Kanalisierungsbandbreite für luftgestützte Missionssysteme Rekonfigurierbare integrierte HF-Designansätze

Mit der Entwicklung von Mikroelektronik und Bandbreitengerätetechnologie, die die Digitalisierung vorantreiben, wird die HF-Integration mit größerer Bandbreite und allmählicher Reduzierung von Volumen, Gewicht und Kosten auf ein höheres Niveau steigen. Darüber hinaus werden revolutionäre Änderungen an der Konfiguration der Systemhardware stattfinden, und die Verallgemeinerung der integrierten Struktur und Hardware wird ein unvermeidlicher Trend sein. Durch die Integration von Luftmissionssystemen und das Miniaturisierungsdesign können Antennen aus allen Systemen zusammengefasst oder zu Antennen mit einer geringen Anzahl nach Frequenzband und Funktionen rekonstruiert werden. Zusätzlich erfolgt eine umfassende Verarbeitung an Antenne, analoger Schaltung, Steuerschaltung, digitaler Schaltung und Verbindungsnetzwerk, so dass ein HF-Transceiversystem mit breitem Frequenzspektrum, mehreren Kanälen und Selbstanpassung geschaffen werden kann. Der Zweck der integrierten HF liegt in der Reduzierung von Kosten, Gewicht und Volumen, so dass die Benutzer die Kosten als akzeptabel ansehen, wobei sowohl die Praktikabilität als auch die Zuverlässigkeit steigen. Basierend auf Experimenten beweist es, dass die MTBCF (Mean Time Between Critical Failures) integrierter Systeme durch Community, Module, gemeinsame Nutzung von Ressourcen, Testbarkeit und Rekonstruktion zur Realisierung der oben beschriebenen Objekte um das Zweifache erhöht werden kann.

Designanalyse von integrierter RF

Aufgrund einer Reihe von Immobilienbeschränkungen in Bezug auf Port, Gewicht, Platz und Stromversorgung wird das Integrationsdesign von luftgestützten Missionssystemen angewendet, um Ressourcen mit ähnlichen Funktionen zu integrieren und gemeinsam zu nutzen. Infolgedessen werden bei der Sicherstellung der Implementierung von Systemfunktionsindizes Ziele wie geringes Gewicht, Miniaturisierung und geringer Stromverbrauch verwirklicht, um mit den Anforderungen der Flugzeugmontage kompatibel zu sein.

a. Unter dem Gesichtspunkt der Systembegrenzung machen Antennen an allen Sensoren und Transceiversystemen den größten Teil des gesamten Systems in Bezug auf Licht, Platz und Stromverbrauch aus, verantwortlich für die Signalaussendung und Signalwahrnehmung. Um alle oben diskutierten Anforderungen zu erfüllen, ist es notwendig, ein integriertes HF-Systemdesign durchzuführen:
b. Unter dem Gesichtspunkt der Systemfähigkeit erfordert ein schnelles Feedback gemäß den militärischen Anforderungen eine so hohe funktionale Flexibilität, dass neue Funktionen mit geringen Kosten in kurzer Zeit hinzugefügt werden können, um eine schnelle Systemaufrüstung und Funktionserweiterung zu erreichen.
c. Im Hinblick auf die Verbesserung der Gerätekonfiguration ist es effektiv, integriertes Design, digitale Erfassung und gemeinsame Nutzung von Informationen zu implementieren.
d. Unter dem Gesichtspunkt der Plattformflexibilität führt die Anwendung des integrierten HF-Designs dazu, dass der Antennenträger die Anforderungen hinsichtlich der Anpassungsfähigkeit der Montage durch Gewichtsreduzierung und Energieversorgung erfüllt. Darüber hinaus kann eine Reihe von Problemen erfolgreich gelöst werden, wie z. B. Blockierung, elektromagnetische Interferenz und Vergrößerung des Reflexionsbereichs als Ergebnis der Vergrößerung des Antennenkontos.

Attribute der integrierten RF

Um mit den begrenzten Ressourcen auf der Plattform kompatibel zu sein und den Anforderungen militärischer Operationen gerecht zu werden, wird im luftgestützten Missionssystem eine offene Konfiguration angewendet, wobei das Basismodul zum gesamten System beiträgt. Das integrierte HF-Design kombiniert Radarerkennung, passive Erkennung, Kommunikations-/Datenkette und IFF (Identification Friend or Foe), sodass ein integriertes elektronisches Gerät mit mehreren Spektren, mehreren Mitteln und Selbstanpassungsfähigkeit erzeugt werden kann.

