マイクロエレクトロニクスおよび帯域幅デバイス技術の発展によりデジタル化が推進される中、RF 統合は、より広い帯域幅と体積・重量・コストの段階的な削減を伴って、より高いレベルへと進展していく。さらに、システムハードウェア構成および統合構造には革新的な変化が生じ、ハードウェアの汎用化は必然的な潮流となる。機上任務システムの統合および小型化設計を通じて、すべてのシステムのアンテナは、周波数帯および機能に応じて集約または再構成され、少数のアンテナにまとめることができる。加えて、アンテナ、アナログ回路、制御回路、デジタル回路および接続ネットワークを総合的に処理することで、広い周波数スペクトル、多チャネル、自己適応性を備えた RF 送受信システムを構築することが可能となる。統合 RF の目的は、コスト・重量・体積を削減しつつ、ユーザーがコストを許容可能と感じ、実用性と信頼性の双方を向上させることにある。実験に基づけば、コミュニティ化、モジュール化、リソース共有、テスタビリティおよび再構成といった手段を通じて、統合システムの MTBCF（重大故障間平均時間）を 2 倍に向上させることができ、上述の目標を実現できることが証明されている。
統合RFの設計解析
港湾におけるポート数、重量、スペースおよび電源供給に関する一連の制約により、航空機搭載任務システムでは、類似機能を持つリソースを統合・共有するためにインテグレーション設計が適用される。その結果、システム機能指標の実現を確保しつつ、軽量化、小型化および低消費電力といった目標が達成され、航空機組立の要求に適合できるようになる。
a.システムの制約という観点から見ると、すべてのセンサーおよびトランシーバシステム上のアンテナは、重量、設置スペース、消費電力の面でシステム全体の大部分を占めており、信号の送信と受信を担っている。上述したすべての要求を満たすためには、統合されたRFシステム設計を行うことが必要である。
b.システム能力の観点から見ると、軍事的要求に応じた迅速なフィードバックを実現するためには、短期間かつ低コストで新たな機能を追加し、システムの迅速なアップグレードと機能拡張を達成できるほどの高い機能的柔軟性が求められる。
c.設備構成の改善という観点からは、統合設計、デジタル収集および情報共有を実施することが有効である。
d.プラットフォームの柔軟性という観点から見ると、統合RF設計の適用により、軽量化と通電によって空中キャリアは組立て適応性に関する要求を満たすことができる。さらに、アンテナ数の増加に起因する遮蔽、電磁干渉、および反射面積の増大といった一連の問題も、効果的に解決することができる。
統合RFの属性
プラットフォーム上の限られたリソースとの両立および軍事作戦の要求を満たすため、空中任務システムにはオープン構成が適用され、基本モジュールがシステム全体に寄与している。統合RF設計により、レーダー探知、受動探知、通信／データリンクおよびIFF（敵味方識別）が統合され、多周波数帯域・多様な手段・自己適応性を備えた統合電子装置を実現している。
統合されたRFの属性には、次のものが含まれます。
a.オープンRF構築
b.デジタル化、モジュール化、汎用化および標準化の全面的な具現化；
c.堅牢性と耐障害性を備えていることが可能であり、
d.二次開発の能力
e.高い信頼性、サポートへのアクセス、拡張性、軽量、低コストなど。
統合RF設計における要素
・ラジオ受信統合の設計要素
無線受信統合とは、異なる任務システムが共通のRF入力チャネルを共有しつつ、それぞれの信号受信機能を実現するプロセスを指す。受信チャネルの機能要件としては、受信アンテナで受信したRF信号を増幅、フィルタリング、周波数変換、デジタル化および信号前処理し、それらを信号処理およびデータ処理のために統合コアプロセッサへ出力することが求められる。信号によっては、複数の受信チャネルを必要とし、それらは共有ネットワークハンドオーバ、低雑音増幅、チャネル利得、AGC、ダイナミックレンジ、チャネル帯域幅およびチャネルバランスといった性能要件を満たしつつ、連携して動作しなければならない。
ラジオ受信の統合に関しては、以下の要素を考慮する必要があります。
a.動作周波数
b.受信チャネルの過渡帯域幅
