Con lo sviluppo della microelettronica e della tecnologia dei dispositivi a banda larga che spinge in avanti la digitalizzazione, l’integrazione RF raggiungerà un livello più elevato con una banda più ampia e una graduale riduzione in termini di volume, peso e costo. Inoltre, si verificheranno cambiamenti rivoluzionari nella configurazione hardware di sistema e nella struttura integrata, e la generalizzazione dell’hardware sarà una tendenza inevitabile. Attraverso l’integrazione del sistema di missione aviotrasportato e la progettazione miniaturizzata, le antenne di tutti i sistemi possono essere riassunte o riconfigurate in un numero ridotto di antenne in base alla banda di frequenza e alle funzioni. Inoltre, viene effettuata un’elaborazione completa su antenna, circuito analogico, circuito di controllo, circuito digitale e rete di connessione, in modo da creare un sistema ricetrasmittente RF con ampio spettro di frequenze, canali multipli e capacità di auto-adattamento. Lo scopo dell’RF integrata risiede nella riduzione di costo, peso e volume, così che gli utenti considerino il costo accettabile, mentre aumentano sia la praticità sia l’affidabilità. Sulla base di esperimenti, è stato dimostrato che l’MTBCF (Mean Time Between Critical Failures) dei sistemi integrati può essere aumentato di due volte attraverso mezzi quali comunità, modularità, condivisione delle risorse, verificabilità e riconfigurazione, per realizzare gli obiettivi sopra discussi.
Analisi della progettazione di RF integrata
A causa di una serie di limitazioni immobiliari relative al porto, al peso, allo spazio e all’alimentazione elettrica, i sistemi di missione aerotrasportati adottano una progettazione integrata per integrare e condividere le risorse con funzioni analoghe. Di conseguenza, garantendo il raggiungimento degli indici funzionali del sistema, si realizzeranno obiettivi quali leggerezza, miniaturizzazione e basso consumo energetico, in modo da essere compatibili con i requisiti di integrazione sull’aeromobile.
a.Dal punto di vista dei limiti del sistema, le antenne su tutti i sensori e sul sistema ricetrasmittente rappresentano la maggior parte dell’intero sistema in termini di peso, ingombro e consumo energetico, essendo responsabili dell’emissione e della ricezione del segnale. Per soddisfare tutte le esigenze discusse sopra, è necessario effettuare una progettazione integrata del sistema RF:
b.Dal punto di vista delle capacità del sistema, un feedback rapido conforme alle esigenze militari richiede un livello di flessibilità funzionale così elevato che nuove funzioni possano essere aggiunte a basso costo in un breve lasso di tempo, in modo da ottenere un rapido aggiornamento del sistema e un’espansione delle sue funzioni.
c.Dal punto di vista del miglioramento della configurazione delle apparecchiature, è efficace implementare una progettazione integrata, la raccolta digitale e la condivisione delle informazioni.
d.Dal punto di vista della flessibilità della piattaforma, l’applicazione della progettazione RF integrata consente al vettore aereo di soddisfare i requisiti relativi all’adattabilità di assemblaggio attraverso la riduzione del peso e l’alimentazione. Inoltre, una serie di problemi può essere risolta con successo, come il blocco, le interferenze elettromagnetiche e l’aumento dell’area di riflessione dovuto all’aumento del numero di antenne.
Attributi dell'RF integrato
Per essere compatibile con le risorse limitate della piattaforma e soddisfare le esigenze delle operazioni militari, nel sistema di missione aviotrasportato viene applicata una configurazione aperta, in cui il modulo di base contribuisce all’intero sistema. Il progetto RF integrato combina scoperta radar, scoperta passiva, comunicazione/catena dati e IFF (Identification Friend or Foe), in modo che possa essere generato un dispositivo elettronico integrato caratterizzato da multispettralità, mezzi multipli e auto‑adattabilità.
Gli attributi dell'RF integrato includono:
a.Costruzione RF aperta;
b.Piena concretizzazione della digitalizzazione, modularizzazione, generalizzazione e standardizzazione;
c.In grado di essere robusto e tollerante ai guasti;
d.Capacità di sviluppo secondario;
e.Elevata affidabilità, accesso all’assistenza, espandibilità, leggerezza e basso costo ecc.
