Con el desarrollo de la microelectrónica y la tecnología de dispositivos de banda ancha que impulsa la digitalización, la integración de RF alcanzará un nivel superior con un ancho de banda más amplio y una reducción gradual en términos de volumen, peso y costo. Además, se producirán cambios revolucionarios en la configuración del hardware del sistema y en la estructura integrada, y la generalización del hardware será una tendencia inevitable. A través de la integración del sistema de misión aerotransportado y del diseño de miniaturización, las antenas de todos los sistemas pueden resumirse o reconstruirse en un número reducido de antenas de acuerdo con la banda de frecuencia y las funciones. Además, se realiza un procesamiento integral de la antena, el circuito analógico, el circuito de control, el circuito digital y la red de conexión, de modo que se pueda crear un sistema transceptor de RF con un espectro de frecuencia amplio, múltiples canales y autoadaptabilidad. El propósito de la RF integrada radica en la reducción de costos, peso y volumen, de modo que los usuarios consideren aceptable el costo, mientras que la practicidad y la fiabilidad también aumentan. Con base en experimentos, se demuestra que el MTBCF (Tiempo Medio Entre Fallos Críticos) de los sistemas integrados puede incrementarse en dos veces mediante el uso de comunidad, módulos, recursos compartidos, capacidad de prueba y reconstrucción para lograr los objetivos antes mencionados.
Análisis de diseño de RF integrado
Debido a una serie de limitaciones inmobiliarias en el puerto, el peso, el espacio y el suministro de energía, los sistemas de misión aerotransportados aplican un diseño de integración para integrar y compartir recursos con funciones similares. Como resultado, al garantizar la implementación de los índices funcionales del sistema, se alcanzarán objetivos como peso ligero, miniaturización y bajo consumo de energía, de modo que sean compatibles con los requisitos del ensamblaje del avión.
a.Desde el punto de vista de las limitaciones del sistema, las antenas de todos los sensores y del sistema transceptor representan la mayor parte de todo el sistema en términos de peso, espacio y consumo de energía, siendo responsables de la emisión y la recepción de señales. Para satisfacer todas las demandas mencionadas anteriormente, es necesario llevar a cabo un diseño integrado del sistema de RF:
b.Desde el punto de vista de la capacidad del sistema, la retroalimentación rápida de acuerdo con las exigencias militares requiere una flexibilidad funcional tan alta que permita añadir nuevas funciones a bajo costo en un corto período de tiempo para lograr una rápida actualización del sistema y la expansión de sus funciones.
c.Desde el punto de vista de la mejora de la configuración del equipo, es eficaz implementar un diseño integrado, la recopilación digital y el intercambio de información.
d.Desde el punto de vista de la flexibilidad de la plataforma, la aplicación del diseño RF integrado permite que el portador aéreo cumpla los requisitos relativos a la adaptabilidad de montaje mediante la reducción de peso y la energización. Además, se puede resolver con éxito una serie de problemas, como el bloqueo, la interferencia electromagnética y el aumento del área de reflexión como resultado del incremento en la cantidad de antenas.
Atributos de RF Integrado
Para ser compatible con los recursos limitados de la plataforma y satisfacer las exigencias de las operaciones militares, se aplica una configuración abierta en el sistema de misión aerotransportado, en la que un módulo básico contribuye al sistema completo. El diseño de RF integrado combina detección por radar, detección pasiva, comunicaciones/enlace de datos e IFF (Identificación de Amigos o Enemigos), de modo que se puede generar un dispositivo electrónico integrado que presente múltiples espectros, múltiples medios y autoadaptabilidad.
Los atributos de la RF integrada incluyen:
a.Construcción de RF abierta;
b.Plena materialización de la digitalización, modularización, generalización y estandarización;
c.Capaz de ser robusto y tolerante a fallos;
d.Capacidad de desarrollo secundario;
e.Alta fiabilidad, acceso a soporte, capacidad de expansión, peso ligero y bajo costo, etc.
Elementos en el diseño RF integrado
• Elementos de diseño de la integración de recepción de radio
La integración de la recepción de radio se refiere al proceso mediante el cual diferentes sistemas de misión comparten comúnmente un canal de entrada de RF y logran su propia función de recepción de señales. Las funciones del canal de recepción exigen que las señales de RF recibidas por las antenas de recepción sean amplificadas, filtradas, convertidas en frecuencia, digitalizadas y preprocesadas, y que se envíen al procesador central integrado para el procesamiento de señales y de datos. Una de las señales posiblemente requiere múltiples canales de recepción que deben operar conjuntamente, con exigencias de rendimiento que incluyen traspaso de red compartido, amplificación de bajo ruido, ganancias de canal, AGC, rango dinámico, ancho de banda de canal y balance de canal.
