Diseño RF reconfigurable para sistemas de misión aerotransportados: Canalización de alto ancho de banda e integración

Con el desarrollo de la microelectrónica y la tecnología de dispositivos de ancho de banda impulsando la digitalización hacia adelante, la integración RF escalará a un nivel superior con mayor ancho de banda y reducción gradual en términos de volumen, peso y coste. Además, tendrán lugar cambios revolucionarios en la configuración de hardware del sistema y la estructura integrada, y la generalización del hardware será una tendencia inevitable. A través de la integración y miniaturización del diseño del sistema de misión aerotransportado, las antenas de todos los sistemas pueden resumirse o reconstruirse en una antena con un número bajo según la banda de frecuencia y las funciones. Además, se realiza un procesamiento integral en la antena, circuito analógico, circuito de control, circuito digital y red de conexión, de modo que se puede crear un sistema transceptor RF con amplio espectro de frecuencia, múltiples canales y auto-adaptabilidad. El propósito de la RF integrada reside en la reducción de coste, peso y volumen para que los usuarios consideren el coste aceptable con tanto la practicidad como la fiabilidad aumentando también. Basándose en experimentos, se prueba que el MTBCF (Tiempo Medio Entre Fallos Críticos) de los sistemas integrados puede aumentarse dos veces mediante medios de comunidad, módulos, compartición de recursos, testabilidad y reconstrucción para realizar los objetos discutidos anteriormente.

Análisis de diseño de RF integrada

Debido a una serie de limitaciones de bienes raíces en puerto, peso, espacio y suministro de energía, el diseño de integración se aplica por los sistemas de misión aerotransportados para integrar y compartir recursos con funciones similares. Como resultado, al asegurar las implementaciones de índices funcionales del sistema, se realizarán objetivos incluyendo peso ligero, miniaturización y bajo consumo de energía para ser compatibles con el requisito de ensamblaje de aviones.

a. Desde el punto de limitación del sistema

Las antenas en todos los sensores y sistemas transceptores representan la mayoría del sistema completo en términos de luz, bienes raíces y consumo de energía, responsables de la emisión de señal y percepción de señal. Para cumplir todas las demandas discutidas anteriormente, es necesario llevar a cabo el diseño de sistema RF integrado.

b. Desde el punto de capacidad del sistema

La retroalimentación rápida de acuerdo con las demandas militares requiere una flexibilidad funcional tan alta que nuevas funciones puedan añadirse con un bajo coste durante un tiempo corto para lograr una actualización rápida del sistema y expansión de funciones.

c. Desde el punto de mejora de configuración de equipos

Es efectivo implementar diseño integrado, recolección digital y compartición de información.

d. Desde el punto de flexibilidad de plataforma

La aplicación de diseño RF integrado lleva al portaaviones aéreo a cumplir el requisito concerniente a la adaptabilidad de ensamblaje a través de la reducción de peso y energización. Además, una serie de problemas pueden resolverse con éxito, como bloqueo, interferencia electromagnética y área de reflexión aumentando como resultado del aumento del número de antenas.

Atributos de la RF integrada

Para ser compatible con los recursos limitados en la plataforma y cumplir la demanda de operación militar, se aplica una configuración abierta en el sistema de misión aerotransportado con el módulo básico contribuyendo al sistema completo. El diseño de RF integrada combina detección de radar, detección pasiva, comunicación/cadena de datos e IFF (Identificación Amigo o Enemigo) para que se pueda generar un dispositivo electrónico integrado que presente múltiples espectros, múltiples medios y auto-adaptabilidad.

Los atributos de la RF integrada incluyen:

• Construcción RF abierta;
• Plena encarnación de digitalización, modularización, generalización y estandarización;
• Capaz de ser robusto y tolerante a fallos;
• Capacidad de desarrollo secundario;
• Alta fiabilidad, acceso a soporte, expansibilidad, peso ligero y bajo coste, etc.