Elementi nella progettazione RF integrata
• Elementi di progettazione dell'integrazione della ricezione radio
L’integrazione della ricezione radio si riferisce al processo mediante il quale diversi sistemi di missione condividono in comune un canale di ingresso RF e realizzano ciascuno la propria funzione di ricezione del segnale. Le funzioni del canale di ricezione richiedono che i segnali RF ricevuti dalle antenne di ricezione siano amplificati, filtrati, convertiti in frequenza, digitalizzati e pre-elaborati, e che vengano inviati al processore centrale integrato per l’elaborazione del segnale e dei dati. Uno dei segnali può richiedere più canali di ricezione che devono essere fatti operare insieme, con requisiti prestazionali che includono condivisione del passaggio di rete, amplificazione a basso rumore, guadagni di canale, AGC, gamma dinamica, larghezza di banda di canale ed equilibrio tra canali.
Per quanto riguarda l’integrazione della ricezione radio, occorre prendere in considerazione i seguenti elementi:
a.Frequenza di funzionamento
b.Larghezza di banda transitoria del canale di ricezione;
c.Dinamica transitoria dei segnali di ricezione;
d.Sensibilità dei segnali di ricezione;
e.Larghezza di banda in uscita maggiore della larghezza di banda complessiva quando tutte le missioni utilizzano lo stesso canale.
• Elementi di progettazione dell’integrazione delle emissioni RF
L’integrazione delle emissioni RF spinge i diversi sistemi di missione a condividere in modo comune il canale di uscita RF per completare le proprie funzioni di emissione del segnale. I canali di emissione forniscono la corrispondente forma d’onda del segnale, la modulazione, la conversione di frequenza, l’amplificazione di pilotaggio e la potenza in uscita che verrà inviata alle antenne. Le sue prestazioni di punta risiedono nella forma d’onda del segnale, nella stabilità del segnale, nei guadagni di canale, nell’intervallo dinamico, nella potenza in uscita e nella purezza dello spettro in uscita.
Per quanto riguarda l’integrazione delle emissioni RF, occorre prendere in considerazione i seguenti elementi:
a.Frequenza di funzionamento
b.Larghezza di banda transitoria del canale di emissione;
c.SFDR (Spurious Free Dynamic Range) dei segnali emessi;
d.Frequenza dei segnali emessi;
e.Forma d’onda del segnale di uscita.
Gli elementi menzionati sopra dovrebbero essere garantiti da un’emissione RF integrata. Diversamente dall’integrazione della ricezione radio, che è in grado di ricevere segnali nello stesso momento, alcune problematiche sono ancora presenti nell’emissione simultanea, che si verificano in particolare con forme d’onda a larga banda. La questione chiave risiede nel fatto che l’emissione comune da più sorgenti impone requisiti elevati sulla linearità dell’amplificatore di potenza.
Metodi di progettazione di RF integrata
• Metodo di progettazione dell'integrazione dell'apertura dell'antenna
L’antenna integrata o la schiera di antenne è un componente fisico chiave che contribuisce al sistema di missione aviotrasportato e realizza, tramite sottosistemi, la conversione tra energia RF elettrica spaziale ed energia RF elettrica ad alta frequenza. In base ai requisiti nei domini spaziale, di frequenza, temporale e di modulazione, insieme alle sue caratteristiche in termini di funzioni, modalità di funzionamento, intervallo di frequenze operative, dominio spaziale coperto, periodo operativo, modalità di modulazione, polarizzazione e adattabilità all’impiego su piattaforme aeree, tutti i tipi di antenne devono essere integrati e occorre applicare quanto più possibile le tecnologie avanzate dell’attuale progettazione di antenne, come ultra‑larga banda, conformalità, miniaturizzazione, apertura comune e riconfigurabilità. L’obiettivo di progetto ottimale deve essere perseguito rispetto a parametri, volume, peso e costo, e tutti i tipi di antenne devono essere progettati in modo integrato, con funzioni e frequenze ottimizzate e razionalizzate, al fine di arrivare infine all’integrazione dell’apertura d’antenna.