Se deben tener en cuenta los siguientes elementos con respecto a la integración de la recepción de radio:
a.Frecuencia de funcionamiento
b.Ancho de banda transitorio del canal de recepción;
c.Dinámica transitoria de las señales de recepción;
d.Sensibilidad de las señales de recepción;
e.El ancho de banda de salida es mayor que el ancho de banda total cuando todas las misiones mantienen el mismo canal.
• Elementos de diseño de la integración de emisiones de RF
La integración de emisiones de RF impulsa a diferentes sistemas de misión a compartir de forma común el canal de salida de RF para completar sus propias funciones de emisión de señales. Los canales de emisión proporcionan la forma de onda de señal correspondiente, modulación, conversión de frecuencia, amplificación de excitación y salida de potencia que se enviará a las antenas. Su rendimiento principal radica en la forma de onda de la señal, la estabilidad de la señal, las ganancias del canal, el rango dinámico, la potencia de salida y la pureza del espectro de salida.
Se deben tener en cuenta los siguientes elementos con respecto a la integración de emisiones de RF:
a.Frecuencia de funcionamiento
b.Ancho de banda transitorio del canal de emisión;
c.SFDR (Spurious Free Dynamic Range) de las señales emitidas;
d.Frecuencia de las señales emitidas;
e.Forma de onda de la señal de salida.
Los elementos mencionados anteriormente deben garantizarse mediante la emisión integrada de RF. A diferencia de la integración de recepción de radio, que es capaz de recibir señales al mismo tiempo, todavía existen algunos problemas en la emisión simultánea, lo que ocurre especialmente con la forma de onda de banda ancha. La cuestión clave radica en que la emisión común de múltiples fuentes impone altas exigencias sobre 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 la matriz de antenas es un componente físico clave que contribuye al sistema de misión aerotransportado y realiza la conversión entre la energía de RF eléctrica espacial y la energía de RF eléctrica de alta frecuencia mediante subsistemas. De acuerdo con los requisitos en los dominios aéreo, de frecuencia, de tiempo y de modulación, junto con sus propiedades en cuanto a funciones, modo de operación, rango de frecuencia de operación, dominio aéreo cubierto, período de operación, modo de modulación, polarización y adaptabilidad aerotransportada, todo tipo de antenas deben integrarse y deben aplicarse tanto como sea posible las tecnologías avanzadas de diseño de antenas actuales, tales como súper banda ancha, conformalidad, miniaturización, apertura común y reconfiguración. Debe alcanzarse un objetivo de diseño óptimo en torno a los índices, el volumen, el peso y el costo, y todo tipo de antenas deben recibir un diseño integrado con sus funciones y frecuencias optimizadas y liberadas, a fin de integrar finalmente la apertura de la antena.
a. Diseño de tipo integradoCon requisitos como la frecuencia de operación, la cobertura del dominio aéreo y la polarización considerados, se deben emplear antenas con gran ancho de banda, alta eficiencia y altas ganancias, y la antena o el arreglo de antenas deben recibir un diseño unificado con una clasificación de antenas simplificada.
b. Diseño de apertura integrada. Una vez satisfechos los requisitos de rendimiento de la antena, se debe llevar a cabo, en la medida de lo posible, un diseño de apertura común en la antena o en la matriz de antenas, con un objetivo de diseño optimizado en cuanto a costo, volumen y peso. Basándose en consideraciones sobre la frecuencia de operación de la antena, la posición de montaje, el tamaño del espacio y el rango de cobertura, así como en el resultado de la discusión fundamental, se implementa un diseño de apertura común en antenas con posiciones de montaje similares, de modo que múltiples antenas o matrices de antenas se dispongan en la misma apertura para reducir el espacio de montaje de las antenas y mejorar la eficiencia de uso de la apertura.
c. Diseño de compartición de antena. Cuando se trata de antenas con requisitos de índice similares en cuanto a frecuencia de operación, tipo de polarización, ganancias y espacio de cobertura, el diseño de compartición de antenas se lleva a cabo mediante conmutación por interruptor, combinador o divisor de señal y aplicación por división temporal, con el fin de minimizar la cantidad de antenas.
