軟件定義無(wú)線電應(yīng)對(duì)多頻段軍事通信挑戰(zhàn)

 能夠跨越多個(gè)安全數(shù)據(jù)鏈路獲取準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)信息是任何軍事行動(dòng)取得成功的基石。 由于指揮和控制中心現(xiàn)在需要通過(guò)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)直接與戰(zhàn)地士兵進(jìn)行通信，因此更加需要具備這種能力。 但是，只有具備與高級(jí)無(wú)線技術(shù)一樣出色的能力 - 能夠?qū)Ш綇?fù)雜的射頻(RF)網(wǎng)和信號(hào)處理技術(shù)以及在充滿挑戰(zhàn)的RF頻譜環(huán)境中呈現(xiàn)無(wú)縫、可靠和安全的通信網(wǎng)絡(luò)，從而在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間提供適當(dāng)?shù)男畔?，才能成為?zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)。

以前，軍隊(duì)一直依賴于各種不同且不兼容的無(wú)線電和波形來(lái)為戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電、機(jī)載鏈路、衛(wèi)星通信、中繼基站和緊急發(fā)射器以及新興的特定應(yīng)用功能，如需要控制并且在某些情況下需要依靠視頻監(jiān)控圖像的無(wú)人飛行器(UAV)操作等多種多樣的需求提供服務(wù)。每個(gè)無(wú)線電都會(huì)建立一條重要的通信鏈路，在混頻中漏掉其中一個(gè)就會(huì)使運(yùn)營(yíng)小組處于不利境地。 然而，每個(gè)無(wú)線電都需要考慮尺寸、重量和備用電池(在士兵系統(tǒng)中)等成本。 隨著各種新要求和新波形的加入，問(wèn)題變得更加復(fù)雜且難以掌控。

更為復(fù)雜的是，未來(lái)的運(yùn)行要求需要系統(tǒng)具有多種功能。 除了需要無(wú)線電在更廣的RF頻率中支持多種語(yǔ)音和數(shù)據(jù)波形外，未來(lái)的士兵系統(tǒng)還希望集成電子監(jiān)控和電子戰(zhàn)功能，這就進(jìn)一步增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難題。

通用全雙工無(wú)線電模塊可以解決所有這些難題。該模塊可在所有平臺(tái)中使用，并且能在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)重新配置，可通過(guò)單一電池組提供靈活性、多功能性、高效率和更長(zhǎng)的工作壽命。此外，在尺寸、重量和功率(SWaP)方面也具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

要使這種“通用”無(wú)線電概念變成現(xiàn)實(shí)卻比預(yù)期要困難得多： 提供合適的模擬前端(AFE)尤為困難。 更復(fù)雜的是，新一代“通用”無(wú)線電需要應(yīng)對(duì)由于商業(yè)無(wú)線電和蜂窩系統(tǒng)大量涌現(xiàn)而導(dǎo)致的頻譜更加擁堵所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。 這不僅會(huì)增加帶外信號(hào)濾波或?qū)е聞?dòng)態(tài)范圍需要管理潛在干擾信號(hào)，而且還需要系統(tǒng)為尚不存在擁堵問(wèn)題的其他頻帶中運(yùn)行做準(zhǔn)備。

直到最近，面向這類(lèi)多功能無(wú)線電的模擬前端還需要一個(gè)重疊并行通道陣列，每個(gè)通道旨在覆蓋射頻頻譜的一個(gè)特定頻段，其帶寬與目標(biāo)信號(hào)格式相匹配，并且可能具有可滿足帶外信號(hào)抑制需求的特定濾波。 在最好的情況下，這種方法只是在最終印刷電路板占用空間、重量和功耗方面耗費(fèi)成本;在最壞的情況下則需要開(kāi)發(fā)多個(gè)完整的無(wú)線電。