a. Progettazione di tipo integrataCon requisiti quali la frequenza di funzionamento, la copertura del dominio aereo e la polarizzazione presi in considerazione, si dovrebbero impiegare antenne con ampia larghezza di banda, elevata efficienza e alti guadagni, e l’antenna o l’array di antenne dovrebbero essere progettati in modo uniforme con una classificazione delle antenne semplificata.
b. Design dell'apertura integrata. Una volta soddisfatti i requisiti di prestazione dell’antenna, è opportuno adottare il più possibile una progettazione ad apertura comune per l’antenna o per la schiera di antenne, con un obiettivo di progetto ottimizzato in termini di costo, volume e peso. Sulla base delle considerazioni relative alla frequenza operativa dell’antenna, alla posizione di installazione, alle dimensioni dello spazio e al campo di copertura, nonché ai risultati della discussione di base, la progettazione ad apertura comune viene applicata alle antenne con posizioni di installazione simili, in modo che più antenne o schiere di antenne siano disposte sulla stessa apertura, riducendo lo spazio di installazione delle antenne e migliorando l’efficienza di utilizzo dell’apertura.
c. Progettazione della condivisione dell'antenna. Quando si tratta di antenne con requisiti di indice simili in termini di frequenza operativa, tipo di polarizzazione, guadagno e spazio coperto, la progettazione della condivisione dell’antenna viene effettuata tramite commutazione a switch, combinatore o divisore di segnale e applicazione a divisione temporale, al fine di ridurre al minimo il numero di antenne.
• Progettazione dell'integrazione del front-end RF
Sulla base della tecnologia dei dispositivi a larga banda e alta potenza, della tecnologia dei microsistemi, della tecnologia MEMS (micro electro mechanical system) e della tecnologia distribuita, viene istituito un sistema RF standard integrato attraverso una progettazione generalizzata, digitalizzata e modularizzata. Inoltre, vengono realizzati un canale ricetrasmittente RF generico e una piattaforma hardware, in modo che il canale del sistema RF possa essere compatibile con tutto lo spettro, riconfigurabile, digitalizzato e microsistematizzato.
Secondo i requisiti generali di sviluppo del sistema di missione aviotrasportato e la sua definizione strutturale, insieme ai principi di progettazione integrata, i metodi di progettazione integrata del front-end RF comprendono i seguenti aspetti:
a. Canalizzazione RFLa discrezione e la dedizione di ciascun sottosistema funzionale dovrebbero essere eliminate e tutti i sistemi RF dovrebbero adottare una progettazione di canalizzazione, in modo da rendere i canali dei ricetrasmettitori RF compatibili con l’intero spettro e generalmente integrati.
b. Modularizzazione delle risorseTutte le risorse hardware sono progettate tramite telaio piano, backplane e moduli compatibili con lo standard, al fine di ottenere un’alimentazione, un’assemblaggio uniforme e una dissipazione termica dei moduli delle risorse hardware.
c. Generalizzazione del moduloI moduli di risorse pubbliche del front-end RF adottano una progettazione generalizzata, che include il modulo di alimentazione, il modulo di ricezione e il modulo di commutazione, e la progettazione generalizzata viene gradualmente implementata sul modulo di pre-elaborazione multifunzione. Da un lato, la progettazione generalizzata dei moduli contribuisce a ridurre la classificazione delle risorse. Dall’altro, viene stabilita la base per il backup e la ricostruzione delle funzioni.
d. Standardizzazione dell'interfacciaViene applicato un bus standard nel front-end RF e la rete di sensori è accessibile tramite un modulo di interfaccia generale progettato in modo uniforme. La standardizzazione delle interfacce è in grado di ridurre efficacemente il tipo e il numero di bus di sistema, favorendo l’interconnessione tra i sistemi.
e. Unificazione della gestione delle risorseIl modulo di interfaccia generale al front-end RF riceve e analizza in modo uniforme le richieste di gestione delle risorse provenienti dal processore centrale e le invia ai corrispondenti moduli di pre-elaborazione e ad altri moduli, completando una gestione uniforme sul front-end RF.
