处理部分开展SoC设计。在接收通道的小信号处理部分采用RF-MEMS器件，替换传统分离式的独立器件，从而缩减电路重量体积。综合射频系统处理通道，微系统技术的设计方法如图2所示：

图2 综合射频微系统化设计方法示意图

4 关键技术

4.1 系统综合设计技术

系统综合设计技术是实现任务系统综合，充分发挥各种电子设备效能，确保综合作战能力的根本保证。必须从系统的观点出发，对其组成、构造、功能、互联方法等进行综合的研究，以达到任务系统综合设计的最佳化。任务系统综合设计工作，是根据作战使命及任务需求，对系统进行定义、分析、设计、验证、评估并反复迭代，最终使任务系统的功能、性能、可靠性、维修性、保障性及全寿命期费用满足任务要求。系统设计者还需跟踪发展中的任务系统综合的行业共性、长远性和基础性项目进行规划研究。例如，任务系统新概念、新结构的研究和开发，开放式系统架构和综合化、通用化、模块化系统架构等；并进行任务系统综合领域的新技术、关键技术研究以及综合保障及成本分析等。

4.2 开放式系统架构设计技术

开放式系统架构便于构成分布式系统，便于不同厂家生产的、不同型号的计算机或其他的硬件之间互联、互通和互操作，也便于硬件、软件的移植，便于系统功能的增强和扩充。此外开放式系统架构还支持系统可变规模，有利于缩短研制开发周期。

实现开放式系统架构的关键是要制订和贯彻各种标准接口，使不同的产品研制、生产单位都遵循相同的标准和规范。开放式系统架构不仅涉及硬件，也涉及软件。软件开放系统、软件可重复使用、软件可变规模与硬件的开放性同样重要，也是降低系统全寿命周期费用、缩短研制开发周期的重要措施。新一代综合任务系统的软件，应遵循统一的标准、规范，软件的可重用、标准化、智能化、可移植性、可靠性等要列入表征软件技术的特征参数中。

4.3 天线孔径一体化设计技术

天线/天线阵是机载任务系统的重要组成部分，主要实现各类无线电信号发射与接收的功能。系统功能组成众多，对天线种类、数量需求较大，对天线的工作频段、极化方式、增益、覆盖空域等要求各不相同。同时，受载机平台空间的限制，可供天线安装的位置有限，导致系统天线布局难度较大，对减少天线数量的需求十分迫切。

为了降低系统天线布局难度，在满足各功能对天线需求的前提下，应开展天线/天线阵综合一体化设计，对各类天线进行整合、共用，使其成为共享传感器前端，以达到综合利用天线孔径的目的。同时，为确保各功能在工作时相互之间的电磁兼容性能，需对系统各天线布局进行优化设计，最大程度地较少平台对天线性能的影响，以及各天线之间的相互影响。

4.4 核心处理系统(CIP)技术

系统中高度综合的核心处理系统是多种先进技术的汇集地，很多计算、处理、控制和管理功能都是在CIP中完成，负责实现传感器输入数据的综合处理、数据融合、任务计算、视频信息生成、导航计算、外挂管理、电子支援与防御管理、通信管理、系统控制和故障监视、检测、重构等多种功能。新一代任务系统的许多重要特性都体现在CIP中。在技术上它充分利用共用模块、并行处理多机系统和分布实时操作系统的结构特性，以共享核心处理资源，改善性能和可靠性，满足机载处理能力和计算能力飞速发展的要求；在信息密集条件下，满足对战场态势了解、任务管理等操作、控制简便的要求。

4.5 宽带可配置射频通道数字化技术

机载任务系统频段覆盖广、信号调制方式和信号格式多样、信号电平差异大。传统硬件密集通信系统的设备交联关系复杂、成本代价高、升级迁移难度大、不同系统间互联互通困难。因此，有必要在借助软件无线电和射频采样技术，将数字化向前推进，减少射频前端处理通道，加大后端数字信号处理的功能复用，以解决系统功能多、频段广、调制方式多等综合化难题，支持任务系统的可配置和可扩展。另外，使用模块化的硬件和软件，便于系统设计及新技术的引入，以改善性能、减少成本和投入使用时间。

4.6 综合射频前端系统控制管理技术

综合射频前端总体技术涉及到综合射频前端顶层设计思想、综合射频前端综合射频原理、综合射频前端系统体系构架、综合射频前端控制管理、综合射频前端数据交互等。

综合射频前端系统控制管理技术是综合射频前端中的灵魂。综合射频前端系统控制管理技术涉及到系统资源的配置与重构、系统资源实时控制响应、系统初始化/停机、系统故障管理、总线控制等。

4.7 综合射频前端总线技术

总线网络是综合射频前端的重要组成部分，综合射频前端总线网络划分为控制总线和数据总线，并制定相应的总线设计规范，明确总线网络的电气接口和通讯协议，有利于实现综合射频前端的模块化。

5 标准和规范

为满足开放式系统的设计要求，需制定一系列有关开放式综合射频系统软件、模块、控制、总线及系统结构的技术标准和规范，并在新一代机载任务系统项目研制过程中得到贯彻执行。

（1）机载一体化天线综合设计规范；

（2）机载综合射频前端设计规范；

（3）机载综合射频模块设计规范；

（4）机载射频通道资源管理要求；

（5）机载综合射频前端总线技术要求；

（6）机载系统模块化设备电磁兼容设计规范；

（7）机载综合射频模块试验规范。

结语

机载任务系统综合射频前端将雷达、电子对抗、导航以及通信数据链等系统的射频电路综合设计在一起，以构成多频谱、多手段的自适应综合一体化电子设备。从硬件的角度来看，综合射频前端已经难以分清通信、导航、敌我识别、雷达、电子战等系统的硬件设备。任务系统的开发进入了模块高度集成、通用化、一体化调度管理、系统重构能力强的崭新阶段。综合射频前端的综合化程度和综合水平，将对机载任务系统总体性能产生至关重要的影响。随着相关项目和计划的不断开展，关键技术逐渐进步和完善，各种组件和模块将进一步小型化、智能化，功能更丰富。在可以预见的未来，综合射频技术必将广泛应用在机载信息系统领域，为拓展特种任务飞机的作战功能带来革命性地变化，并成为战技性能跨越式发展的重要推动力。

（参考文献略）

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