多功能一體化平臺實現及其關鍵技術研究

李圣衍,吳久濤,江 濤,周 谷

(南京電子技術研究所,江蘇 南京 210039)

0 引 言

隨著微電子技術和寬帶射頻技術的發展,武器裝備的多功能一體化已經成為一種趨勢。新型艦艇為了解決隱身、電磁兼容等問題,艦載電子設備逐漸向綜合一體化桅桿方向發展,一體化桅桿已經成為新型艦艇的標志之一;機載電子設備為了解決尺寸、重量和功耗(SWAP)問題,也逐漸向綜合孔徑、集成化處理平臺方向發展[1],基于單一平臺的多功能一體化的應用研究已經受到越來越多的重視。

從目前國內外的研究路徑來看,多功能一體化主要分為3個層次[2]:第一層次為多平臺功能一體化,通過網絡和軟件將物理形態獨立的設備連接起來,實現多功能一體化;第二層次為單平臺分時多功能一體化,硬件高度集成統一,通過軟件配置實現分時多功能;第三層次是單平臺同時多功能一體化,硬件高度集成統一,采用信號一體、處理一體實現同時多功能。本文主要結合寬帶數字陣的技術發展,討論在高度集成化、通用化的硬件平臺上分時實現電子偵察、電子干擾和雷達等多功能一體以及工程實現中的關鍵技術。

1 不同功能實現架構比較

根據對現有裝備架構的分析,目前基于相控陣的高增益電子偵察(HGESM)/高功率電子干擾(HPECM)架構和相控陣雷達架構差別不大,但和寬帶電子偵察(ESM)架構差別較大,各功能實現所需單元性能比較見表1[3-4]。

表1 各功能實現所需單元性能比較

2 基于全數字陣的一體化架構實現

隨著高集成度微電子技術和寬帶數字陣的進步,上述功能可以集成到統一的硬件架構中,通過對陣面、后端資源的靈活調度,分時實現多功能一體化。該架構硬件主要分為兩大部分:其一為全數字陣面,陣面采用單元級有源子陣進行集成,采用標準化、通用化設計,陣面內數據流、控制流、信號流均采用光信號傳輸,對外輸出可以是單元級輸出數據,也可以是波束輸出數據(信道化及波束合成集成到陣面里);其二為處理后端,一般集成到控制方艙中,處理后端采用通用異構處理平臺,平臺間采用光網絡互聯,模塊間采用VPX總線互聯,對外支持萬兆網通訊。系統架構見圖1[4-5]。

圖1 基于全數字陣的一體化實現通用架構

利用該架構實現雷達功能時,在顯控和控制模塊統一控制下,每個數字TR (DTR)產生數字移相的雷達信號,在空間指定方向合成發射波束將信號輻射出去;接收期間,每個DTR對空間信號進行采集,AD數據統一送數字波束形成(DBF)模塊,進行波束合成,然后送后端進行檢測等處理。

實現偵察功能時,系統在顯控和控制模塊統一控制下,每個DTR對空間信號進行采集,數據統一送DBF模塊,進行波束合成,然后送后端進行參測、分選等處理;也可以根據干涉儀測角解模糊的要求,選擇相關單元進行多基線干涉儀測角,完成對相關通道的鑒相、參測、分選等處理。

實現干擾功能時,系統在顯控和控制模塊統一控制下,每個DTR對空間信號進行采集,數據統一送DBF模塊,進行波束合成,然后送后端進行參測、分選、威脅度判別等處理,對威脅度高的目標啟動干擾;干擾時,首先在DBF模塊中形成干擾引導波束,對被干擾信號進行高精度截獲,然后送調制模塊,完成頻率濾波、信號跟蹤、時延/多普勒調制等處理,調制后的信號送各個DTR,DTR經過相位移相后,在空間合成干擾波束進行輻射,完成對特定目標的干擾。

該架構內主要分機如下:

