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两张图看懂 软件定义无线电应对多频段军事通信挑战
时间: 2019-12-07

  能够跨越多个安全数据链路获取准确的实时信息是任何军事行动取得成功的基石。 由于指挥和控制中心现在需要通过语音和数据直接与战地士兵进行通信,因此更加需要具备这种能力。 但是,只有具备与高级无线技术一样出色的能力 - 能够导航复杂的射频(RF)网和信号处理技术以及在充满挑战的RF频谱环境中呈现无缝、可靠和安全的通信网络,从而在适当的时间提供适当的信息,才能成为战略和战术优势。

  以前,军队一直依赖于各种不同且不兼容的无线电和波形来为战术无线电、机载链路、卫星通信、中继基站和紧急发射器以及新兴的特定应用功能,如需要控制并且在某些情况下需要依靠视频监控图像的无人飞行器(UAV)操作等多种多样的需求提供服务。每个无线电都会建立一条重要的通信链路,在混频中漏掉其中一个就会使运营小组处于不利境地。 然而,每个无线电都需要考虑尺寸、重量和备用电池(在士兵系统中)等成本。 随着各种新要求和新波形的加入,问题变得更加复杂且难以掌控。

  更为复杂的是,未来的运行要求需要系统具有多种功能。 除了需要无线电在更广的RF频率中支持多种语音和数据波形外,未来的士兵系统还希望集成电子监控和电子战功能,这就进一步增加了系统设计的难题。

  通用全双工无线电模块可以解决所有这些难题。该模块可在所有平台中使用,并且能在现场动态实时重新配置,可通过单一电池组提供灵活性、多功能性、高效率和更长的工作寿命。此外,在尺寸、重量和功率(SWaP)方面也具有显著的优势。

  要使这种“通用”无线电概念变成现实却比预期要困难得多: 提供合适的模拟前端(AFE)尤为困难。 更复杂的是,新一代“通用”无线电需要应对由于商业无线电和蜂窝系统大量涌现而导致的频谱更加拥堵所带来的挑战。 这不仅会增加带外信号滤波或导致动态范围需要管理潜在干扰信号,而且还需要系统为尚不存在拥堵问题的其他频带中运行做准备。

  直到最近,面向这类多功能无线电的模拟前端还需要一个重叠并行通道阵列,每个通道旨在覆盖射频频谱的一个特定频段,其带宽与目标信号格式相匹配,并且可能具有可满足带外信号抑制需求的特定滤波。 在最好的情况下,这种方法只是在最终印刷电路板占用空间、重量和功耗方面耗费成本;在最坏的情况下则需要开发多个完整的无线电。

  软件定义无线电(SDR)是针对此问题的最终解决方案。通过加强对模数和基于软件的信号处理的重视,它可以适应各种物理层格式和协议、加密数据并通过在处理器或FPGA上运行的软件来转换模数信号,使其完美满足军事需求。 用户可以动态控制频率、调制、带宽、加密功能和波形要求。

  SDR还能够将新波形和功能灵活结合到系统中,无需升级或更换硬件元件。 这些SDR不仅可用于士兵访问数据以及与指挥中心通信,还可用于创建广域传感器/网格网络,以进行定位/检测和战斗士兵之间的通信。

  SDR中最重要的元件是收发器。 为了实现上述所有灵活性和多功能性,收发器需要具有极宽的RF范围,并且能够通过软件快速调谐和配置通道带宽;它必须支持频分多路复用(FDM)和时分多路复用(TDM)。 为了获得更高级的波形支持,它还必须在动态范围和可靠性方面具有高性能,即使是在噪声条件和具有有意和无意干扰的环境中。 与此同时,它还应该在更低的功耗下运行,以最大程度地减少士兵电池组中的电流消耗。

  一种高度集成的混合信号RF集成电路(RFIC)可使宽带SDR设计更小、更轻、耗电更少。 但真正的挑战在于,ADR中的AFE拥有极宽的带宽,因此在经典设计中需要大量针对特定频谱和可能波形的前端,而其中每个前端的设计和评估都将面临巨大的挑战,最终产品可能会在尺寸、重量和功耗三项指标排名中名落孙山。

  新一代宽带、可编程前端收发器支持两个独立的收发器通道,能够满足这些SDR挑战。 系统处理器可以动态重新配置关键参数(如带宽和RF频率),以符合应用需求并带来最佳结果。此外,它还可以满足快速发展的多路输入多路输出(MIMO)市场以及非MIMO市场的需求。

  新一代宽带集成型RF收发器是许多新一代军事通信和电子监控系统的理想解决方案。 由于它们支持宽通道带宽,因此可以在新一代系统中部署与许多以数据为中心的新波形匹配的设备。 这种高度可配置性可实现认知无线电系统,并且能够使用自适应波形。 这些设备能够快速在RF带宽间调谐,可以作为电子监控(尤其是在功耗受限的平台中)的解决方案。

  ADI公司的AD9361 RF捷变收发器(见图1)就是这样一款收发器,这款10 × 10 mm的芯片级器件采用用户可调的200 kHz至56 MHz带宽设计。它拥有构建70 MHz至6 GHz信号链所需的各种其他特性和性能属性。 这款2 x 2的直接变频元件可以将整个AFE简化成一个相对简单的电路,并通过一个LVDS或CMOS端口与主机处理器连接。 IC中集成了12位A/D和D/A转换器、小数N频率合成器、数字和模拟滤波器、自动增益控制、发射功率监控、正交校正和其他关键功能。

  接收器噪声系数不到2.5 dB,而发射器误差向量幅度(EVM)则优于-40 dB,发射器本底噪声低于-157 dBm/Hz。 对于发射和接收路径,本振步长只有2.5 Hz,可实现精密调谐。 尽管IC中集成了诸多功能,其功耗却非常低,一般为1 W左右。

  灵活的宽带SDR平台涉及大量电路设计工作,以及算法开发工作和一些权衡考量。 尽管初看起来,这似乎是一项困难的开发工作,但新一代收发器必须包含可用的参考设计以简化系统开发。 除了在不更改硬件的情况下实现软件完全自定义外,参考平台还必须经过优化以与FPGA配合使用,并且为电源和电路板布局提供指引以确保最佳性能。 此外,为了支持日渐盛行的MIMO配置,波束成形和波束控制参考设计的支持选项应该显示多设备同步(见图2)。

  通过遵循参考设计中提供的设计指南,工程师可以快速从评估过渡到原型制作,从而成功实施可以在现场动态重新配置的长寿命全双工轻型平台,并最终将“通用”无线电从画板概念变为真实的应用。

  
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