Elementos en el diseño de RF integrada

Elementos de diseño de integración de recepción de radio

La integración de recepción de radio se refiere al proceso en que diferentes sistemas de misión comparten comúnmente un canal de entrada RF y logran su propia función de recepción de señal. Las funciones del canal de recepción demandan que las señales RF recibidas por las antenas de recepción sean amplificadas, filtradas, convertidas en frecuencia, digitalizadas y preprocesadas y sean enviadas al procesador central integrado para el procesamiento de señal y datos. Una de las señales posiblemente requiere múltiples canales de recepción que tienen que operarse juntos con demandas de rendimiento incluyendo traspaso de red compartida, amplificación de bajo ruido, ganancias de canal, AGC, rango dinámico, ancho de banda de canal y balance de canal.

Los siguientes elementos deben tenerse en cuenta concerniente a la integración de recepción de radio:

• Frecuencia de operación;
• Ancho de banda transitorio del canal de recepción;
• Dinámica transitoria de las señales de recepción;
• Sensibilidad de las señales de recepción;
• Ancho de banda de salida mayor que el ancho de banda total cuando todas las misiones mantienen el mismo canal.

Elementos de diseño de integración de emisión RF

La integración de emisión RF impulsa a diferentes sistemas de misión a compartir comúnmente el canal de salida RF para completar sus propias funciones de emisión de señal. Los canales de emisión proporcionan la forma de onda de señal correspondiente, modulación, conversión de frecuencia, amplificación de impulso y salida de potencia que se enviarán a las antenas. Su rendimiento principal reside en la forma de onda de señal, estabilidad de señal, ganancias de canal, rango dinámico, potencia de salida y pureza espectral de salida.

Los siguientes elementos deben tenerse en cuenta concerniente a la integración de emisión RF:

• Frecuencia de operación;
• Ancho de banda transitorio del canal de emisión;
• SFDR (Rango Dinámico Libre de Espurios) de las señales emitidas;
• Frecuencia de las señales emitidas;
• Forma de onda de la señal de salida.

Los elementos mencionados anteriormente deben asegurarse por la emisión RF integrada. Diferente de la integración de recepción de radio que es capaz de recibir señales al mismo tiempo, algunos problemas siguen disponibles en la emisión simultánea, lo que ocurre especialmente en la forma de onda de ancho de banda. El problema clave reside en el hecho de que la emisión común multi-fuente deja altas demandas en la linealidad del amplificador de potencia.

Métodos de diseño de RF integrada

Método de diseño de integración de apertura de antena

La antena integrada o array de antena es un componente físico clave que contribuye al sistema de misión aerotransportado e implementa la conversión entre energía RF eléctrica espacial y energía RF eléctrica de alta frecuencia por subsistemas. De acuerdo con el requisito en términos de dominio aéreo, dominio de frecuencia, dominio de tiempo y dominio de modulación, junto con sus propiedades en funciones, modo de operación, rango de frecuencia de operación, cobertura de dominio aéreo, período de operación, modo de modulación, polarización y adaptabilidad aerotransportada, todo tipo de antenas deben integrarse y las tecnologías avanzadas del diseño de antena actual deben aplicarse tanto como sea posible, como super ancho de banda, conformal, miniaturización, apertura común y reconstrucción. El objetivo de diseño óptimo debe alcanzarse alrededor del índice, volumen, peso y coste y todo tipo de antenas deben recibir diseño integrado con sus funciones y frecuencias optimizadas liberadas para finalmente integrar la apertura de antena.

a. Diseño de tipo integrado

Con requisitos como frecuencia de operación, cobertura de dominio aéreo y polarización considerados, se debe aplicar antena con alto ancho de banda, alta eficiencia y altas ganancias, y la antena o array de antena debe recibir diseño uniforme con la clasificación de antena simplificada.

b. Diseño de apertura integrada

Con la demanda en el rendimiento de la antena cumplida, el diseño de apertura común debe llevarse a cabo en la antena o array de antena tanto como sea posible con un objetivo de diseño optimizado en coste, volumen y peso. Basándose en consideraciones sobre la frecuencia de operación de la antena, posición de ensamblaje, tamaño del espacio, cobertura y resultado de discusión fundamental, el diseño de apertura común se implementa en antenas con posiciones de ensamblaje similares para que múltiples antenas o array de antena se dispongan en la misma apertura, reduciendo el espacio de ensamblaje de antena y mejorando la eficiencia de uso de la apertura.

c. Diseño de compartición de antena

Cuando se trata de antenas con requisitos de índice similares en términos de frecuencia de operación, tipo de polarización, ganancias y espacio de cobertura, el diseño de compartición de antena se lleva a cabo a través de cambio de interruptor, combinador o divisor de señal y aplicación de tiempo compartido para minimizar el número de antenas.