Zu den Attributen der integrierten RF gehören:

a. Offene HF-Konstruktion;
b. Vollständige Verkörperung von Digitalisierung, Modularisierung, Generalisierung und Standardisierung;
c. Robust und fehlertolerant;
d. Fähigkeit zur sekundären Entwicklung;
e. Hohe Zuverlässigkeit, Zugriff auf Support, Erweiterbarkeit, geringes Gewicht und niedrige Kosten usw.

Elemente im integrierten HF-Design

• Gestaltungselemente der Funkempfangsintegration

Die Funkempfangsintegration bezieht sich auf den Prozess, bei dem verschiedene Missionssysteme gemeinsam einen HF-Eingangskanal nutzen und ihre eigene Signalempfangsfunktion erreichen. Die Funktionen des Empfangskanals erfordern, dass die von den Empfangsantennen empfangenen HF-Signale verstärkt, gefiltert, frequenzgewandelt, digitalisiert und signalvorverarbeitet und an den integrierten Kernprozessor zur Signalverarbeitung und Datenverarbeitung ausgegeben werden. Eines der Signale erfordert möglicherweise mehrere Empfangskanäle, die zusammen mit Leistungsanforderungen betrieben werden müssen, einschließlich gemeinsamer Netzwerkübergabe, rauscharmer Verstärkung, Kanalverstärkung, AGC, Dynamikbereich, Kanalbandbreite und Kanalbalance.

Bei der Funkempfangsintegration sind folgende Punkte zu beachten:

a. Betriebsfrequenz;
b. Transiente Bandbreite des Empfangskanals;
c. Transiente Dynamik von Empfangssignalen;
d. Empfindlichkeit von Empfangssignalen;
e. Ausgangsbandbreite größer als die Gesamtbandbreite, wenn alle Missionen denselben Kanal verwenden.

• Gestaltungselemente der HF-Emissionsintegration

Die HF-Emissionsintegration treibt verschiedene Missionssysteme dazu, den HF-Ausgangskanal gemeinsam zu nutzen, um ihre eigenen Signalemissionsfunktionen zu vervollständigen. Sendekanäle bieten die entsprechende Signalwellenform, Modulation, Frequenzumwandlung, Antriebsverstärkung und Ausgangsleistung, die an Antennen gesendet werden. Seine führende Leistung liegt in Signalwellenform, Signalstabilität, Kanalverstärkung, Dynamikbereich, Ausgangsleistung und Reinheit des Ausgangsspektrums.

Die folgenden Elemente sollten bei der Integration der HF-Emission berücksichtigt werden:

a. Betriebsfrequenz;
b. Transiente Bandbreite des Emissionskanals;
c. SFDR (Spurious Free Dynamic Range) von emittierten Signalen;
d. Häufigkeit der ausgesendeten Signale;
e. Wellenform des Ausgangssignals.

Die oben genannten Elemente sollten durch integrierte HF-Emission sichergestellt werden. Anders als bei der Funkempfangsintegration, die Signale gleichzeitig empfangen kann, sind einige Probleme bei der gleichzeitigen Emission noch verfügbar, was insbesondere bei Bandbreitenwellenformen auftritt. Das Hauptproblem liegt in der Tatsache, dass die gemeinsame Emission mehrerer Quellen hohe Anforderungen an die Linearität des Leistungsverstärkers stellt.

Designmethoden für integrierte RF

• Entwurfsverfahren der Antennenapertur-Integration

Eine integrierte Antenne oder ein Antennenarray ist eine wichtige physikalische Komponente, die zu einem luftgestützten Missionssystem beiträgt, und implementiert die Umwandlung zwischen elektrischer HF-Energie im Weltraum und hochfrequenter elektrischer HF-Energie durch Subsysteme. Entsprechend den Anforderungen in Bezug auf Luftbereich, Frequenzbereich, Zeitbereich und Modulationsbereich sowie seine Eigenschaften in Bezug auf Funktionen, Betriebsmodus, Betriebsfrequenzbereich, Abdeckung des Luftbereichs, Betriebsdauer, Modulationsmodus, Polarisation und Anpassungsfähigkeit in der Luft, alle Arten von Antennen sollten integriert werden und fortschrittliche Technologien des aktuellen Antennendesigns sollten so weit wie möglich angewendet werden, wie z. B. Superbandbreite, konform, Miniaturisierung, gemeinsame Apertur und Rekonstruktion. Das optimale Designziel sollte in Bezug auf Index, Volumen, Gewicht und Kosten getroffen werden und alle Arten von Antennen sollten ein integriertes Design mit ihren Funktionen und Frequenzen optimiert erhalten, die freigegeben werden, um schließlich die Antennenapertur zu integrieren.