c.受信号の過渡的動特性
d.受信信号の感度
eすべてのミッションが同じチャネルを保持している場合、出力帯域幅が全体の帯域幅より大きくなります。
・RF放射統合の設計要素
RFエミッションの統合により、さまざまなミッションシステムが共通のRF出力チャネルを共有して、それぞれの信号送信機能を実現する。送信チャネルは、アンテナへ送られる信号に対して、対応する信号波形、変調、周波数変換、ドライブ増幅および電力出力を提供する。その主要な性能は、信号波形、信号安定性、チャネル利得、ダイナミックレンジ、出力電力および出力スペクトル純度にある。
RF放射の統合に関しては、以下の要素を考慮する必要があります。
a.動作周波数
b.発光チャネルの過渡帯域幅
c.放射信号の SFDR（スプリアスフリー動的範囲）
d.放射される信号の周波数
e.出力信号波形。
上記の要素は、統合されたRF送信によって確保されるべきである。
同時に信号を受信することが可能な無線受信の統合とは異なり、特に広帯域波形において、同時送信には依然としていくつかの問題が存在する。
主要な問題は、多源の共通送信が電力増幅器の線形性に対して高い要求を課す点にある。
集積RFの設計手法
・アンテナ開口統合の設計手法
統合アンテナまたはアンテナアレイは、航空機搭載ミッションシステムに寄与する重要な物理コンポーネントであり、サブシステムによって空間電磁RFエネルギーと高周波電気RFエネルギーとの間の変換を実現する。空域、周波数領域、時間領域および変調領域に関する要求に応じて、機能、動作モード、動作周波数範囲、カバーする空域、動作期間、変調方式、偏波および航空機搭載適応性といった特性に基づき、あらゆる種類のアンテナを統合し、可能な限り現在のアンテナ設計における先進技術（超広帯域、コンフォーマル、小型化、共用開口および再構成など）を適用すべきである。最適設計目標は、性能指標、体積、重量およびコストの観点から達成されるべきであり、最終的にアンテナ開口を統合するために、各種アンテナはその機能および周波数が最適に解放されるよう統合設計を行わなければならない。
a. 統合型デザイン動作周波数、空域のカバーおよび偏波といった要件を考慮すると、高帯域幅・高効率・高利得のアンテナを適用すべきであり、アンテナまたはアンテナアレイは、アンテナの分類を簡素化したうえで一貫した設計を行う必要がある。
b. 一体型開口設計アンテナ性能に対する要求が満たされた場合、コスト、体積および重量を最適化設計目標として、可能な限りアンテナまたはアンテナアレイに対して共用開口設計を実施する必要がある。アンテナの動作周波数、取り付け位置、空間サイズおよびカバー範囲、ならびに基礎検討結果を踏まえ、取り付け位置が類似するアンテナに対して共用開口設計を適用し、複数のアンテナまたはアンテナアレイを同一開口に配置することで、アンテナの搭載スペースを削減し、開口利用効率を向上させる。
c. アンテナ共有設計動作周波数、偏波タイプ、利得およびカバーする空間に関して同様の指標要件を持つアンテナについては、アンテナの数を最小限に抑えるために、スイッチ切替、信号合成器または分配器、および時分割利用によるアンテナ共用設計が行われる。
・RFフロントエンド統合設計
高出力帯域デバイス技術、マイクロシステム技術、MEMS（微小電気機械システム）および分散技術に基づき、汎用化、デジタル化およびモジュール化設計を通じて、統合RF標準システムが構築される。さらに、汎用RF送受信チャネルおよびハードウェアプラットフォームが構成され、RFシステムチャネルが全スペクトルに互換性を持ち、再構成可能で、デジタル化され、マイクロシステム化されるようにする。
航空機搭載任務システムの一般的な開発要件およびその構造定義に基づき、統合設計原則とあわせて、RFフロントエンドの統合設計手法には以下の側面が含まれる。
a. RF チャネライゼーション各機能サブシステムごとの分離性と専用性を打破し、すべてのRFシステムにチャネライゼーション設計を施すことで、RF送受信チャネルを全周波数帯に互換性を持たせ、全般的に統合されたものとする必要がある。