• Diseño de integración del extremo frontal de RF
Basado en la tecnología de dispositivos de banda ancha de alta potencia, la tecnología de microsistemas, la tecnología MEMS (sistema microelectromecánico) y la tecnología distribuida, se establece un sistema estándar de RF integrado mediante un diseño de generalización, digitalización y modularización. Además, se configuran un canal transceptor de RF general y una plataforma de hardware para que el canal del sistema de RF sea compatible con todo el espectro, reconstruible, digitalizado y microsistematizado.
De acuerdo con los requisitos generales de desarrollo del sistema de misión aerotransportado y su definición estructural, junto con los principios de diseño integrado, los métodos de diseño de integración del extremo frontal de RF abarcan los siguientes aspectos:
a. Canalización de RFSe debe romper la discreción y la dedicación de cada subsistema funcional y todos los sistemas de RF deben recibir un diseño de canalización para que el canal del transceptor de RF sea compatible con todo el espectro y esté generalmente integrado.
b. Modularización de recursos. Todos los recursos de hardware se diseñan mediante bastidor plano, placa posterior y módulos compatibles con el estándar, con el fin de lograr una alimentación eléctrica y una disipación térmica uniformes de los módulos de recursos de hardware.
c. Generalización de módulosLos módulos de recursos públicos de la etapa frontal de RF pasan por un diseño de generalización, que incluye el módulo de alimentación, el módulo de recepción y el módulo de conmutación, y el diseño de generalización se implementa gradualmente en el módulo de preprocesamiento multifunción. Por un lado, el diseño de generalización de los módulos ayuda a reducir la clasificación de recursos. Por otro lado, se establece la base para la copia de seguridad y la reconstrucción de funciones.
d. Estandarización de la interfazSe aplica un bus estándar en el extremo frontal de RF y la red de sensores se accede a través de un módulo de interfaz general de diseño uniforme. La estandarización de las interfaces puede reducir de manera efectiva el tipo y el número de buses del sistema, lo que es beneficioso para la interconexión entre sistemas.
e. Unificación de la gestión de recursos. El módulo de interfaz general en el extremo frontal de RF recibe y analiza de manera uniforme las solicitudes de administración de recursos del procesador central y las envía a los módulos de preprocesamiento correspondientes y a otros módulos, completando la administración uniforme en el extremo frontal de RF.
Métodos de diseño de modularización
La sección de sensores perteneciente al sistema de misión aerotransportada, que incluye el circuito analógico en el extremo frontal de RF y el circuito digital en el extremo posterior de RF, adopta una estructura de sistema abierto y utiliza módulos de hardware estándar con diferentes funciones y pocos tipos, que incluyen el módulo de extremo frontal de RF, el módulo de recepción general, el módulo de preprocesamiento, el módulo de procesamiento de señal, el módulo de emisión multifrecuencia, el módulo modulador multifunción, la unidad de interfaz de antena y la matriz de conmutación. Estos módulos pueden combinarse dinámicamente según las demandas sobre las funciones de RF de los sensores para realizar las funciones de diferentes sensores. Pueden diseñarse y fabricarse sobre la base de unas dimensiones de estándar estructural estrictas y uniformes y ser instalados y utilizados en un bastidor de instalación estándar.
La unidad de interfaz de antena completa las funciones de los conmutadores de cambio de RF, siendo responsable de enviar las señales de RF recibidas por las antenas al módulo de etapa frontal de RF. Conectada con el módulo emisor multifrecuencia, la unidad de interfaz de antena transmite las señales de 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 se produzcan cuando las señales de transmisión y recepción comparten la misma antena.
El módulo de recepción de RF convierte las señales de RF en frecuencia intermedia estándar, y el conmutador de frecuencia intermedia transmite las señales de frecuencia intermedia generadas por el módulo de recepción de RF al módulo de recepción general, y las señales de modulación de frecuencia intermedia generadas por el modulador multifuncional al módulo emisor correspondiente. Los conmutadores de frecuencia intermedia son responsables de resolver los conflictos que pueden producirse cuando las señales de frecuencia intermedia de transmisión y recepción comparten el módulo de recepción general y el módulo modulador multifuncional.
