Avec le développement de la micro‑électronique et des technologies de dispositifs à large bande qui font progresser la numérisation, l’intégration RF atteindra un niveau plus élevé avec une bande passante plus large et une réduction progressive du volume, du poids et du coût. De plus, des changements révolutionnaires interviendront dans la configuration matérielle des systèmes et dans la structure intégrée, et la généralisation du matériel deviendra une tendance inévitable. Grâce à l’intégration des systèmes de mission aéroportés et à une conception miniaturisée, les antennes de tous les systèmes peuvent être regroupées ou reconstruites en un nombre réduit d’antennes en fonction de la bande de fréquences et des fonctions. En outre, un traitement global est appliqué à l’antenne, au circuit analogique, au circuit de commande, au circuit numérique et au réseau de connexion, de sorte qu’un système émetteur‑récepteur RF puisse être créé avec un large spectre de fréquences, de multiples canaux et une auto‑adaptation. L’objectif de l’intégration RF réside dans la réduction des coûts, du poids et du volume, afin que les utilisateurs considèrent le coût comme acceptable, tout en améliorant à la fois la praticité et la fiabilité. Sur la base d’expériences, il est prouvé que le MTBCF (Mean Time Between Critical Failures, temps moyen entre défaillances critiques) des systèmes intégrés peut être multiplié par deux grâce à la mutualisation, à la modularisation, au partage des ressources, à la testabilité et à la reconfiguration, afin de réaliser les objectifs évoqués ci‑dessus.
Analyse de conception des RF intégrés
En raison d’une série de contraintes immobilières portant sur le port, le poids, l’espace et l’alimentation électrique, une conception intégrée est appliquée aux systèmes de mission embarqués afin d’intégrer et de partager les ressources ayant des fonctions similaires. Ainsi, tout en garantissant la réalisation des indices fonctionnels du système, des objectifs tels que la légèreté, la miniaturisation et la faible consommation d’énergie seront atteints, de manière à être compatibles avec les exigences d’assemblage de l’avion.
a.Du point de vue des limitations du système, les antennes de tous les capteurs et du système émetteur-récepteur représentent la majeure partie de l’ensemble du système en termes de poids, d’encombrement et de consommation d’énergie, étant responsables de l’émission et de la réception des signaux. Pour répondre à toutes les exigences évoquées ci-dessus, il est nécessaire de procéder à une conception intégrée du système RF :
b.Du point de vue des capacités du système, un retour d’information rapide conforme aux exigences militaires requiert une flexibilité fonctionnelle si élevée que de nouvelles fonctions peuvent être ajoutées à faible coût en peu de temps, afin de permettre une mise à niveau rapide du système et une expansion de ses fonctions.
c.Du point de vue de l’amélioration de la configuration des équipements, il est efficace de mettre en œuvre une conception intégrée, une collecte numérique et un partage de l’information.
d.Du point de vue de la flexibilité de la plateforme, l’application de la conception RF intégrée permet au porteur aérien de répondre aux exigences relatives à l’adaptabilité d’assemblage grâce à la réduction du poids et à l’alimentation en énergie. En outre, une série de problèmes peuvent être résolus avec succès, tels que le blocage, les interférences électromagnétiques et l’augmentation de la surface de réflexion résultant de l’augmentation du nombre d’antennes.
Attributs de la RF intégrée
Pour être compatible avec les ressources limitées de la plateforme et répondre aux exigences des opérations militaires, une configuration ouverte est appliquée au système de mission aéroporté, avec un module de base contribuant à l’ensemble du système. Une conception RF intégrée combine la détection radar, la détection passive, la communication/liaison de données et l’IFF (Identification ami ou ennemi), de sorte qu’un dispositif électronique intégré puisse être généré, caractérisé par des spectres multiples, des moyens multiples et une auto‑adaptabilité.