a. Integriertes Schriftdesign. Unter Berücksichtigung von Anforderungen wie Betriebsfrequenz, Abdeckung des Luftbereichs und Polarisation sollte eine Antenne mit hoher Bandbreite, hohem Wirkungsgrad und hohen Gewinnen angewendet werden, und eine Antenne oder ein Antennenarray sollte ein einheitliches Design mit vereinfachter Antennenklassifizierung erhalten.

b. Integriertes Blendendesign. Wenn die Anforderungen an die Antennenleistung erfüllt sind, sollte ein gemeinsames Aperturdesign an der Antenne oder dem Antennenarray so weit wie möglich mit einem optimierten Designziel in Bezug auf Kosten, Volumen und Gewicht ausgeführt werden. Basierend auf Überlegungen zu Antennenbetriebsfrequenz, Montageposition, Raumgröße und Reichweite und dem Ergebnis der grundlegenden Diskussion wird ein gemeinsames Aperturdesign auf Antennen mit ähnlichen Montagepositionen implementiert, so dass mehrere Antennen oder Antennenarrays an derselben Apertur angeordnet sind, um den Antennenmontageraum zu reduzieren und die Effizienz der Blendennutzung zu verbessern.

c. Antennen-Sharing-Design. Wenn es um Antennen mit ähnlichen Indexanforderungen in Bezug auf Betriebsfrequenz, Polarisationstyp, Gewinn und Abdeckungsraum geht, wird das Antennen-Sharing-Design durch Schalterumschaltung, Signalkombinierer oder -splitter und Time-Sharing-Anwendung ausgeführt, um das Konto der Antennen zu minimieren .

• HF-Frontend-Integrationsdesign

Basierend auf High-Power-Bandbreiten-Gerätetechnologie, Mikrosystemtechnik, MEMS (mikroelektromechanisches System) und verteilter Technologie wird durch Verallgemeinerung, Digitalisierung und Modularisierung ein integriertes HF-Standardsystem etabliert. Darüber hinaus werden ein allgemeiner HF-Sendeempfängerkanal und eine Hardwareplattform eingerichtet, sodass der HF-Systemkanal mit allen Spektren kompatibel, rekonstruierbar, digitalisiert und mikrosystematisiert sein kann.

Gemäß den allgemeinen Entwicklungsanforderungen des luftgestützten Missionssystems und seiner strukturellen Definition enthalten die Entwurfsmethoden für die HF-Frontend-Integration neben den integrierten Entwurfsprinzipien die folgenden Aspekte:
a. HF-Kanalisierung. Die Diskretion und Hingabe jedes funktionalen Subsystems sollte gebrochen werden und alle HF-Systeme erhalten ein Kanalisierungsdesign, um zu führen, dass der HF-Transceiver-Kanal mit allen Spektren kompatibel und allgemein integriert ist.
b. Modularisierung von Ressourcen. Alle Hardware-Ressourcen sind durch Planrahmen, Backplane und standardkompatible Module ausgelegt, um eine einheitliche Stromversorgung und Wärmeableitung der Hardware-Ressourcenmodule zu erreichen.
c. Modulverallgemeinerung. Öffentliche HF-Front-End-Ressourcenmodule durchlaufen ein Generalisierungsdesign, einschließlich Stromversorgungsmodul, Empfangsmodul und Schaltmodul, und das Generalisierungsdesign wird schrittweise auf einem multifunktionalen Vorverarbeitungsmodul implementiert. Einerseits hilft das Generalisierungsdesign von Modulen, die Ressourcenklassifizierung zu reduzieren. Andererseits wird die Grundlage für Funktionssicherung und -wiederaufbau gelegt.
d. Schnittstellenstandardisierung. Im HF-Frontend wird ein Standardbus angewendet, und auf das Sensornetzwerk wird über ein einheitlich gestaltetes allgemeines Schnittstellenmodul zugegriffen. Die Standardisierung von Schnittstellen ist in der Lage, Systembustyp und -anzahl effektiv zu reduzieren, was für die Verbindung zwischen Systemen von Vorteil ist.
e. Vereinheitlichung der Ressourcenverwaltung. Das allgemeine Schnittstellenmodul am RF-Frontend empfängt und analysiert einheitlich Ressourcenverwaltungsanforderungen vom Kernprozessor und sendet sie an entsprechende Vorverarbeitungsmodule und andere Module, wobei die einheitliche Verwaltung am RF-Frontend abgeschlossen ist.