(1) 全數字陣面

全數字陣面主要由輻射陣列、饋線、DTR、綜合網絡、陣面電源等組成。輻射陣列主要用于空間信號的收集以及激勵信號對空輻射,采用雙極化天線單元,DTR根據需要選擇不同的極化。綜合網絡包括組件供電電源信號的分配網絡、基準時鐘的分配網絡、水冷管路的分配網絡以及上下的光信號傳輸和分配網絡。DTR是一個高集成度的混合電路集成模塊,主要由TR通道和數字部分組成,包含射頻前端、變頻鏈路、本振產生、功放、電源等模擬電路以及AD/DA、現場可編程門陣列(FPGA)器件、接口等數字電路等[6]。全數字陣的主要性能見表2。

表2 典型全數字陣性能

(2) 數字信道化及波束形成

數字信道化及波束形成模塊主要由FPGA邏輯和運算器件構成,用于對全陣各通道數字信號的接收、數字信道化處理和波束合成運算,形成所需的接收波束。探測處理時,需要對數據進行抽取,形成窄帶波束;高增益偵察時,需要進行多相濾波信道化處理,進行頻域分割,形成若干個窄帶波束;進行干涉測向偵察時,可以將信道化后的數據直通,送后端處理,其中通道數量、波束數量以及處理帶寬對DBF模塊的需求影響很大;實際設計時,需要按照最大的資源需求進行考慮。

(3) 信息處理

信息處理采用FPGA+CPU的異構處理平臺。參數測量、副瓣對消等功能實時性要求高,采用以FPGA為主的無源模塊流水方式處理;偵察分選、雷達信號處理、任務調度實時性要求不高,采用以CPU為主的模塊進行異步處理,目前較多采用計算刀片模塊。異構處理平臺采用中間件管理,軟硬件解耦,分層總線架構,模塊間根據需要可以采用VPX總線、RapidIO接口或光網絡互聯,對外采用專用光纖或光網絡連接。實際設計時,需要考慮不同功能接口的復用以及接口的配置,涉及到FPGA功能動態配置見下一節。

(4) 調制處理

調制處理模塊主要由PFGA等器件構成的模塊組成,主要用于對被干擾目標信號的接收,無關信號的頻率濾波、重頻濾波等處理,提純需要干擾的信號,對需要干擾的信號進行延時、頻率/幅度調制等處理,形成所需的干擾信號。

其他還包括系統控制、顯控等分機,這些和常規的雷達功能分機基本類似。

3 關鍵技術分析

該架構目前在工程上逐漸成熟,已有相應功能的樣機出現,實現過程中不少關鍵技術(包括寬帶寬角陣面、高集成度組件、高速數據采集等)目前已經具有較成熟的基礎,但在多功能動態重構等方面尚存在不少難點。

3.1 FPGA動態可重構技術[7-8]

功能重構是實現分時多功能的關鍵環節。其中后端處理軟件一般運行在CPU等計算模塊上,可以多個CPU并行處理,資源較充裕,所以處理軟件可以按照不同的功能劃分成不同的子模塊集成到統一的主控軟件中。實際工作時,系統運行全功能的處理軟件模塊,在人機交互的情況下選擇不同的工作方式實現不同功能。但對于DBF、信道化/參測、調制處理模塊等實時處理模塊均以FPGA邏輯器件為主,其功能的切換比較復雜,通常情況下使用FPGA 設計實現特定的功能,流程如圖2所示。經過設計、綜合、布局布線生成比特流文件,然后下載到FPGA芯片中執行。當需要實現不同功能時,重新進行上述流程并將生成的比特流文件下載即可。這個過程可以認為是對FPGA 進行的靜態可重構配置,耗時較長,且需要中斷系統運行,無法滿足分時多功能實現的需求。