Diseño de integración de front-end RF

Basándose en la tecnología de dispositivos de alto ancho de banda y potencia, Tecnología de Microsistemas, MEMS (sistema microelectromecánico) y tecnología distribuida, se establece un sistema estándar de RF integrada a través de diseño de generalización, digitalización y modularización. Además, se establece un canal transceptor RF general y una plataforma de hardware para que el canal del sistema RF pueda ser compatible con todo el espectro, reconstruible, digitalizado y microsistematizado.

De acuerdo con el requisito general de desarrollo del sistema de misión aerotransportado y su definición estructural, junto con los principios de diseño integrado, los métodos de diseño de integración de front-end RF contienen los siguientes aspectos:

• Canalización RF: La discreción y dedicación de cada subsistema funcional deben romperse y todos los sistemas RF reciben diseño de canalización para llevar el canal transceptor RF a ser compatible con todo el espectro e integrado generalmente.
• Modularización de recursos: Todos los recursos de hardware se diseñan a través de marco plano, backplane y módulos compatibles con estándar para lograr ensamblaje uniforme de suministro de energía y disipación térmica de módulos de recursos de hardware.
• Generalización de módulos: Los módulos de recursos públicos de front-end RF pasan por diseño de generalización, incluyendo módulo de suministro de energía, módulo de recepción, módulo de interruptor y la generalización se implementa gradualmente en el módulo de preprocesamiento multi-función. Por un lado, el diseño de generalización de módulos ayuda a reducir la clasificación de recursos. Por otro lado, se establece la base para respaldo de función y reconstrucción.
• Estandarización de interfaces: Se aplica bus estándar en el front-end RF y la red de sensores se accede a través de un módulo de interfaz general diseñado uniformemente. La estandarización de interfaces es capaz de reducir efectivamente el tipo y número de bus del sistema, beneficioso para la interconexión entre sistemas.
• Unificación de gestión de recursos: El módulo de interfaz general en el front-end RF recibe y analiza uniformemente las demandas de administración de recursos del procesador central y las envía a los módulos de preprocesamiento correspondientes y otros módulos, completándose la administración uniforme en el front-end RF.

Métodos de diseño de modularización

La sección de sensores perteneciente al sistema de misión aerotransportado, incluyendo el circuito analógico en el front-end RF y el circuito digital en el rear-end RF, aplica una estructura de sistema abierto y usa módulos de hardware estándar con diferentes funciones y pocos tipos que contienen módulo de front-end RF, módulo de recepción general, módulo de preprocesamiento, módulo de procesamiento de señal, módulo de emisión multi-frecuencia, módulo de modulador multi-función, unidad de interfaz de antena y array de matriz de interruptores. Esos módulos pueden combinarse dinámicamente basándose en las demandas de funciones RF de sensores para realizar funciones de diferentes sensores. Pueden diseñarse y fabricarse basándose en unas dimensiones de estándar estructural estricto y uniforme y ser instalados y usados en un marco de instalación estándar.

La unidad de interfaz de antena completa las funciones de interruptores de cambio RF, responsable de enviar las señales RF recibidas por las antenas al módulo de front-end RF. Conectada con el módulo de emisor multi-frecuencia, la unidad de interfaz de antena transmite las señales RF que están listas para ser emitidas a las antenas correspondientes. La unidad de interfaz de antena es capaz de resolver los conflictos que posiblemente tengan lugar cuando las señales transceptoras comparten la antena.

El módulo de recepción de front-end RF convierte las señales RF en frecuencia media estándar y el interruptor de frecuencia media transmite las señales de frecuencia media emitidas por el módulo de recepción de front-end RF al módulo de recepción general, las señales de modulación de frecuencia media generadas por el modulador multi-funcional al módulo emisor correspondiente. Los interruptores de frecuencia media son responsables de resolver los conflictos que pueden crearse cuando las señales transceptoras de frecuencia media comparten el módulo de recepción general y el módulo de modulador multi-funcional.