b. リソースのモジュール化すべてのハードウェアリソースは、平面フレーム、バックプレーン、および標準に準拠したモジュールによって設計されており、ハードウェアリソースモジュールの一貫した組立、電源供給、および放熱を実現しています。
c. モジュールの一般化・RFフロントエンドの共用リソースモジュールは、電源モジュール、受信モジュール、スイッチモジュールを含めて汎用化設計が行われており、多機能プリプロセッシングモジュールにも徐々に汎用化設計が適用されている。一方で、モジュールの汎用化設計はリソースの分類削減に役立つ。他方で、機能のバックアップおよび再構成のための基盤が確立される。
d. インターフェースの標準化・RFフロントエンドには標準バスが適用され、センサーネットワークには統一設計の汎用インターフェースモジュールを介してアクセスされる。インターフェースの標準化により、システムバスの種類と数を効果的に削減でき、システム間の相互接続に有利となる。
e. リソース管理の統一RFフロントエンドの汎用インターフェースモジュールは、コアプロセッサからのリソース管理要求を一括して受信・解析し、それらを対応する前処理モジュールおよびその他のモジュールへ送信するとともに、RFフロントエンドに対する一元的な管理を完了する。
モジュール化の設計手法
航空ミッションシステムに属するセンサー部は、RFフロントエンドのアナログ回路およびRFリアエンドのデジタル回路を含み、オープンシステム構造を採用し、RFフロントエンドモジュール、汎用受信モジュール、前処理モジュール、信号処理モジュール、多周波数送信モジュール、多機能変調モジュール、アンテナインターフェースユニットおよびマトリックススイッチアレイを含む、機能の異なる少数種類の標準ハードウェアモジュールを使用する。これらのモジュールは、センサーのRF機能に対する要求に基づいて動的に組み合わせることで、異なるセンサーの機能を実現できる。それらは厳格かつ統一された構造標準寸法に基づいて設計・製造することができ、標準的な搭載フレームに装着して使用することができる。
アンテナインターフェースユニットは、RF切替スイッチの機能を実行し、アンテナで受信したRF信号をRFフロントエンドモジュールへ送信する役割を担う。マルチバンド送信モジュールと接続されているアンテナインターフェースユニットは、送信準備が整ったRF信号を対応するアンテナへ伝送する。アンテナインターフェースユニットは、送受信信号がアンテナを共有する際に発生し得る競合を解消することが可能である。
RFフロントエンド受信モジュールはRF信号を標準中間周波数に変換し、中間周波数スイッチは、RFフロントエンド受信モジュールから出力される中間周波数信号を汎用受信モジュールへ、マルチファンクション変調器によって生成される中間周波数変調信号を対応する送信モジュールへ伝送する。中間周波数スイッチは、送受信の中間周波数信号が汎用受信モジュールおよびマルチファンクション変調器モジュールを共有する際に生じうる競合を解消する役割を担う。
中周波信号は、帯域通過フィルタリング、A/D 変換、および DDC（Digital Down Conversion）を含む一般受信モジュールで処理された後、信号プリプロセッサへ送られる。信号プリプロセッサは、一般受信モジュールによってディジタル化された信号に対して整合フィルタリングを行い、その際にベースバンド信号の位相変換、パルス捕捉およびディジタル逆拡散を完了する。さらに、信号プロセッサの一部の処理作業も分担し、前処理後のディジタル信号は信号処理モジュールへ送られる。送信過程においては、信号プリプロセッサはディジタルスペクトラム拡散およびパルス整形を行った後、ベースバンド信号を多機能変調器へ送出する。
信号処理モジュールは、復調、チャネル自己適応等化、誤り訂正符号化および復号化、暗号化および復号化を含む、すべてのセンサー機能の信号処理を担当する。
チャネル化の設計手法