圖2 FPGA靜態重構流程

所以需要研究動態可重構計算系統,要求重構時間短、不掉電,外圍電路簡單。目前動態可重構方法包括基于差異的設計方法、基于模塊的可重構設計方法和早期獲取部分可重構(EAPR)方法,這些方法均是針對某些類型的FPGA而設計的,配置電路各不相同,具有較大局限性。隨著FPGA規模越來越大,可利用資源越來越多,工程設計人員可以牽引廠家利用現有FPGA資源開發可重構計算設計平臺,實現動態重構接口和方法的統一;另外需要開發面向應用者透明化、可重構配置代碼編譯環境,將編譯環境和具體的芯片類型解耦,從根本上實現FPGA的快速重構功能。

3.2 合成式相參干擾技術

該架構一個顯著的特點是將數字射頻存儲器(DRFM)功能分解到DTR中,轉發式干擾時,需要將各通道偵收的數據合成干擾引導數據,然后經過干擾調制后,再通過多通道合成來實現干擾信號發射,所以合成式相參干擾本質上是收發DBF形成問題,原理如圖3所示。

圖3 合成式相參干擾示意

假設被干擾目標方向為θB,考慮復加權系數,則干擾引導波束數據為:

(1)

式中:Wir=(ai-air)ej(-(i-1)φB-φir)為復加權系數,包含幅度權、相位權和補償權;air為接收通道的幅度補償值;φir為接收通道的相位補償值,可以通過陣面監測獲得,如下:

(2)

式中:Xi(k)為陣列通道數據;Xc(k)為參考通道數據。

進行干擾調制后,則有:

(3)

式中:τ為假目標的距離延時;fd為假目標的多普勒頻偏;Tpw為信號脈寬。

假目標完成干擾調制后,需要通過發射通道合成輻射出去,發射通道同樣存在幅相誤差需要補償,假設發射通道幅相誤差分別為Δait和Δφit,則有:

Δait)ej(-(i-1)ΔφB-Δφir-Δφit+2πf0τ+2πfd(mΔT))

(4)

式中:Wit=aite-jφit為發射通道補償權,同樣可以通過發射通道監測獲得。

根據上面的分析,多通道采樣及通道間數據同步、通道間幅相一致性均會影響干擾波束質量[9],同樣需要在發射支路增加監測網絡,實時獲取發射支路的補償數據。寬帶工作時,頻帶內的幅相起伏也會影響波束質量,采用均衡處理尤為重要,寬帶數字均衡的原理見圖4。

圖4 寬帶均衡原理示意

經過數字均衡后,通道內幅相起伏具有明顯的改善,仿真見圖5。

圖5 寬帶均衡前后幅相起伏

另外,偵收通道和干擾引導通道合二為一,接收盡可能采用線性放大鏈路,減少信號交、互調帶來的虛假信號,對偵察分選有好處;但對于利用檢波信號的轉發式干擾,存在檢測電平不夠問題。針對該情況,需要增加樣本數據的信號調理功能,提升檢測信噪比,實現起來和常規DRFM存在很大的不同,需要進行攻關和驗證。

3.3 分布式頻率源技術

該架構中,各組件接收統一的時鐘基準,獨自產生所需本振,不同組件本振間的差異性主要表現為本振的頻率一致性和幅度一致性,其中幅度一致性可以通過增加幅度均衡來實現,確保各本振輸出功率相差不大。而頻率一致性體現為不同本振的頻率精度和頻率短期穩定度,其中頻率短穩對本振的相參性影響較大。頻率短穩主要源于本振的鏈路特性和外部環境所引起的各種隨機噪聲,目前使用最廣泛的頻率源噪聲模型是冪率譜噪聲模型。該模型是用5種相互獨立的隨機噪聲來描述振蕩器的頻率波動過程,并通過輸出頻率的功率譜密度函數在對數域的斜率來區分各種不同的噪聲類型,功率譜密度函數可以表示為[10]:

(5)

