Airborne Mission System Channelization Bandbreedte Herconfigureerbare geïntegreerde RF-ontwerpbenaderingen

Met de ontwikkeling van micro-elektronica en technologie voor bandbreedteapparatuur die de digitalisering voortstuwt, zal RF-integratie naar een hoger niveau klimmen met een grotere bandbreedte en een geleidelijke vermindering van volume, gewicht en kosten. Bovendien zullen er revolutionaire veranderingen plaatsvinden in de hardwareconfiguratie van het systeem en de geïntegreerde structuur en hardware-generalisatie zal een onvermijdelijke trend zijn. Door middel van luchtmissiesysteemintegratie en miniaturisatieontwerp kunnen antennes van alle systemen worden samengevat of gereconstrueerd tot antennes met een laag aantal volgens frequentieband en functies. Daarnaast wordt uitgebreide verwerking gedaan op antenne, analoog circuit, stuurcircuit, digitaal circuit en verbindingsnetwerk, zodat een RF-transceiversysteem kan worden gecreëerd met een breed frequentiespectrum, meerdere kanalen en zelfadaptatie. Het doel van geïntegreerde RF ligt in het verminderen van kosten, gewicht en volume, zodat gebruikers de kosten acceptabel zullen vinden, waarbij zowel de uitvoerbaarheid als de betrouwbaarheid toenemen. Op basis van experimenten bewijst het dat MTBCF (Mean Time Between Critical Failures) van geïntegreerde systemen twee keer kan worden verhoogd door middel van community, modules, het delen van bronnen, testbaarheid en reconstructie om de hierboven besproken objecten te realiseren.

Ontwerpanalyse van geïntegreerde RF

Vanwege een reeks beperkingen van onroerend goed op haven, gewicht, ruimte en stroomvoorziening, wordt integratieontwerp toegepast door missiesystemen in de lucht om bronnen met vergelijkbare functies te integreren en te delen. Dientengevolge zullen bij het waarborgen van de implementatie van systeemfunctionele indexen doelen worden gerealiseerd, waaronder een laag gewicht, miniaturisatie en een laag stroomverbruik om compatibel te zijn met de vereisten van vliegtuigassemblage.

a. Vanaf het punt van systeembeperking zijn antennes op alle sensoren en zendontvangersystemen verantwoordelijk voor het grootste deel van het hele systeem in termen van licht, onroerend goed en stroomverbruik, verantwoordelijk voor signaalemissie en signaalperceptie. Om aan alle hierboven besproken eisen te voldoen, is het noodzakelijk om een ​​geïntegreerd RF-systeemontwerp uit te voeren:
b. Vanuit het oogpunt van systeemcapaciteit vereist snelle feedback in overeenstemming met militaire eisen zo'n hoge functionele flexibiliteit dat nieuwe functies in korte tijd tegen lage kosten kunnen worden toegevoegd om een ​​snelle systeemupgrade en functie-uitbreiding te bereiken.
c. Vanuit het oogpunt van verbetering van de configuratie van de apparatuur is het effectief om geïntegreerd ontwerp, digitale verzameling en informatie-uitwisseling te implementeren.
d. Vanuit het oogpunt van platformflexibiliteit leidt de toepassing van een geïntegreerd RF-ontwerp ertoe dat de luchtdrager voldoet aan de vereisten met betrekking tot het aanpassingsvermogen van de assemblage door middel van gewichtsvermindering en bekrachtiging. Bovendien kan een reeks problemen met succes worden opgelost, zoals blokkering, elektromagnetische interferentie en toenemend reflectiegebied als gevolg van een toename van het antenne-account.

Kenmerken van geïntegreerde RF

Om compatibel te zijn met beperkte middelen op het platform en te voldoen aan de vraag van militaire operaties, wordt een open configuratie toegepast in het luchtmissiesysteem met een basismodule die bijdraagt ​​aan het hele systeem. Geïntegreerd RF-ontwerp combineert radardetectie, passieve detectie, communicatie/dataketen en IFF (Identification Friend or Foe) zodat een geïntegreerd elektronisch apparaat kan worden gegenereerd met meerdere spectrums, meerdere middelen en zelfaanpassing.

Kenmerken van geïntegreerde RF zijn onder meer:

a. Open RF constructie;
b. Volledige belichaming van digitalisering, modularisering, generalisering en standaardisering;
c. In staat om robuust en fouttolerant te zijn;
d. Mogelijkheid tot secundaire ontwikkeling;
e. Hoge betrouwbaarheid, toegang tot ondersteuning, uitbreidbaarheid, lichtgewicht en lage kosten enz.