采用軟件定義方法

軟件定義無(wú)線電(SDR)是針對(duì)此問(wèn)題的最終解決方案。通過(guò)加強(qiáng)對(duì)模數(shù)和基于軟件的信號(hào)處理的重視，它可以適應(yīng)各種物理層格式和協(xié)議、加密數(shù)據(jù)并通過(guò)在處理器或FPGA上運(yùn)行的軟件來(lái)轉(zhuǎn)換模數(shù)信號(hào)，使其完美滿足軍事需求。 用戶可以動(dòng)態(tài)控制頻率、調(diào)制、帶寬、加密功能和波形要求。

SDR還能夠?qū)⑿虏ㄐ魏凸δ莒`活結(jié)合到系統(tǒng)中，無(wú)需升級(jí)或更換硬件元件。 這些SDR不僅可用于士兵訪問(wèn)數(shù)據(jù)以及與指揮中心通信，還可用于創(chuàng)建廣域傳感器/網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，以進(jìn)行定位/檢測(cè)和戰(zhàn)斗士兵之間的通信。

SDR中最重要的元件是收發(fā)器。 為了實(shí)現(xiàn)上述所有靈活性和多功能性，收發(fā)器需要具有極寬的RF范圍，并且能夠通過(guò)軟件快速調(diào)諧和配置通道帶寬;它必須支持頻分多路復(fù)用(FDM)和時(shí)分多路復(fù)用(TDM)。 為了獲得更高級(jí)的波形支持，它還必須在動(dòng)態(tài)范圍和可靠性方面具有高性能，即使是在噪聲條件和具有有意和無(wú)意干擾的環(huán)境中。 與此同時(shí)，它還應(yīng)該在更低的功耗下運(yùn)行，以最大程度地減少士兵電池組中的電流消耗。

一種高度集成的混合信號(hào)RF集成電路(RFIC)可使寬帶SDR設(shè)計(jì)更小、更輕、耗電更少。 但真正的挑戰(zhàn)在于，ADR中的AFE擁有極寬的帶寬，因此在經(jīng)典設(shè)計(jì)中需要大量針對(duì)特定頻譜和可能波形的前端，而其中每個(gè)前端的設(shè)計(jì)和評(píng)估都將面臨巨大的挑戰(zhàn)，最終產(chǎn)品可能會(huì)在尺寸、重量和功耗三項(xiàng)指標(biāo)排名中名落孫山。

元件要求

新一代寬帶、可編程前端收發(fā)器支持兩個(gè)獨(dú)立的收發(fā)器通道，能夠滿足這些SDR挑戰(zhàn)。 系統(tǒng)處理器可以動(dòng)態(tài)重新配置關(guān)鍵參數(shù)(如帶寬和RF頻率)，以符合應(yīng)用需求并帶來(lái)最佳結(jié)果。此外，它還可以滿足快速發(fā)展的多路輸入多路輸出(MIMO)市場(chǎng)以及非MIMO市場(chǎng)的需求。

新一代寬帶集成型RF收發(fā)器是許多新一代軍事通信和電子監(jiān)控系統(tǒng)的理想解決方案。 由于它們支持寬通道帶寬，因此可以在新一代系統(tǒng)中部署與許多以數(shù)據(jù)為中心的新波形匹配的設(shè)備。 這種高度可配置性可實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，并且能夠使用自適應(yīng)波形。 這些設(shè)備能夠快速在RF帶寬間調(diào)諧，可以作為電子監(jiān)控(尤其是在功耗受限的平臺(tái)中)的解決方案。

ADI公司的AD9361 RF捷變收發(fā)器(見(jiàn)圖1)就是這樣一款收發(fā)器，這款10 × 10 mm的芯片級(jí)器件采用用戶可調(diào)的200 kHz至56 MHz帶寬設(shè)計(jì)。它擁有構(gòu)建70 MHz至6 GHz信號(hào)鏈所需的各種其他特性和性能屬性。 這款2 x 2的直接變頻元件可以將整個(gè)AFE簡(jiǎn)化成一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的電路，并通過(guò)一個(gè)LVDS或CMOS端口與主機(jī)處理器連接。 IC中集成了12位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、小數(shù)N頻率合成器、數(shù)字和模擬濾波器、自動(dòng)增益控制、發(fā)射功率監(jiān)控、正交校正和其他關(guān)鍵功能。