式中:hα為常數,α=-2、-1、0、1、2分別對應隨機游走噪聲、頻率閃爍噪聲、頻率白噪聲、相位閃爍噪聲、相位白噪聲5種不同的噪聲類型。

由于頻率穩定度關注時間軸x(t)上噪聲的變化,x(t)的功率譜密度函數表示為:

h-1f-3+h0f-2+h1f-1+h2)

(6)

Sx(f)在對數域的表示如圖6所示。

圖6 對數域x(t)的功率譜密度函數

其中相位白噪聲對頻率短穩影響最大,根據相關文獻的分析,本振頻率處理過程是相位噪聲的主要來源,含有振蕩器的部件,如上下變頻器、調制器等都會帶來相位噪聲,另外電源紋波大、電路失配也會造成相噪惡化[11]。為了實現本振之間的相參性,可以采取的措施包括:組件的本振鏈路盡可能采用低相位噪聲的器件;供電電源采用線性電源、降低電源紋波等。為了提升各本振間的相參性,各本振電路還可以增加本振鎖相回路,將本振輸出信號鎖相到時鐘基準。上述措施在地面的頻率源設備中是可以實現的,但在集成度很高的組件內解決起來難度較大,需要開展技術攻關和驗證。

3.4 多功能光傳輸技術

本架構的另一個特點是陣面和后端采用光傳輸鏈路互聯,光傳輸的信號類型包括上下行數據、控制定時信號以及時鐘信號。信號傳輸類型不同,對光纖的要求也各不相同,光鏈路拓撲如圖7[12]所示。

圖7 數字陣光網絡拓撲

其中上下行數據包括中頻采樣后的I/Q數據和上行的干擾調制I/Q數據,上下行數據傳輸一般采用多模光纖。由于通道數多、AD采樣率高且量化位數多,對光纖傳輸容量、傳輸誤碼和傳輸延時特性等帶來很高的要求,所以需要增加光鏈路監測支路,自動監測下行光鏈路各節點狀態,實現下行數據實時監測。上行控制信號采用廣播式傳輸方式,將控制信號從雷達控制器傳輸至陣面各DTR。由于陣面DTR數量巨大,對輸入光功率的要求高,需要使用光功率放大器提高輸出光功率來實現分布式傳輸,所以考慮采用1 550 m單模光纖進行光信號放大傳輸?？刂贫〞r信號傳輸過程中,器件本身的噪聲和光纖傳輸的非線性效應等會造成定時信號的抖動劣化,進而對波束合成等性能造成影響[13],所以控制定時鏈路需要考慮穩相傳輸。傳遞模擬時鐘和傳遞控制信號類似,采用光功分進行廣播式傳輸,但光鏈路特性對時鐘信號的影響不一樣。光調制器、光纖及光接收器均會對時鐘信號的幅相特性產生影響,傳輸后時鐘信號的幅相會產生變化,頻率越高,幅相變化越大,其中相位變化尤為突出。特別是環境溫度的隨機起伏變化將強烈地影響光纖的折射率,導致信號時延漂移,進而產生相位波動,影響系統性能,對穩相傳輸的要求更高[14-15]。

目前國內外研究的光纖穩相傳輸技術主要有基于光載波矢量和、電域矢量和、色散理論以及射頻光子移相等。

綜上所述,多功能光纖傳輸技術涉及狀態監測、穩相傳輸、收發模塊降噪等多方面的技術,系統實現時需要統籌考慮進行技術驗證。

4 結束語

目前在較低頻段,特別是在S波段以下,高集成DTR已經研制成功,基于全數字陣的多功能一體化樣機也已經問世,并完成了相關試驗及技術驗證。預計不久的將來,在艦載平臺或機載平臺上將會出現多功能一體化形態的裝備。但目前該架構還只局限于分時多功能,尚存在難以克服的瓶頸,后續隨著一體化波形、高效線性功放、大動態射頻器件、對消技術等相關技術和器件性能的突破[16],基于全數字陣的同時多功能一體化也會逐漸實現。