Elementen in geïntegreerd RF-ontwerp

• Ontwerpelementen van integratie van radio-ontvangst

Integratie van radio-ontvangst verwijst naar het proces dat verschillende missiesystemen gewoonlijk een RF-ingangskanaal delen en hun eigen signaalontvangstfunctie bereiken. Functies van het ontvangstkanaal vereisen dat RF-signalen die door ontvangstantennes worden ontvangen, worden versterkt, gefilterd, in frequentie omgezet, gedigitaliseerd en voorbewerkt, en dat ze worden uitgevoerd naar een geïntegreerde kernprocessor voor signaalverwerking en gegevensverwerking. Een van de signalen vereist mogelijk meerdere ontvangstkanalen die moeten worden bediend samen met prestatie-eisen, waaronder het delen van netwerkoverdracht, versterking met weinig ruis, kanaalversterking, AGC, dynamisch bereik, kanaalbandbreedte en kanaalbalans.

Bij de integratie van radio-ontvangst moet met de volgende elementen rekening worden gehouden:

a. werkfrequentie;
b. Tijdelijke bandbreedte van ontvangstkanaal;
c. Voorbijgaande dynamiek van ontvangstsignalen;
d. Gevoeligheid van ontvangstsignalen;
e. Voer een bandbreedte uit die groter is dan de totale bandbreedte wanneer alle missies hetzelfde kanaal hebben.

• Ontwerpelementen van RF-emissie-integratie

RF-emissie-integratie zorgt ervoor dat verschillende missiesystemen gezamenlijk het RF-uitgangskanaal delen om hun eigen signaalemissiefuncties te voltooien. Emissiekanalen bieden de bijbehorende signaalgolfvorm, modulatie, frequentieconversie, aandrijfversterking en uitgangsvermogen dat naar antennes wordt gestuurd. De toonaangevende prestaties liggen op het gebied van signaalgolfvorm, signaalstabiliteit, kanaalversterking, dynamisch bereik, uitgangsvermogen en zuiverheid van het uitgangsspectrum.

De volgende elementen moeten in overweging worden genomen met betrekking tot de integratie van RF-emissie:

a. werkfrequentie;
b. Voorbijgaande bandbreedte van emissiekanaal;
c. SFDR (Spurious Free Dynamic Range) van uitgezonden signalen;
d. Frequentie van uitgezonden signalen;
e. Uitgangssignaalgolfvorm.

Bovengenoemde elementen moeten worden gewaarborgd door geïntegreerde RF-emissie. In tegenstelling tot de integratie van radio-ontvangst die tegelijkertijd signalen kan ontvangen, zijn er nog steeds problemen met gelijktijdige emissie, wat vooral voorkomt bij de golfvorm van de bandbreedte. Het belangrijkste probleem ligt in het feit dat gemeenschappelijke emissie uit meerdere bronnen hoge eisen stelt aan de lineariteit van de eindversterker.

Ontwerpmethoden van geïntegreerde RF

• Ontwerpmethode voor integratie van antennediafragma

Geïntegreerde antenne of antenne-array is een belangrijke fysieke component die bijdraagt ​​aan het missiesysteem in de lucht en implementeert conversie tussen elektrische RF-energie in de ruimte en hoogfrequente elektrische RF-energie door subsystemen. Volgens de vereiste in termen van luchtdomein, frequentiedomein, tijddomein en modulatiedomein, samen met zijn eigenschappen op functies, bedrijfsmodus, bedrijfsfrequentiebereik, dekkend luchtdomein, bedrijfsperiode, modulatiemodus, polarisatie en aanpassingsvermogen in de lucht, alle soorten van antennes moeten worden geïntegreerd en geavanceerde technologieën van het huidige antenneontwerp moeten zoveel mogelijk worden toegepast, zoals superbandbreedte, conformal, miniaturisatie, gemeenschappelijke apertuur en reconstructie. Het optimale ontwerpdoel moet worden bereikt rond index, volume, gewicht en kosten en alle soorten antennes moeten een geïntegreerd ontwerp krijgen met hun geoptimaliseerde functies en frequenties om uiteindelijk de antenne-opening te integreren.

a. Geïntegreerd typeontwerp. Rekening houdend met vereisten zoals werkfrequentie, dekking van het luchtdomein en polarisatie, moet een antenne met hoge bandbreedte, hoge efficiëntie en hoge winsten worden toegepast en moet de antenne of antenne-array een uniform ontwerp krijgen met vereenvoudigde antenneclassificatie.