Las señales de frecuencia media se transmiten al preprocesador de señal después de ser procesadas por el módulo de recepción general, incluyendo filtrado pasa-banda, conversión A/D y DDC (Conversión Digital a Bajada). El preprocesador de señal realiza filtrado adaptado en las señales después de la digitalización del módulo de recepción general, con transformación de fase de señal de banda base, captura de pulso y desenmascarado digital completados. Además, también comparte parte del trabajo de procesamiento de los procesadores de señal y las señales digitales después del preprocesamiento se transmiten al módulo de procesamiento de señal. En el proceso de emisión, el preprocesador de señal envía las señales de banda base al modulador multi-funcional después de implementar espectro ensanchado digital y conformado de pulso.

El módulo de procesamiento de señal está a cargo del procesamiento de señal de todas las funciones de los sensores, incluyendo demodulación, balance auto-adaptativo de canal, codificación y decodificación de corrección de errores y cifrado y descifrado.

Métodos de diseño de canalización

Como múltiples canales están trabajando juntos o independientemente en el front-end RF integrado y una cierta forma de onda de señal está siendo procesada, todos los recursos de módulos de hardware pueden combinarse juntos dentro de la red de conversión digital para crear un hilo de hardware que soporte el procesamiento de forma de onda de señal. El front-end RF integrado es capaz de soportar múltiples hilos de hardware que pueden trabajar uniformemente o independientemente en conformidad con la estrategia de escaneo de antena o el procedimiento de procesamiento de señal. Como resultado, el front-end RF del sistema es capaz de procesar múltiples señales con múltiples funciones logradas basándose en la demanda de procesamiento de información del sistema. Canales redundantes siguen disponibles en los canales de RF, sintonización y frecuencia media para que todos los canales se mantengan como respaldos entre sí, aumentando la fiabilidad del sistema. Si hay algo mal con algunos canales de señal que no logran soportar completamente el procesamiento paralelo de múltiples señales, diferentes hilos de procesamiento paralelo o de tiempo compartido pueden formarse de acuerdo con el modo de trabajo del sistema y la prioridad de procesamiento de señal.

Como se indica en la Figura 1, numerosos canales paralelos de múltiples señales están disponibles en el front-end RF, que pueden conmutarse o trabajar en paralelo a través del control del sistema. El canal de recepción de sintonización extrae todo tipo de señales relativamente puras que luego caen en frecuencia media a través de conversión de frecuencia. Todas las señales pueden dividirse razonablemente en algunos canales públicos de frecuencia media con métodos de compartición de frecuencia o tiempo compartido y son procesadas en el receptor digital multi-funcional después de selección y combinación por array de interruptores. El sistema aplica un integrador de frecuencia integrado con propiedades de banda ancha, multi-punto de frecuencia, agilidad rápida y salida de combinación.

Métodos de diseño de microsistematización

Los microsistemas integran componentes como sensores, circuitos de lectura, procesador de señal digital, AD/DA, componentes transceptores y fuentes de alimentación dentro del rango de micrómetros, de modo que el volumen y el consumo de energía pueden reducirse drásticamente del sistema y la configuración. La configuración del canal transceptor RF microsistema, dispositivo y componentes con la aplicación de tecnología 3S (Sop, Sip, Soc) conduce al desarrollo clave de banda ancha.

Tecnologías líderes

Tecnologías de diseño integrado de sistemas

La tecnología de diseño integrado de sistemas juega un papel potencial en el logro de la integración del sistema de misión, haciendo el mejor uso de todo tipo de eficiencia de dispositivos electrónicos y asegurando las capacidades militares integradas. Centrándose en la perspectiva de los sistemas, la integración debe implementarse en su composición, construcción, funciones y método de interconexión para que el diseño de integración del sistema de misión pueda optimizarse. Conformándose a las misiones militares y requisitos de misión, el diseño de integración del sistema de misión es responsable de definir, analizar, diseñar, probar y evaluar el sistema completo para impulsar el sistema de misión a ser compatible con la demanda de la misión en términos de funciones, rendimiento, fiabilidad, mantenimiento, soporte y coste de ciclo de vida. Los diseñadores de sistemas deben participar en la planificación e investigación de acuerdo con proyectos fundamentales, duraderos y conformes a la industria.