Les attributs de la RF intégrée comprennent :
a.Construction RF ouverte
b.Incarnation complète de la numérisation, de la modularisation, de la généralisation et de la standardisation ;
c.Capable d’être robuste et tolérant aux pannes ;
d.Capacité de développement secondaire ;
e.Haute fiabilité, accès au support, extensibilité, légèreté et faible coût, etc.
Éléments dans la conception RF intégrée
• Éléments de conception de l’intégration de la réception radio
L’intégration de la réception radio désigne le processus par lequel différents systèmes de mission partagent en commun un canal d’entrée RF et réalisent chacun leur propre fonction de réception de signal. Les fonctions du canal de réception exigent que les signaux RF reçus par les antennes de réception soient amplifiés, filtrés, convertis en fréquence, numérisés et prétraités, puis qu’ils soient envoyés vers le processeur central intégré pour le traitement de signal et le traitement de données. L’un des signaux peut éventuellement nécessiter plusieurs canaux de réception devant fonctionner conjointement, avec des exigences de performance incluant le partage du transfert de réseau, l’amplification à faible bruit, les gains de canal, l’AGC, la plage dynamique, la largeur de bande de canal et l’équilibrage des canaux.
Les éléments suivants doivent être pris en considération concernant l’intégration de la réception radio :
a.Fréquence de fonctionnement
b.Bande passante transitoire du canal de réception
c.Dynamique transitoire des signaux de réception
d.Sensibilité des signaux de réception
e.Bande passante de sortie supérieure à la bande passante globale lorsque toutes les missions utilisent le même canal.
• Éléments de conception de l’intégration des émissions RF
L’intégration des émissions RF amène différents systèmes de mission à partager en commun un canal de sortie RF afin d’accomplir leurs propres fonctions d’émission de signaux. Les canaux d’émission fournissent la forme d’onde de signal correspondante, la modulation, la conversion de fréquence, l’amplification de pilotage et la puissance de sortie qui seront envoyées aux antennes. Ses performances de pointe résident dans la forme d’onde du signal, la stabilité du signal, les gains de canal, la plage dynamique, la puissance de sortie et la pureté du spectre de sortie.
Les éléments suivants doivent être pris en considération concernant l’intégration des émissions RF :
a.Fréquence de fonctionnement
b.Bande passante transitoire du canal d’émission
c.SFDR (Spurious Free Dynamic Range) des signaux émis ;
d.Fréquence des signaux émis ;
e.Forme d’onde du signal de sortie.
Les éléments mentionnés ci-dessus doivent être garantis par l’émission RF intégrée. Contrairement à l’intégration de la réception radio, qui est capable de recevoir des signaux simultanément, certains problèmes subsistent pour l’émission simultanée, en particulier pour les formes d’onde à large bande. Le problème clé réside dans le fait que l’émission commune multi-source impose des exigences élevées en matière de linéarité de l’amplificateur de puissance.
Méthodes de conception des RF intégrés
• Méthode de conception pour l’intégration d’ouverture d’antenne
L’antenne intégrée ou le réseau d’antennes est un composant physique clé contribuant au système de mission aéroporté et réalise, par l’intermédiaire de sous-systèmes, la conversion entre l’énergie RF électrique spatiale et l’énergie RF électrique haute fréquence. Conformément aux exigences dans les domaines spatial, fréquentiel, temporel et de modulation, ainsi qu’à ses caractéristiques en termes de fonctions, de mode de fonctionnement, de plage de fréquences de fonctionnement, de domaine spatial couvert, de durée de fonctionnement, de mode de modulation, de polarisation et d’adaptabilité à l’emport aérien, tous types d’antennes doivent être intégrés, et les technologies avancées de conception d’antennes actuelles doivent être appliquées autant que possible, telles que la très large bande, la conformité aux formes, la miniaturisation, l’ouverture commune et la reconfiguration. L’objectif de conception optimale doit être atteint en tenant compte des indices de performance, du volume, du poids et du coût, et tous les types d’antennes doivent faire l’objet d’une conception intégrée, avec des fonctions et des fréquences optimisées et libérées, afin de finalement intégrer l’ouverture d’antenne.