b. Geïntegreerd diafragma-ontwerp. Als aan de vraag naar antenneprestaties wordt voldaan, moet het ontwerp van gemeenschappelijke apertuur zoveel mogelijk worden uitgevoerd op de antenne of antenne-array met een geoptimaliseerd ontwerpdoel op kosten, volume en gewicht. Op basis van overwegingen over de werkfrequentie van de antenne, de montagepositie, de grootte van de ruimte en het dekkingsbereik en het fundamentele discussieresultaat, wordt een gemeenschappelijk apertuurontwerp geïmplementeerd op antennes met vergelijkbare montageposities, zodat meerdere antennes of antenne-array bij dezelfde opening worden geplaatst om de ruimte voor de antennemontage te verkleinen en de efficiëntie van het diafragmagebruik te verbeteren.

c. Antenne delen ontwerp. Als het gaat om antennes met vergelijkbare indexvereisten in termen van werkfrequentie, polarisatietype, versterkingen en dekkingsruimte, wordt het ontwerp voor het delen van antennes uitgevoerd door middel van schakelaaromschakeling, signaalcombinator of splitter en time-sharing-toepassing om het aantal antennes te minimaliseren .

• RF front-end integratie ontwerp

Gebaseerd op high-power bandbreedte-apparaattechnologie, microsysteemtechnologie, MEMS (micro-elektromechanisch systeem) en gedistribueerde technologie, wordt een geïntegreerd RF-standaardsysteem tot stand gebracht door middel van generalisatie, digitalisering en modularisering. Bovendien zijn het algemene RF-zendontvangerkanaal en het hardwareplatform zo opgezet dat het RF-systeemkanaal compatibel kan zijn met alle spectrums, reconstrueerbaar, gedigitaliseerd en microgesystematiseerd.

Volgens de algemene ontwikkelingsvereisten van het missiesysteem in de lucht en de structurele definitie ervan, samen met geïntegreerde ontwerpprincipes, bevatten RF-front-end-integratieontwerpmethoden de volgende aspecten:
a. RF-kanalisatie. Discretie en toewijding van elk functioneel subsysteem moet worden doorbroken en alle RF-systemen moeten een kanaliseringsontwerp krijgen om ervoor te zorgen dat het RF-zendontvangerkanaal volledig spectrumcompatibel en in het algemeen geïntegreerd is.
b. Modularisering van middelen. Alle hardwarebronnen zijn ontworpen door middel van een vlak frame, backplane en modules die compatibel zijn met de standaard om een ​​uniforme assemblagevoeding en thermische dissipatie van hardwarebronmodules te bereiken.
c. Module generalisatie. RF front-end openbare bronmodules doorlopen generalisatieontwerp, inclusief voedingsmodule, ontvangstmodule en schakelmodule en generalisatieontwerp wordt geleidelijk geïmplementeerd op multifunctionele voorverwerkingsmodule. Aan de ene kant helpt het generalisatieontwerp van modules om de resourceclassificatie te verminderen. Anderzijds wordt de basis gelegd voor functieback-up en -reconstructie.
d. Standaardisatie van interfaces. Standaardbus wordt toegepast in RF-frontend en het sensornetwerk is toegankelijk via een uniform ontworpen algemene interfacemodule. Door standaardisatie van interfaces kan het type en het aantal systeembussen effectief worden verminderd, wat gunstig is voor de onderlinge verbinding tussen systemen.
e. Eenmaking van resourcebeheer. De algemene interfacemodule aan de RF-frontend ontvangt en analyseert op uniforme wijze de vraag naar resourcebeheer van de kernprocessor en stuurt deze naar de corresponderende preprocessingmodules en andere modules, waarbij het uniforme beheer op de RF-frontend is voltooid.

Ontwerpmethoden voor modularisatie

Sensorsectie behorend bij het missiesysteem in de lucht, inclusief analoog circuit aan RF-frontend en digitaal circuit aan RF-achtereinde, past een open systeemstructuur toe en gebruikt standaard hardwaremodules met verschillende functies en enkele typen die RF-frontendmodule, algemene ontvangstmodule, voorverwerkingsmodule, signaalverwerkingsmodule, multifrequentie-emissiemodule, multifunctionele modulatormodule, antenne-interface-eenheid en matrixschakelaararray. Die modules kunnen dynamisch worden gecombineerd op basis van eisen aan RF-functies van sensoren om functies van verschillende sensoren te realiseren. Ze kunnen worden ontworpen en vervaardigd op basis van strikte en uniforme structurele standaardafmetingen en kunnen worden geïnstalleerd en gebruikt op een standaard installatieframe.

