软件定义无线电在军事方面的应用 2020-05-14 08:29

  无论是对于战场上的士兵,还是命令控制中心的决策者,安全实时准确的信息对于任何军事行动、促进策略和战术决策都是至关重要的。

  先进的无线通信技术网络由许多复杂的射频(RF)和信号处理技术交织而成,所有这些技术密切协作,形成可靠的通信网络,用户只需轻触按钮就能传输信息。

  在军用通信历史中,涌现了大量不同且不兼容的无线电,在这些领域,工作小组可能需要不同的装置,以用于机载链路、卫星通信、中继基站、紧急发射器以及特定应用目的(如无人机操作)。其中每一个无线电链路都起着生死攸关的作用,漏掉其中一个会使工作小组处于不利境地。然而,无线电在尺寸、重量和备用电池等方面都需要考虑成本。随着各种新要求和新链路的加入,问题变得更加复杂。

  需要一款通用型全双工无线电模块,可以用于所有平台,并能在现场进行动态重配置。这将减少负担,带来灵活性和通用性,提高效率,用一组电池可以工作更长时间,从而形成巨大的尺寸、重量和功耗(SWaP)优势。

  然而,把这种通用无线电概念变成现实却比预期要困难得多,而且提供合适的模拟前端(AFE) 也非常困难。直到最近,面向这类多功能无线电的实用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。这种方法在最终印刷电路板占用空间、重量、功耗方面的代价非常高。

  软件定义无线电(SDR)可以适应各种物理层格式和协议,并可通过处理器上运行的软件加密数据并进行模数转换,对于军事要求堪称完美。用户可以动态控制频率、调制、带宽、加密功能和波形要求。

  SDR还可以将新波形和功能灵活整合到系统中,无需升级或替换硬件组件。士兵可以使用这些SDR进行数据访问并与命令中心进行通信,另外还可使用这些SDR创建广域传感器/网格网络以实现位置检测和战斗士兵之间的通信。

  SDR中最重要的组件是收发器,它需要具有可通过软件快速调整的极宽RF范围。另外还需要支持频分复用(FDD)和时分复用(TDD),同时需具有高水平范围和可靠性,即使在噪声条件下亦是如此。与此同时,此设备应该可以在较低功率下运行,使士兵电池组消耗最小。

  一种高度集成的混合信号RF IC使宽带SDR设计更小、更轻、耗电更少。但是真正的挑战是SDR中AFE的超高带宽特性;将需要很多频谱特定前端,每个前端对于设计和评估都是一种挑战。此外,最终产品将不符合SwaP方面的要求。

  具有支持双独立收发器通道的新一代宽带可编程前端收发器,包括ADI公司的AD9361 RF捷变收发器。这些器件可应对SDR的挑战。

  系统处理器可以动态重新配置关键参数(如带宽和RF频率),以适应应用需求,从而带来最佳结果。此外,它可以处理快速增长的多输入、多输出(MIMO)频段以及不需要MIMO的那些应用。

  这款10 x 10mm的芯片级器件具有200kHz至56MHz的用户可调带宽范围,以及构建70MHz到6GHz信号链所需的其他特性和性能。利用这款2 × 2直接变频组件,可以将整个模拟前端简化成一个相对简单的电路。它通过一个LVDS或CMOS端口与主机处理器连接,以提升速度、简化操作。该设备集成了12位ADC和DAC、小数N分频频率合成器、数字和模拟滤波器、自动增益控制(AGC)、发射功率监控、正交校正和其他关键功能。

  接收器噪声系数也小于2.5dB,发送器的误差矢量幅值(EVM)优于-40Db,且发送器噪底低于-157dBm/Hz。对于发射和接收路径,本振步长为2.5Hz,可实现精密调谐。即使所有功能均集成到器件中,一般功耗仅1W左右。

  像灵活的宽带软件定义无线电一样的复杂设计涉及大量的电路设计工作,以及算法开发工作和一些权衡,因此,AD9361有一种配套的参考设计,专门针对Xilinx FPGA应用而优化。

  该板可通过软件完全自定义,同时无需改变任何硬件,提供针对各种MIMO配置的额外选项。ADI公司还与MathWorks公司合作,将AD9361和AD9361滤波器设计向导整合到其设计和仿真工具中。Mathworks公司还将该设备列入其SimRF库中,允许在无线系统设计中仿真其性能。

  由于这款灵活的小型高性能IC取代了大量分立式电路,所以表面看起来,对此类分立式设计的需求已经不复存在。但事实不一定是这样的,因为针对软件定义无线电频率范围的特定频段、格式和带宽的收发器信号链设计,如果设计精良、经仔细调试而且布局合理,其在该特定应用中的性能有可能超过AD9631 IC,虽然其体积较大。

  无论系统工程师是愿意用ADI FMC平台,还是使用已上市的软件定义无线电平台,来开展软件定义无线电的设计和开发工作,使用AD9361而取得的整体产品封装和性能都将带来巨大的领先优势。

  这款IC已经发布并被设计到两款现有开放市场SDR产品中:即Ettus Research的通用软件无线电外设(USRP)和Epiq Solutions的Maveriq多通道可重配置射频收发器。