a. Conception de type intégréeCompte tenu d’exigences telles que la fréquence de fonctionnement, la couverture du domaine aérien et la polarisation, il convient d’utiliser des antennes à large bande passante, à haut rendement et à gain élevé, et les antennes ou réseaux d’antennes doivent faire l’objet d’une conception unifiée avec une classification des antennes simplifiée.
b. Conception d’ouverture intégréeUne fois les exigences en matière de performances d’antenne satisfaites, il convient de procéder autant que possible à une conception à ouverture commune pour l’antenne ou le réseau d’antennes, en visant une optimisation des coûts, du volume et du poids. En se fondant sur les considérations relatives à la fréquence de fonctionnement de l’antenne, à la position de montage, à la taille de l’espace et à la plage de couverture, ainsi que sur les résultats des discussions fondamentales, la conception à ouverture commune est mise en œuvre pour les antennes ayant des positions de montage similaires, de sorte que plusieurs antennes ou réseaux d’antennes soient disposés sur une même ouverture afin de réduire l’espace d’installation des antennes et d’améliorer l’efficacité d’utilisation de l’ouverture.
c. Conception de partage d’antenne. Lorsqu’il s’agit d’antennes présentant des exigences similaires en termes de fréquence de fonctionnement, de type de polarisation, de gain et de zone de couverture, la conception de partage d’antenne est réalisée au moyen de commutation par interrupteur, de combineur ou de répartiteur de signaux et d’une utilisation en partage temporel, afin de réduire au minimum le nombre d’antennes.
• Conception d’intégration de l’interface RF
Sur la base de la technologie des dispositifs à large bande et haute puissance, de la technologie des microsystèmes, des MEMS (micro-systèmes électromécaniques) et de la technologie distribuée, un système standard RF intégré est établi grâce à une conception généralisée, numérisée et modulaire. De plus, un canal d’émetteur-récepteur RF général et une plateforme matérielle sont mis en place afin que le canal du système RF soit compatible avec tout le spectre, reconstructible, numérisé et microsystématisé.
Selon les exigences générales de développement du système de mission aéroporté et sa définition structurelle, ainsi que les principes de conception intégrée, les méthodes de conception intégrée de l’interface RF comprennent les aspects suivants :
a. Canalisation RFLa discrétion et le cloisonnement de chaque sous-système fonctionnel doivent être supprimés et tous les systèmes RF doivent recevoir une conception de canalisation, de manière à rendre les canaux d’émission-réception RF entièrement compatibles avec l’ensemble du spectre et globalement intégrés.
b. Modularisation des ressources. Toutes les ressources matérielles sont conçues au moyen d’un châssis plan, d’un panneau arrière et de modules compatibles avec les normes, afin de réaliser une alimentation électrique et une dissipation thermique uniformes des modules de ressources matérielles.
c. Généralisation du moduleLes modules de ressources publiques de l’interface RF subissent une conception généralisée, incluant le module d’alimentation, le module de réception et le module de commutation, et la conception généralisée est progressivement mise en œuvre sur le module de prétraitement multifonction. D’une part, la conception généralisée des modules contribue à réduire la classification des ressources. D’autre part, elle établit la base pour la sauvegarde et la reconstruction des fonctions.
d. Standardisation de l’interfaceLe bus standard est appliqué dans l’interface RF de tête, et le réseau de capteurs est accessible via un module d’interface général conçu de manière uniforme. La normalisation des interfaces permet de réduire efficacement le type et le nombre de bus système, ce qui est bénéfique pour l’interconnexion entre les systèmes.
e. Unification de la gestion des ressources. Le module d’interface générale au niveau de l’extrémité RF reçoit et analyse de manière uniforme les demandes de gestion des ressources provenant du processeur central et les envoie aux modules de prétraitement correspondants ainsi qu’aux autres modules, la gestion uniforme de l’extrémité RF étant ainsi réalisée.