Antenne-interface-eenheid voltooit functies van RF-omschakelaars, die verantwoordelijk zijn voor het verzenden van door antennes ontvangen RF-signalen naar de RF-front-endmodule. Verbonden met een multifrequentie-emittermodule, verzendt de antenne-interface-eenheid RF-signalen die klaar zijn om te worden uitgezonden naar de bijbehorende antennes. Antenne-interface-eenheid is in staat om conflicten op te lossen die mogelijk kunnen optreden wanneer signalen van de zendontvanger de antenne delen.

RF-front-end-ontvangstmodule zet RF-signalen om in standaard middenfrequentie en middenfrequentieschakelaar verzendt middenfrequente signalen die worden uitgevoerd door RF-front-end-ontvangstmodule naar algemene ontvangstmodule, middenfrequente modulatiesignalen gegenereerd door multifunctionele modulator naar overeenkomstige zendermodule. Middenfrequente schakelaars zijn verantwoordelijk voor het oplossen van conflicten die kunnen ontstaan ​​wanneer middenfrequente signalen van de zendontvanger de algemene ontvangstmodule en de multifunctionele modulatormodule delen.

Middelhoge frequentiesignalen worden verzonden naar de signaalpreprocessor nadat ze zijn verwerkt door de algemene ontvangstmodule, inclusief banddoorlaatfiltering, A/D-conversie en DDC (Digital Down Conversion). Signaalpreprocessor voert gematchte filtering uit op signalen na digitalisering van de algemene ontvangstmodule met fasetransformatie van het basisbandsignaal, pulsopname en digitale verspreiding voltooid. Bovendien deelt het ook een deel van het verwerkingswerk van signaalprocessors en worden digitale signalen nadat de voorverwerking is verzonden naar de signaalverwerkingsmodule. Tijdens het emissieproces stuurt de signaalpreprocessor basisbandsignalen naar de multifunctionele modulator na implementatie van digitaal gespreid spectrum en pulsvorming.

De signaalverwerkingsmodule is verantwoordelijk voor de signaalverwerking van alle sensorfuncties, inclusief demodulatie, zelfaanpassende kanaalbalans, foutcorrigerende codering en decodering en codering en decodering.

Ontwerpmethoden voor kanalisatie

Omdat meerdere kanalen samenwerken of onafhankelijk werken aan de geïntegreerde RF-frontend en een bepaalde signaalgolfvorm wordt verwerkt, kunnen alle hardwaremodulebronnen worden gecombineerd binnen een digitaal conversienetwerk om een ​​hardwarethread te creëren die de signaalgolfvormverwerking ondersteunt. Geïntegreerde RF-frontend kan meerdere hardwarethreads ondersteunen die uniform of onafhankelijk kunnen werken in overeenstemming met de antennescanstrategie of signaalverwerkingsprocedure. Als gevolg hiervan is de RF-front-end van het systeem in staat om meerdere signalen te verwerken met meerdere functies die worden bereikt op basis van de vraag naar systeeminformatieverwerking. Redundante kanalen zijn nog steeds beschikbaar in kanalen van RF, tuning en middenfrequentie, zodat alle kanalen als back-ups met elkaar worden onderhouden om de betrouwbaarheid van het systeem te vergroten. Als er iets mis is met sommige signaalkanalen die parallelle verwerking van meerdere signalen niet volledig ondersteunen, kunnen verschillende parallelle of time-sharing verwerkingsthreads worden gevormd op basis van de systeemwerkmodus en signaalverwerkingsprioriteit.

Zoals is aangegeven in figuur 1, zijn er tal van parallelle kanalen van meerdere signalen beschikbaar in RF-frontend, die kunnen worden geschakeld of parallel kunnen werken via systeembesturing. Bij het afstemmen van het ontvangstkanaal worden allerlei relatief zuivere signalen geëxtraheerd die vervolgens door frequentieconversie in de middenfrequentie vallen. Alle signalen kunnen redelijkerwijs worden onderverdeeld in enkele openbare middenfrequentiekanalen met frequentiedeling of time-sharing-methoden en worden na selectie en combinatie door schakelarray verwerkt in een multifunctionele digitale ontvanger. Het systeem past een geïntegreerde frequentie-integrator toe met eigenschappen van breedband, meerpuntsfrequentie, snelle behendigheid en combinatie-uitgang.

Ontwerpmethoden voor microsystemisatie

Microsystems integreert componenten zoals sensoren, leescircuits, digitale signaalprocessor, AD/DA, transceivercomponenten en voedingen binnen micrometerbereik, zodat het volume en het stroomverbruik van het systeem en de configuratie drastisch kunnen worden verminderd. Configuratie van microsysteem, apparaat en componenten van het RF-zendontvangerkanaal met toepassing van 3S-technologie (Sop, Sip, Soc) leidt tot belangrijke ontwikkeling van een brede frequentieband.