Las señales de frecuencia media se transmiten al preprocesador de señales después de ser procesadas por el módulo de recepción general, que incluye filtrado de banda, conversión A/D y DDC (Conversión Digital Descendente). El preprocesador de señales lleva a cabo el filtrado adaptado de las señales después de la digitalización del módulo de recepción general, completando la transformación de fase de la señal de banda base, la captura de pulsos y el desensanchado digital. 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 señales. En el proceso de emisión, el preprocesador de señales envía las señales de banda base al modulador multifunción después de implementar el espectro ensanchado digital y el conformado de pulsos.
El módulo de procesamiento de señal se encarga del procesamiento de señal de todas las funciones de los sensores, incluyendo demodulación, ecualización autoadaptativa de canal, codificación y decodificación de corrección de errores, y cifrado y descifrado.
Métodos de diseño de canalización
Dado que múltiples canales trabajan juntos o de forma independiente en el frente extremo de RF integrado y se está procesando cierta forma de onda de señal, todos los recursos de los módulos de hardware pueden combinarse dentro de la red de conversión digital para crear un hilo de hardware que admita el procesamiento de la forma de onda de la señal. El frente extremo de RF integrado es capaz de admitir múltiples hilos de hardware que pueden funcionar de manera uniforme o independiente de acuerdo con la estrategia de exploración de antena o el procedimiento de procesamiento de señal. Como resultado, el frente extremo de RF del sistema es capaz de procesar múltiples señales con múltiples funciones logradas en función de la demanda de procesamiento de información del sistema. Todavía hay canales redundantes disponibles en los canales de RF, sintonía y frecuencia intermedia, de modo que todos los canales se mantienen como respaldo entre sí para aumentar la fiabilidad del sistema. Si hay algún problema con algunos canales de señal que no pueden admitir completamente el procesamiento paralelo de múltiples señales, se pueden formar diferentes hilos de procesamiento paralelo o por división de tiempo de acuerdo con el modo de funcionamiento del sistema y la prioridad de procesamiento de señal.
Como se indica en la Figura 1, en el extremo frontal de RF hay numerosos canales paralelos de múltiples señales disponibles, que pueden conmutarse o funcionar en paralelo mediante el control del sistema. El canal de recepción de sintonía extrae todo tipo de señales relativamente puras que luego pasan a frecuencia intermedia mediante conversión de frecuencia. Todas las señales pueden dividirse razonablemente en algunos canales de frecuencia intermedia comunes mediante métodos de compartición de frecuencia o de tiempo y se procesan en un receptor digital multifunción después de la selección y combinación por la matriz de conmutadores. El sistema aplica un integrador de frecuencia integrado con propiedades de banda ancha, frecuencia multipunto, agilidad rápida y salida combinada.
Métodos de diseño de la microsistematización
Los microsistemas integran componentes como sensores, circuitos de lectura, procesador digital de señales, AD/DA, componentes de transceptor y fuentes de alimentación dentro de un rango de micrómetros, de modo que el volumen y el consumo de energía del sistema y su configuración puedan reducirse drásticamente. La configuración del microsistema de canal de transceptor RF, del dispositivo y de los componentes con la aplicación de la tecnología 3S (Sop, Sip, Soc) conduce al desarrollo clave de una amplia banda de frecuencias.
Tecnologías líderes
• Tecnologías de diseño integrado de sistemas
La tecnología de diseño integrado de sistemas desempeña un papel potencial en la consecución de la integración del sistema de misión, en el aprovechamiento máximo de la eficiencia de todo tipo de dispositivos electrónicos y en la garantía de capacidades militares integradas. Centrándose en la perspectiva de los sistemas, la integración debe implementarse en su composición, construcción, funciones y método de interconexión, de modo que se pueda optimizar el diseño integrado del sistema de misión. De conformidad con las misiones militares y los requisitos de la misión, el diseño de integración del sistema de misión es responsable de definir, analizar, diseñar, probar y evaluar el sistema completo, a fin de lograr que el sistema de misión sea compatible con las demandas de la misión en términos de funciones, rendimiento, fiabilidad, mantenimiento, capacidad de apoyo y costo del ciclo de vida. Los diseñadores de sistemas deben participar en la planificación y la investigación de acuerdo con proyectos industriales conformes, de larga duración y fundamentales.
• Tecnología de diseño de construcción de sistemas abiertos
La construcción de sistemas abiertos es beneficiosa para la formación de sistemas distribuidos y proporciona comodidad para la interconexión y la interoperabilidad entre hardware de diferentes fabricantes, computadoras con distintos tipos de modelos u otros. Es conveniente para la migración y el traslado de hardware y software, así como para la mejora y la ampliación de las funciones del sistema. Además, ayuda a acortar el período de investigación y desarrollo, ya que admite la escala volátil del sistema.