Méthodes de conception de la modularisation
La section capteur appartenant au système de mission aéroporté, comprenant un circuit analogique en entrée RF et un circuit numérique en sortie RF, adopte une structure de système ouvert et utilise des modules matériels standard aux fonctions diverses mais en nombre limité, comprenant un module d’interface RF en entrée, un module de réception général, un module de prétraitement, un module de traitement du signal, un module d’émission multifréquence, un module modulateur multifonction, une unité d’interface d’antenne et un réseau de commutation matricielle. Ces modules peuvent être combinés dynamiquement en fonction des exigences relatives aux fonctions RF des capteurs afin de réaliser les fonctions de différents capteurs. Ils peuvent être conçus et fabriqués sur la base de dimensions structurelles strictes et uniformes, puis installés et utilisés sur un châssis de montage standard.
L’unité d’interface d’antenne remplit les fonctions de commutateurs de changement RF, chargée d’acheminer les signaux RF reçus par les antennes vers le module de frontal RF. Connectée au module émetteur multifréquence, l’unité d’interface d’antenne transmet les signaux RF prêts à être émis vers les antennes correspondantes. L’unité d’interface d’antenne est capable de résoudre les conflits susceptibles de se produire lorsque les signaux d’émission et de réception partagent la même antenne.
Le module de réception de l’interface RF convertit les signaux RF en signaux de moyenne fréquence standard, et le commutateur de moyenne fréquence transmet les signaux de moyenne fréquence émis par le module de réception de l’interface RF vers le module de réception général, ainsi que les signaux de modulation de moyenne fréquence générés par le modulateur multifonction vers le module émetteur correspondant. Les commutateurs de moyenne fréquence sont responsables de la résolution des conflits susceptibles de se produire lorsque les signaux de moyenne fréquence en émission et en réception partagent le module de réception général et le module de modulateur multifonction.
Les signaux de moyenne fréquence sont transmis au préprocesseur de signaux après avoir été traités par le module de réception général, incluant le filtrage passe-bande, la conversion A/N et la DDC (conversion numérique vers le bas). Le préprocesseur de signaux effectue un filtrage adapté sur les signaux après la numérisation par le module de réception général, avec la transformation de phase du signal de bande de base, la capture d’impulsions et le désembrouillage numérique complétés. De plus, il partage également une partie du travail de traitement des processeurs de signaux, et les signaux numériques après prétraitement sont transmis au module de traitement de signaux. Dans le processus d’émission, le préprocesseur de signaux envoie les signaux de bande de base au modulateur multifonction après avoir réalisé l’étalement de spectre numérique et le façonnage d’impulsions.
Le module de traitement du signal est chargé du traitement du signal pour toutes les fonctions des capteurs, y compris la démodulation, l’équilibrage adaptatif de canal, le codage et le décodage de correction d’erreurs ainsi que le chiffrement et le déchiffrement.
Méthodes de conception de la canalisation
Comme plusieurs canaux fonctionnent ensemble ou indépendamment au sein de l’étage RF intégré et qu’une certaine forme d’onde de signal est en cours de traitement, toutes les ressources des modules matériels peuvent être combinées dans le réseau de conversion numérique afin de créer un thread matériel prenant en charge le traitement de la forme d’onde du signal. L’étage RF intégré est capable de prendre en charge plusieurs threads matériels qui peuvent fonctionner de manière uniforme ou indépendante, en conformité avec la stratégie de balayage d’antenne ou la procédure de traitement du signal. Par conséquent, l’étage RF du système est capable de traiter plusieurs signaux avec plusieurs fonctions réalisées en fonction des besoins du système en matière de traitement de l’information. Des canaux redondants restent disponibles dans les canaux RF, d’accord de syntonisation et de fréquence intermédiaire, de sorte que tous les canaux se maintiennent mutuellement en tant que sauvegardes afin d’augmenter la fiabilité du système. S’il y a un dysfonctionnement sur certains canaux de signal qui ne parviennent pas à assurer complètement le traitement parallèle de plusieurs signaux, différents threads de traitement parallèles ou en partage temporel peuvent être formés en fonction du mode de fonctionnement du système et de la priorité de traitement des signaux.