Designmethoden der Modularisierung

Der Sensorabschnitt, der zum luftgestützten Missionssystem gehört, einschließlich analoger Schaltung am HF-Frontend und digitaler Schaltung am HF-Hinterende, wendet eine offene Systemstruktur an und verwendet Standard-Hardwaremodule mit unterschiedlichen Funktionen und wenige Typen, die HF-Frontend-Modul, allgemeines Empfangsmodul, Vorverarbeitungsmodul, Signalverarbeitungsmodul, Mehrfrequenz-Emissionsmodul, Mehrfunktions-Modulatormodul, Antennenschnittstelleneinheit und Matrixschaltfeld. Diese Module können basierend auf Anforderungen an HF-Funktionen von Sensoren dynamisch kombiniert werden, um Funktionen verschiedener Sensoren zu realisieren. Sie können auf der Grundlage strenger und einheitlicher statischer Standardabmessungen konstruiert und hergestellt und auf einem Standard-Installationsrahmen installiert und verwendet werden.

Die Antennenschnittstelleneinheit vervollständigt die Funktionen von HF-Umschaltern, die für das Senden von HF-Signalen verantwortlich sind, die von Antennen an das HF-Frontend-Modul empfangen werden. Verbunden mit dem Mehrfrequenz-Emittermodul überträgt die Antennenschnittstelleneinheit HF-Signale, die bereit sind, an entsprechende Antennen ausgesendet zu werden. Die Antennenschnittstelleneinheit ist in der Lage, Konflikte zu lösen, die möglicherweise auftreten, wenn Transceiver-Signale die Antenne teilen.

Das HF-Front-End-Empfangsmodul wandelt HF-Signale in Standard-Mittelfrequenz um, und der Mittelfrequenzschalter überträgt die vom HF-Front-End-Empfangsmodul ausgegebenen Mittelfrequenzsignale an das allgemeine Empfangsmodul, die vom Multifunktionsmodulator erzeugten Mittelfrequenz-Modulationssignale an das entsprechende Emittermodul. Mittelfrequenzschalter sind für die Lösung von Konflikten verantwortlich, die entstehen können, wenn sich Transceiver-Mittelfrequenzsignale das allgemeine Empfangsmodul und das multifunktionale Modulatormodul teilen.

Mittelfrequenzsignale werden an den Signalvorprozessor übertragen, nachdem sie vom allgemeinen Empfangsmodul einschließlich Bandpassfilterung, A/D-Wandlung und DDC (Digital Down Conversion) verarbeitet wurden. Der Signalvorprozessor führt eine angepasste Filterung an Signalen nach der Digitalisierung des allgemeinen Empfangsmoduls durch, wobei die Phasentransformation des Basisbandsignals, die Impulserfassung und die digitale Ausbreitung abgeschlossen sind. Darüber hinaus teilt es auch einen Teil der Verarbeitungsarbeit von Signalprozessoren und digitale Signale werden nach der Vorverarbeitung an das Signalverarbeitungsmodul übertragen. Bei der Emission sendet der Signalvorprozessor Basisbandsignale an den Multifunktionsmodulator, nachdem er digitales Spreizspektrum und Impulsformung implementiert hat.

Das Signalverarbeitungsmodul ist für die Signalverarbeitung aller Sensorfunktionen zuständig, einschließlich Demodulation, selbstadaptiver Kanalabgleich, Fehlerkorrektur-Codierung und -Decodierung sowie Verschlüsselung und Entschlüsselung.