Metodi di progettazione della modularizzazione
La sezione sensore appartenente al sistema di missione aviotrasportato, che include il circuito analogico al front-end RF e il circuito digitale al back-end RF, adotta una struttura di sistema aperto e utilizza moduli hardware standard con funzioni diverse e poche tipologie, che comprendono il modulo di front-end RF, il modulo di ricezione generale, il modulo di pre-elaborazione, il modulo di elaborazione del segnale, il modulo di emissione multifrequenza, il modulo modulatore multifunzione, l’unità di interfaccia d’antenna e la matrice di commutazione. Tali moduli possono essere combinati dinamicamente in base alle esigenze sulle funzioni RF dei sensori per realizzare le funzioni di sensori diversi. Possono essere progettati e prodotti sulla base di rigorosi e uniformi standard dimensionali strutturali ed essere installati e utilizzati su un telaio di installazione standard.
L’unità di interfaccia d’antenna svolge le funzioni di commutazione RF, ed è responsabile dell’invio dei segnali RF ricevuti dalle antenne al modulo di front-end RF. Collegata al modulo emettitore multifrequenza, l’unità di interfaccia d’antenna trasmette ai corrispondenti antenne i segnali RF pronti per l’emissione. L’unità di interfaccia d’antenna è in grado di risolvere i conflitti che possono verificarsi quando i segnali di trasmissione e ricezione condividono la stessa antenna.
Il modulo di ricezione RF front-end converte i segnali RF in frequenza intermedia standard e l’interruttore di frequenza intermedia trasmette i segnali a frequenza intermedia emessi dal modulo di ricezione RF front-end al modulo di ricezione generale, e i segnali di modulazione a frequenza intermedia generati dal modulatore multifunzionale al corrispondente modulo trasmettitore. Gli interruttori di frequenza intermedia sono responsabili della risoluzione dei conflitti che possono crearsi quando i segnali a frequenza intermedia in trasmissione e ricezione condividono il modulo di ricezione generale e il modulo modulatore multifunzionale.
I segnali a media frequenza vengono trasmessi al preprocessore di segnale dopo essere stati elaborati dal modulo di ricezione generale, che include il filtraggio passa-banda, la conversione A/D e la DDC (Conversione Digitale verso il Basso). Il preprocessore di segnale esegue il filtraggio adattato sui segnali dopo la digitalizzazione del modulo di ricezione generale, completando la trasformazione di fase del segnale in banda base, l’acquisizione dell’impulso e la de-diffusione digitale. Inoltre, condivide anche parte del lavoro di elaborazione dei processori di segnale e i segnali digitali, dopo il preprocessing, vengono trasmessi al modulo di elaborazione del segnale. Nel processo di emissione, il preprocessore di segnale invia i segnali in banda base al modulatore multifunzione dopo aver effettuato lo spettro espanso digitale e la formatura dell’impulso.
Il modulo di elaborazione del segnale è responsabile dell’elaborazione del segnale di tutte le funzioni dei sensori, inclusi la demodulazione, il bilanciamento adattivo del canale, la codifica e decodifica per la correzione degli errori e la cifratura e decifratura.
Metodi di progettazione della canalizzazione
Poiché più canali lavorano insieme o in modo indipendente nel front-end RF integrato e una certa forma d’onda del segnale viene elaborata, tutte le risorse dei moduli hardware possono essere combinate all’interno della rete di conversione digitale per creare un thread hardware che supporti l’elaborazione della forma d’onda del segnale. Il front-end RF integrato è in grado di supportare più thread hardware che possono operare in modo uniforme o indipendente in conformità con la strategia di scansione dell’antenna o con la procedura di elaborazione del segnale. Di conseguenza, il front-end RF del sistema è in grado di elaborare più segnali con più funzioni realizzate in base alle esigenze di elaborazione delle informazioni del sistema. Canali ridondanti sono ancora disponibili nei canali RF, di sintonia e a media frequenza, in modo che tutti i canali siano mantenuti come backup reciproci per aumentare l’affidabilità del sistema. Se si verifica un problema su alcuni canali di segnale che non riescono a supportare completamente l’elaborazione parallela di più segnali, è possibile formare diversi thread di elaborazione parallela o a divisione di tempo in base alla modalità di funzionamento del sistema e alla priorità di elaborazione del segnale.