Tecnología de diseño de construcción de sistema abierto

La construcción de sistema abierto es beneficiosa para la formación de sistemas distribuidos, proporciona conveniencia para la interconexión e interoperación entre hardware de diferentes fabricantes, computadoras con diversos números de tipo u otros. Es conveniente para el trasplante y mejora de hardware y software y la expansión de funciones del sistema. También ayuda a reducir el período de investigación y desarrollo, ya que soporta la escala volátil del sistema.

La clave para la implementación de la construcción de sistema abierto reside en todo tipo de fabricación de interfaz estándar y conformabilidad, de modo que el mismo estándar y regulaciones puedan ser seguidos por diferentes unidades de desarrollo y fabricación de productos. Aparte del hardware, el software también está involucrado en la construcción de sistema abierto, todavía jugando un papel significativo en el software de sistema abierto, reutilizabilidad y escala volátil. Además, se considera como una medida importante para reducir el coste de ciclo de vida del sistema y el período de desarrollo. Una nueva versión del software del sistema de misión integrada debe conformarse a estándares y regulaciones uniformes y algunas propiedades del software, incluyendo reutilizabilidad, estandarización, intelectualización, trasplante y fiabilidad, deben incluirse entre los parámetros característicos de la tecnología de software representacional.

Tecnología de diseño de integridad de apertura de antena

Como parte esencial del sistema de misión aerotransportado, la antena o array de antena está a cargo de emitir y recibir numerosas señales de radio. Debido a un gran número de composiciones del sistema, las demandas aumentan hacia los tipos y cantidad de antenas y diferentes demandas están disponibles en términos de rango de frecuencia de operación, modo de polarización, ganancias y cobertura de espacio aéreo. Además, debido a la limitación del espacio de la plataforma aerotransportada y las posiciones de instalación de la antena, el diseño de antena del sistema se vuelve áspero, dejando una demanda estricta para la reducción del número de antenas.

Para reducir la dificultad del diseño de antena del sistema, el diseño de integridad de antena o array de antena debe llevarse a cabo después de que se cumplan las demandas en la antena compatible con las funciones. Todas las antenas deben integrarse y compartirse para hacerlas front-end de sensores compartidos, de modo que la apertura de antena pueda aplicarse de forma integrada. Además, para asegurar la EMC (Compatibilidad Electromagnética) entre funciones mientras el sistema está funcionando, se debe tomar un diseño optimizado en el diseño de antena en el sistema para minimizar el efecto en el rendimiento de la antena y el efecto mutuo entre antenas.

Tecnología CIP

CIP con una integración de alto nivel en el sistema combina múltiples tecnologías avanzadas y muchas funciones de computación, procesamiento, control y administración se completan dentro de él. CIP es responsable del procesamiento integrado, fusión de datos, computación de misión, generación de información de video, computación de navegación, gestión de almacenamiento, respaldo electrónico y gestión de defensa, gestión de comunicaciones, control del sistema y monitorización de fallos, inspección y reconstrucción de datos de entrada de sensores. Muchas características significativas de una nueva versión del sistema de misión están involucradas en CIP, que técnicamente hace el mejor uso de las propiedades del módulo común, sistema de procesamiento paralelo y sistema operativo distribuido en tiempo real, procesa recursos con núcleo compartido y mejora el rendimiento y la fiabilidad para cumplir las demandas de la capacidad de procesamiento aerotransportado y el rápido desarrollo de la capacidad de computación.

Tecnología de digitalización de canal RF configurable de banda ancha

El sistema de misión aerotransportado cubre un amplio rango de frecuencia, numerosos tipos de métodos de modulación de señal y formatos de señal y niveles de señal con amplias diferencias. Los dispositivos en el sistema de comunicación tradicional de densidad de hardware presentan una relación de interconexión complicada, alto coste, un alto nivel de dificultad de transferencia de actualización y difícil interconexión entre sistemas. Por tanto, es necesario depender de la radio por software y la tecnología de muestreo RF, para impulsar la digitalización hacia adelante y reducir el canal de procesamiento de front-end RF y aumentar la reutilización de funciones del procesamiento de señal digital en el rear-end, para resolver algunos problemas de integración concernientes a múltiples funciones, amplio rango de frecuencia y múltiples métodos de modulación del sistema. Además, la aplicación de hardware y software modular trae conveniencia al diseño del sistema y la introducción de nuevas tecnologías para que el rendimiento mejore, y el coste y el tiempo se reduzcan.

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