Designmethoden der Kanalisierung

Da mehrere Kanäle am integrierten HF-Frontend zusammenarbeiten oder unabhängig voneinander arbeiten und eine bestimmte Signalwellenform verarbeitet wird, können alle Hardwaremodulressourcen innerhalb eines digitalen Konvertierungsnetzwerks kombiniert werden, um einen Hardware-Thread zu erstellen, der die Signalwellenformverarbeitung unterstützt. Das integrierte HF-Frontend ist in der Lage, mehrere Hardware-Threads zu unterstützen, die einheitlich oder unabhängig in Übereinstimmung mit der Antennenabtaststrategie oder dem Signalverarbeitungsverfahren arbeiten können. Als Ergebnis ist das HF-Front-End des Systems in der Lage, mehrere Signale mit mehreren Funktionen zu verarbeiten, die basierend auf der Verarbeitungsanforderung der Systeminformationen erreicht werden. Redundante Kanäle sind immer noch in Kanälen von HF, Tuning und Mittelfrequenz verfügbar, so dass alle Kanäle als Backups miteinander aufrechterhalten werden, um die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen. Wenn mit einigen Signalkanälen etwas nicht stimmt, die die parallele Verarbeitung mehrerer Signale nicht vollständig unterstützen, können je nach Systemarbeitsmodus und Signalverarbeitungspriorität verschiedene parallele oder Time-Sharing-Verarbeitungsthreads gebildet werden.

Wie in Abbildung 1 angedeutet, sind im HF-Frontend zahlreiche parallele Kanäle mit mehreren Signalen verfügbar, die durch die Systemsteuerung umgeschaltet werden oder parallel arbeiten können. Durch die Abstimmung des Empfangskanals werden alle Arten von relativ reinen Signalen extrahiert, die dann durch Frequenzumwandlung in die Mittelfrequenz fallen. Alle Signale können mit Frequency-Sharing- oder Time-Sharing-Verfahren sinnvoll in einige öffentliche Mittelfrequenzkanäle aufgeteilt werden und werden nach Auswahl und Kombination durch ein Switch-Array in einem digitalen Multifunktionsempfänger verarbeitet. Das System wendet einen integrierten Frequenzintegrator mit Eigenschaften wie Breitband, Mehrpunktfrequenz, schnelle Agilität und Kombinationsausgabe an.

Designmethoden der Mikrosystemisierung

Microsystems integriert Komponenten wie Sensoren, Leseschaltkreise, digitale Signalprozessoren, AD/DA, Transceiver-Komponenten und Netzteile im Mikrometerbereich, so dass Volumen und Stromverbrauch von System und Konfiguration drastisch reduziert werden können. Die Konfiguration des Mikrosystems, des Geräts und der Komponenten des HF-Transceiverkanals mit Anwendung der 3S-Technologie (Sop, Sip, Soc) führt zur Schlüsselentwicklung eines breiten Frequenzbands.

Führende Technologien

• Integrierte Designtechnologien des Systems

Die integrierte Designtechnologie des Systems spielt eine potenzielle Rolle bei der Erreichung der Missionssystemintegration, der optimalen Nutzung aller Arten der Effizienz elektronischer Geräte und der Gewährleistung integrierter militärischer Fähigkeiten. Ausgehend von der Perspektive der Systeme muss die Integration hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Konstruktion, Funktionen und Verbindungsmethode implementiert werden, damit das Integrationsdesign des Missionssystems optimiert werden kann. In Übereinstimmung mit militärischen Missionen und Missionsanforderungen ist das Missionssystem-Integrationsdesign für die Definition, Analyse, Gestaltung, Prüfung und Bewertung des gesamten Systems verantwortlich, um das Missionssystem so zu steuern, dass es mit den Missionsanforderungen in Bezug auf Funktionen, Leistung, Zuverlässigkeit, Wartung, Unterhaltbarkeit und Lebenszykluskosten. Systemdesigner sollten sich an der Planung und Forschung in Übereinstimmung mit branchenkonformen, langjährigen und grundlegenden Projekten beteiligen.

• Konstruktionstechnologie für offene Systeme

Der Aufbau offener Systeme ist vorteilhaft für die Bildung verteilter Systeme und bietet Bequemlichkeit für die Verbindung und Zusammenarbeit zwischen Hardware von verschiedenen Herstellern, Computern mit unterschiedlichen Typennummern oder anderen. 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