Come indicato nella Figura 1, numerosi canali paralleli di segnali multipli sono disponibili nel front-end RF, i quali possono essere commutati o funzionare in parallelo tramite il controllo del sistema. Il canale di ricezione di sintonia estrae tutti i tipi di segnali relativamente puri che poi vengono portati a frequenza intermedia tramite conversione di frequenza. Tutti i segnali possono essere ragionevolmente suddivisi in alcuni canali a media frequenza comuni con metodi di condivisione di frequenza o di condivisione di tempo e vengono elaborati in un ricevitore digitale multifunzione dopo la selezione e la combinazione tramite una matrice di commutazione. Il sistema applica un integratore di frequenza integrato con proprietà di banda larga, frequenza multipunto, rapida agilità e uscita combinata.
Metodi di progettazione della microsistematizzazione
I microsistemi integrano componenti come sensori, circuiti di lettura, processore di segnali digitali, AD/DA, componenti ricetrasmittenti e alimentatori all’interno di un intervallo micrometrico, in modo che il volume e il consumo energetico del sistema e della configurazione possano essere drasticamente ridotti. La configurazione del microsistema del canale ricetrasmittente RF, del dispositivo e dei componenti con l’applicazione della tecnologia 3S (Sop, Sip, Soc) porta allo sviluppo chiave di un’ampia banda di frequenze.
Tecnologie all’avanguardia
• Tecnologie di progettazione integrate del sistema
La tecnologia di progettazione integrata del sistema svolge un ruolo potenziale nel raggiungere l’integrazione del sistema di missione, nel fare il miglior uso dell’efficienza di tutti i tipi di dispositivi elettronici e nel garantire capacità militari integrate. Incentrando l’attenzione sulla prospettiva dei sistemi, l’integrazione deve essere realizzata nella sua composizione, struttura, funzioni e metodo di interconnessione, in modo che la progettazione integrata del sistema di missione possa essere ottimizzata. In conformità con le missioni militari e i requisiti di missione, la progettazione dell’integrazione del sistema di missione è responsabile di definire, analizzare, progettare, testare e valutare l’intero sistema, così da rendere il sistema di missione compatibile con le esigenze della missione in termini di funzioni, prestazioni, affidabilità, manutenzione, supportabilità e costo del ciclo di vita. I progettisti di sistemi dovrebbero partecipare alla pianificazione e alla ricerca in conformità con progetti industriali conformi, di lunga durata e fondamentali.
• Tecnologia di progettazione per la costruzione di sistemi aperti
La costruzione di sistemi aperti è vantaggiosa per la formazione di sistemi distribuiti e offre praticità per l’interconnessione e l’interoperabilità tra hardware di diversi produttori, computer con numeri di modello differenti o altri dispositivi. È conveniente per il trapianto e l’aggiornamento di hardware e software e per il potenziamento e l’espansione delle funzioni di sistema. Inoltre, contribuisce ad abbreviare il periodo di ricerca e sviluppo poiché supporta la variabilità della scala del sistema.
La chiave per l’implementazione della costruzione di sistemi aperti risiede nella realizzazione e nella conformità di tutti i tipi di interfacce standard, in modo che gli stessi standard e regolamenti possano essere seguiti dalle diverse unità di sviluppo e produzione dei prodotti. Oltre all’hardware, anche il software è coinvolto nella costruzione di sistemi aperti, continuando a svolgere un ruolo significativo nei sistemi software aperti, nella riusabilità e nella scalabilità variabile. Inoltre, è considerato una misura importante per ridurre il costo del ciclo di vita del sistema e il periodo di sviluppo. Una nuova versione del software del sistema di missione integrato dovrebbe essere conforme a standard e regolamenti uniformi e alcune proprietà del software, tra cui riusabilità, standardizzazione, intellettualizzazione, portabilità e affidabilità, dovrebbero essere incluse tra i parametri caratteristici della tecnologia software rappresentativa.