Comme l’indique la Figure 1, de nombreux canaux parallèles de multiples signaux sont disponibles dans l’interface RF, lesquels peuvent être commutés ou fonctionner en parallèle via le contrôle du système. Le canal de réception accordé extrait toutes sortes de signaux relativement purs qui sont ensuite convertis en fréquence intermédiaire par conversion de fréquence. Tous les signaux peuvent être raisonnablement répartis en plusieurs canaux de fréquence intermédiaire communs au moyen de méthodes de partage de fréquence ou de partage de temps, puis sont traités dans un récepteur numérique multifonction après sélection et combinaison par un réseau de commutation. Le système applique un intégrateur de fréquence intégré présentant les caractéristiques de large bande, de fréquences multiples, d’agilité rapide et de sortie combinée.
Méthodes de conception de la microsystématisation
Les microsystèmes intègrent des composants tels que des capteurs, des circuits de lecture, des processeurs de signaux numériques, des convertisseurs AD/DA, des composants émetteur-récepteur et des alimentations électriques à l’échelle du micromètre, de sorte que le volume et la consommation d’énergie du système et de la configuration puissent être drastiquement réduits. La configuration du microsystème de canal émetteur-récepteur RF, de l’appareil et des composants avec l’application de la technologie 3S (Sop, Sip, Soc) conduit à un développement clé de la large bande de fréquences.
Technologies de pointe
• Technologies de conception intégrée des systèmes
La technologie de conception intégrée des systèmes joue un rôle potentiel dans la réalisation de l’intégration des systèmes de mission, en tirant le meilleur parti de l’efficacité de tous les types de dispositifs électroniques et en garantissant des capacités militaires intégrées. En se plaçant du point de vue des systèmes, l’intégration doit être mise en œuvre sur leur composition, leur structure, leurs fonctions et leurs méthodes d’interconnexion, de manière à optimiser la conception intégrée du système de mission. Conformément aux missions militaires et aux exigences de mission, la conception de l’intégration du système de mission est chargée de définir, d’analyser, de concevoir, de tester et d’évaluer l’ensemble du système, afin de rendre le système de mission compatible avec les besoins de la mission en termes de fonctions, de performances, de fiabilité, de maintenance, de soutien et de coût du cycle de vie. Les concepteurs de systèmes doivent participer à la planification et à la recherche conformément aux projets industriels conformes, de longue durée et fondamentaux.
• Technologie de conception de construction de système ouvert
La construction de systèmes ouverts est bénéfique pour la formation de systèmes distribués et facilite l’interconnexion et l’interopérabilité entre du matériel provenant de différents fabricants, des ordinateurs de types variés ou autres. Elle facilite la transplantation et la portabilité du matériel et des logiciels, ainsi que l’amélioration et l’extension des fonctions du système. Elle contribue également à raccourcir la période de recherche et développement, car elle prend en charge l’évolutivité variable du système.
La clé de la mise en œuvre de la construction de systèmes ouverts réside dans la fabrication de toutes sortes d’interfaces normalisées et dans leur conformité, de sorte que les mêmes normes et réglementations puissent être suivies par différentes unités de développement et de fabrication de produits. Outre le matériel, les logiciels sont également impliqués dans la construction de systèmes ouverts, jouant toujours un rôle significatif dans les systèmes logiciels ouverts, la réutilisabilité et l’évolutivité. En outre, cela est considéré comme une mesure importante pour réduire le coût du cycle de vie du système et la durée de développement. Une nouvelle version du logiciel de système de mission intégré doit se conformer à des normes et réglementations uniformes, et certaines propriétés du logiciel, notamment la réutilisabilité, la normalisation, l’intellectualisation, la portabilité et la fiabilité, doivent être incluses parmi les paramètres caractéristiques de la technologie logicielle représentative.