La clave para la implementación de la construcción de sistemas abiertos radica en la fabricación de todo tipo de interfaces estándar y en su conformidad, de modo que las mismas normas y reglamentos puedan ser seguidos por diferentes unidades de desarrollo y fabricación de productos. Además del hardware, el software también participa en la construcción de sistemas abiertos, desempeñando aún un papel significativo en el sistema de software abierto, la reutilización y la escalabilidad variable. Además, se considera una medida importante para reducir el costo del ciclo de vida del sistema y el período de desarrollo. Una nueva versión del software del sistema de misión integrada debe ajustarse a normas y reglamentos uniformes, y algunas propiedades del software, incluidas la reutilización, la estandarización, la intelectualización, la portabilidad y la fiabilidad, deben incluirse entre los parámetros característicos de la tecnología de software representativa.
• Tecnología de diseño de integridad de apertura de antena
Como parte esencial del sistema de misión aerotransportado, la antena o matriz de antenas se encarga de emitir y recibir numerosas señales de radio. Debido al gran número de componentes del sistema, aumentan las exigencias en cuanto a los tipos y la cantidad de antenas, y existen diferentes requisitos en términos de rango de frecuencia de operación, modo de polarización, ganancias y espacio aéreo cubierto. Además, debido a la limitación del espacio de la plataforma aerotransportada y de las posiciones de instalación de las antenas, la disposición de las antenas del sistema se vuelve tosca, lo que genera una exigente necesidad de reducir la cantidad de antenas.
Para reducir la dificultad del diseño del sistema de disposición de antenas, se debe llevar a cabo un diseño integral de la antena o del arreglo de antenas una vez que se hayan satisfecho los requisitos de compatibilidad de la antena con las funciones. Todas las antenas deben integrarse y compartirse para convertirlas en el front-end de sensores compartidos, de modo que la apertura de la antena pueda utilizarse de forma integrada. Además, para garantizar la CEM (Compatibilidad Electromagnética) entre las funciones durante el funcionamiento del sistema, se debe optimizar el diseño de la disposición de antenas en el sistema para minimizar el efecto sobre el rendimiento de la antena y el efecto mutuo entre antenas.
• Tecnología CIP
El CIP, con una integración de alto nivel en el sistema, combina múltiples tecnologías avanzadas y en él se completan numerosas funciones de computación, procesamiento, control y administración. El CIP es responsable del procesamiento integrado, la fusión de datos, la computación de misión, la generación de información de video, la computación de navegación, la gestión de cargas, la copia de seguridad electrónica y la gestión de defensa, la gestión de comunicaciones, el control del sistema y la monitorización de fallos, así como la inspección y reconstrucción de los datos de entrada de los sensores. Muchas características significativas de una nueva versión del sistema de misión están involucradas en el CIP, que desde el punto de vista técnico hace el mejor uso de las propiedades del módulo común, del sistema de procesamiento en paralelo y del sistema operativo distribuido en tiempo real, procesa recursos con un núcleo compartido y mejora el rendimiento y la fiabilidad para satisfacer las demandas de capacidad de procesamiento a bordo y el rápido desarrollo de la capacidad de computación.
• Tecnología de digitalización de canales de RF de banda ancha y configurable
El sistema de misión aerotransportada abarca un amplio rango de frecuencias, numerosos tipos de métodos de modulación de señales y formatos de señal, así como niveles de señal con grandes diferencias. Los dispositivos en el sistema de comunicaciones tradicional de alta densidad de hardware presentan una relación de interconexión complicada, alto costo, un elevado nivel de dificultad para la actualización y transferencia, y una interconexión difícil entre sistemas. Por lo tanto, es necesario depender de la radio definida por software y de la tecnología de muestreo de RF, impulsar la digitalización, reducir el canal de procesamiento del extremo frontal de RF y aumentar la reutilización funcional del procesamiento digital de señales en el extremo posterior, con el fin de resolver algunos problemas de integración relacionados con las múltiples funciones, el amplio rango de frecuencias y los múltiples métodos de modulación del sistema. Además, la aplicación de hardware y software modulares aporta comodidad al diseño del sistema y a la introducción de nuevas tecnologías, de modo que se mejora el rendimiento y se reducen los costos y el tiempo.