• Tecnologia di progettazione per l'integrità dell'apertura dell'antenna
Come parte essenziale del sistema di missione aviotrasportato, l’antenna o la schiera di antenne è responsabile dell’emissione e della ricezione di numerosi segnali radio. A causa del gran numero di componenti di sistema, aumentano le esigenze riguardo ai tipi e al numero di antenne, e sono richieste specifiche differenti in termini di banda di frequenze operative, modalità di polarizzazione, guadagno e volume di spazio aereo coperto. Inoltre, a causa dei limiti di spazio della piattaforma aviotrasportata e delle posizioni di installazione delle antenne, la disposizione delle antenne di sistema diventa approssimativa, creando un’esigenza stringente di riduzione del numero di antenne.
Per ridurre la difficoltà del layout delle antenne di sistema, la progettazione dell’integrità dell’antenna o dell’array di antenne dovrebbe essere effettuata dopo che sono stati soddisfatti i requisiti relativi all’antenna in compatibilità con le funzioni. Tutte le antenne dovrebbero essere integrate e condivise per renderle il front-end dei sensori condivisi, in modo che l’apertura dell’antenna possa essere utilizzata in modo integrato. Inoltre, per garantire la compatibilità elettromagnetica (EMC) tra le funzioni durante il funzionamento del sistema, si dovrebbe effettuare una progettazione ottimizzata del layout delle antenne nel sistema, al fine di ridurre al minimo l’impatto sulle prestazioni dell’antenna e l’effetto reciproco tra le antenne.
• Tecnologia CIP
Il CIP con un’integrazione di alto livello nel sistema combina molteplici tecnologie avanzate e numerose funzioni di calcolo, elaborazione, controllo e amministrazione vengono completate al suo interno. Il CIP è responsabile dell’elaborazione integrata, della fusione dei dati, del calcolo di missione, della generazione di informazioni video, del calcolo di navigazione, della gestione degli armamenti, del backup elettronico e della gestione della difesa, della gestione delle comunicazioni, del controllo del sistema e del monitoraggio dei guasti, dell’ispezione e della ricostruzione dei dati di ingresso dei sensori. Numerose caratteristiche significative di una nuova versione del sistema di missione sono coinvolte nel CIP, che dal punto di vista tecnico sfrutta al meglio le proprietà del modulo comune, del sistema di elaborazione parallela e del sistema operativo distribuito in tempo reale, elabora le risorse con un core condiviso e migliora prestazioni e affidabilità per soddisfare le esigenze della capacità di elaborazione di bordo e del rapido sviluppo della capacità di calcolo.
• Tecnologia di digitalizzazione del canale RF a banda larga e configurabile
Il sistema di missione aviotrasportato copre un’ampia gamma di frequenze, numerosi tipi di metodi di modulazione di segnale, formati di segnale e livelli di segnale con ampie differenze. I dispositivi nei tradizionali sistemi di comunicazione ad alta densità hardware presentano relazioni di interconnessione complesse, costi elevati, un alto livello di difficoltà nell’aggiornamento e nel trasferimento e un’interconnessione difficoltosa tra sistemi. Pertanto, è necessario fare affidamento sulla tecnologia di radio definita dal software e sul campionamento RF, per promuovere la digitalizzazione, ridurre i canali di elaborazione del front-end RF e aumentare il riutilizzo delle funzioni di elaborazione digitale del segnale nel back-end, al fine di risolvere alcuni problemi di integrazione relativi alle molteplici funzioni, all’ampia gamma di frequenze e ai molteplici metodi di modulazione del sistema. Inoltre, l’applicazione di hardware e software modulari facilita la progettazione del sistema e l’introduzione di nuove tecnologie, in modo da migliorare le prestazioni e ridurre costi e tempi.