Toonaangevende technologieën

• Geïntegreerde ontwerptechnologieën van systeem

Geïntegreerde ontwerptechnologie van het systeem speelt een potentiële rol bij het bereiken van missiesysteemintegratie, waarbij optimaal gebruik wordt gemaakt van alle soorten efficiëntie van elektronische apparaten en geïntegreerde militaire capaciteiten worden gegarandeerd. Gecentreerd op het perspectief van systemen, moet integratie worden geïmplementeerd op de samenstelling, constructie, functies en verbindingsmethode, zodat het integratieontwerp van het missiesysteem kan worden geoptimaliseerd. In overeenstemming met militaire missies en missievereisten, is het ontwerp van missiesysteemintegratie verantwoordelijk voor het definiëren, analyseren, ontwerpen, testen en evalueren van het hele systeem om het missiesysteem aan te sturen om compatibel te zijn met de missievraag in termen van functies, prestaties, betrouwbaarheid, onderhoud, draagbaarheid en levenscycluskosten. Systeemontwerpers moeten deelnemen aan planning en onderzoek in overeenstemming met brancheconforme, langdurige en fundamentele projecten.

• Open systeem constructie ontwerptechnologie

Open systeemconstructie is gunstig voor het vormen van gedistribueerde systemen en biedt gemak voor onderlinge verbinding en interoperabiliteit tussen hardware van verschillende fabrikanten, computers met verschillende typenummers of andere. It is convenient for hardware and software transplantation and enhancement and expansion of system functions. Also, it helps shrinking research and development period as it supports system's volatile scale.

The key to the implementation of open system construction lies in all kinds of standard interface manufacturing and conformability so that the same standard and regulations can be followed by different product development and manufacturing unit. Apart from hardware, software is also involved in open system construction, still playing a significant role in software open system, reusability and volatile scale. Furthermore, it is regarded as an important measure to reduce system life-cycle cost and development period. A new version of integrated mission system software should conform to uniform standard and regulations and some properties of software, including reusability, standardization, intellectualization, transplantation and reliability should be included among characteristic parameters of representational software technology.

• Antenna Aperture Integrity Design Technology

As an essential part of airborne mission system, antenna or antenna array is in charge of emitting and receiving numerous radio signals. Due to a large number of system compositions, demands rise towards antenna types and amount and different demands are available in terms of operating frequency range, polarization mode, gains and covering air space. Furthermore, due to the limitation of airborne platform space and install positions of antenna, system antenna layout becomes rough, leaving a stringent demand for antenna account reduction.

To lower difficulty of system antenna layout, antenna or antenna array integrity design should be carried out after demands are met on antenna in compatible with functions. All antennas should be integrated and shared to make them front end of sharing sensors so that antenna aperture can be applied in an integrating way. Moreover, to ensure the EMC (Electromagnetic Compatibility) between functions as the system is working, optimized design should be taken on antenna layout in the system to minimize the effect on antenna performance and mutual effect between antennas.

• CIP Technology

CIP with a high-level integration in the system combines multiple advanced technologies and lots of computing, processing, control and administration functions are completed within it. CIP is responsible for integrated processing, data fusion, mission computing, video information generation, navigation computing, store management, electronic backup and defense management, communication management, system control and failure monitoring, inspection and reconstruction of sensor input data. Lots of significant characteristics of a new version of mission system are involved in CIP that technically makes the best use of properties of common module, parallel processing system and distributed real-time operating system, processes resources with sharing core and improves performance and reliability to meet demands of airborne processing capability and fast development of computing capability.

• Broadband Configurable RF Channel Digitalization Technology

Airborne mission system covers a wide frequency range, numerous types of signal modulation methods and signal formats and signal levels with wide differences. Devices in traditional hardware density communication system feature a complicated interconnection relation, high cost, a high level of upgrading transferring difficulty and difficult interconnection between systems. Therefore, it's necessary to depend on software radio and RF sampling technology, to push digitalization forward and to reduce RF front end processing channel and to increase function re-usage of digital signal processing at rear end in order to solve some integration issues concerning multiple functions, wide range of frequency and multiple modulation methods of the system. Plus, application of modular hardware and software brings convenience to system design and the introduction of new technologies so that performance will be improved, cost and time reduced.

Helpful Resources:
• Setbacks and Solutions in RF PCB Design
• Flyback Power Module Circuit Design for RFID Reader
• Guidelines for RF and Microwave PCB Design
• Full Feature PCB Manufacturing Service from PCBCart - Multiple Value-added options
• Advanced PCB Assembly Service from PCBCart - Start from 1 piece