• Technologie de conception pour l’intégrité de l’ouverture d’antenne
En tant que partie essentielle du système de mission aéroporté, l’antenne ou le réseau d’antennes est chargée d’émettre et de recevoir de nombreux signaux radio. En raison du grand nombre de composants du système, les exigences augmentent en ce qui concerne les types et le nombre d’antennes, et différentes exigences apparaissent en termes de plage de fréquences de fonctionnement, de mode de polarisation, de gains et de couverture de l’espace aérien. En outre, en raison de la limitation de l’espace de la plate-forme aéroportée et des positions d’installation des antennes, la configuration des antennes du système devient approximative, ce qui impose une exigence stricte de réduction du nombre d’antennes.
Pour réduire la difficulté de la configuration des antennes du système, l’intégrité de la conception de l’antenne ou du réseau d’antennes doit être réalisée une fois que les exigences imposées à l’antenne, en compatibilité avec les fonctions, sont satisfaites. Toutes les antennes doivent être intégrées et mutualisées afin d’en faire le front-end de capteurs partagés, de sorte que l’ouverture d’antenne puisse être exploitée de manière intégrée. En outre, afin de garantir la CEM (Compatibilité Électromagnétique) entre les fonctions lorsque le système est en fonctionnement, une conception optimisée de la disposition des antennes dans le système doit être mise en œuvre pour minimiser l’impact sur les performances des antennes ainsi que les effets mutuels entre les antennes.
• Technologie CIP
Le CIP, doté d’un haut niveau d’intégration dans le système, combine de multiples technologies avancées, et de nombreuses fonctions de calcul, de traitement, de contrôle et d’administration y sont réalisées. Le CIP est responsable du traitement intégré, de la fusion de données, du calcul de mission, de la génération d’informations vidéo, du calcul de navigation, de la gestion des armements, de la sauvegarde électronique et de la gestion de la défense, de la gestion des communications, du contrôle du système et de la surveillance des pannes, ainsi que de l’inspection et de la reconstruction des données d’entrée des capteurs. De nombreuses caractéristiques importantes d’une nouvelle version du système de mission sont intégrées dans le CIP, qui exploite techniquement au mieux les propriétés des modules communs, du système de traitement parallèle et du système d’exploitation temps réel distribué, traite les ressources avec un noyau partagé et améliore les performances et la fiabilité afin de répondre aux exigences de capacité de traitement embarquée et au développement rapide des capacités de calcul.
• Technologie de numérisation de canal RF large bande et configurable
Le système de mission aéroporté couvre une large gamme de fréquences, de nombreux types de méthodes de modulation de signaux, de formats de signaux et de niveaux de signaux présentant de grandes différences. Les dispositifs des systèmes de communication traditionnels à forte densité matérielle se caractérisent par une relation d’interconnexion complexe, un coût élevé, un niveau élevé de difficulté pour les mises à niveau et un interfaçage difficile entre les systèmes. Par conséquent, il est nécessaire de s’appuyer sur la radio logicielle et la technologie d’échantillonnage RF, de faire progresser la numérisation, de réduire le nombre de canaux de traitement de l’étage RF et d’augmenter la réutilisation fonctionnelle du traitement numérique du signal en aval afin de résoudre certains problèmes d’intégration liés aux multiples fonctions, à la large plage de fréquences et aux multiples méthodes de modulation du système. De plus, l’application de matériels et de logiciels modulaires facilite la conception du système et l’introduction de nouvelles technologies, de sorte que les performances sont améliorées et que les coûts et les délais sont réduits.