複数のチャネルが統合RFフロントエンドにおいて協調または独立して動作し、特定の信号波形が処理される際、すべてのハードウェアモジュール資源はデジタル変換ネットワーク内で統合され、信号波形処理をサポートするハードウェアスレッドを構成することができる。統合RFフロントエンドは、アンテナ走査戦略または信号処理手順に従って、一様にまたは独立して動作可能な複数のハードウェアスレッドをサポートする能力を有する。その結果、システムのRFフロントエンドは、システムの情報処理要求に基づいて複数の機能を実現しつつ、複数の信号を処理することが可能となる。RF、同調および中間周波数の各チャネルには依然として冗長チャネルが用意されており、すべてのチャネルは互いのバックアップとして維持されることで、システムの信頼性が向上する。複数信号の並列処理を完全にはサポートできない不具合のある信号チャネルが存在する場合でも、システムの動作モードおよび信号処理の優先度に応じて、異なる並列処理スレッドまたは時分割処理スレッドを構成することができる。
図1に示されているように、RFフロントエンドには多数の信号の並列チャネルが用意されており、システム制御によって切り替えたり、並列動作させたりすることができる。チューニング受信チャネルは、各種の比較的純粋な信号を抽出し、それらを周波数変換によって中間周波数帯に落とし込む。すべての信号は、周波数共有または時分割方式によって、いくつかの共用中間周波数チャネルに合理的に分配され、スイッチアレイによる選択および結合の後、多機能デジタル受信機で処理される。本システムは、広帯域、多点周波数、高速アジリティ、および結合出力という特性を備えた統合型周波数インテグレータを適用している。
マイクロシステム化の設計手法
マイクロシステムは、センサー、読出し回路、デジタル信号プロセッサ、AD/DA、トランシーバコンポーネントおよび電源などの要素をマイクロメートルスケール内に統合することで、システムおよび構成の体積と消費電力を大幅に削減する。RFトランシーバチャネル・マイクロシステムの構成、デバイスおよびコンポーネントに3S（SOP、SIP、SOC）技術を適用することにより、広帯域周波数の重要な開発が可能となる。
先端技術
・システムの統合設計技術
システムの統合設計技術は、任務システムの統合を実現し、各種電子機器の効率を最大限に活用し、統合された軍事能力を確保するうえで潜在的な役割を果たす。システムの観点を中心に据えると、任務システムの統合設計を最適化するためには、その構成、構造、機能および相互接続方式に対して統合を実施しなければならない。軍事任務および任務要件に適合させるために、任務システム統合設計は、機能、性能、信頼性、保守性、支援性およびライフサイクルコストの面で任務要求と整合するよう、システム全体を定義・分析・設計・試験・評価する責任を負う。システム設計者は、業界標準に適合し、長期的かつ基盤的なプロジェクトに従って、計画および研究に参加すべきである。
・オープンシステム構築設計技術
オープンシステム構築は、分散システムの形成に有利であり、異なるメーカーのハードウェアや、型番の異なるコンピュータなどの相互接続および相互運用を容易にする。ハードウェアおよびソフトウェアの移植、ならびにシステム機能の強化と拡張が容易である。また、システム規模の変動に対応できるため、研究開発期間の短縮にも寄与する。
オープンシステム構築の実現の鍵は、あらゆる種類の標準インタフェースの作成と適合性にあり、同一の標準と規定が異なる製品開発および製造主体によって遵守されるようにすることである。ハードウェアに加えて、ソフトウェアもオープンシステム構築に関与しており、ソフトウェアのオープンシステム化、再利用性、および可変規模において依然として重要な役割を果たしている。さらに、これはシステムのライフサイクルコストと開発期間を削減するための重要な手段とみなされている。新バージョンの統合任務システムソフトウェアは、統一された標準および規定に適合しなければならず、再利用性、標準化、知能化、移植性、信頼性といったソフトウェアのいくつかの特性は、代表的なソフトウェア技術の特性パラメータに含められるべきである。
・アンテナ開口部健全性設計技術
航空任務システムの重要な構成要素として、アンテナまたはアンテナアレイは多数の無線信号の送受信を担っている。システム構成要素の数が多いため、アンテナの種類や数量に対する要求が高まり、動作周波数帯域、偏波方式、利得および空域カバレッジといった点で多様な要求が生じている。さらに、航空機搭載プラットフォームのスペースおよびアンテナの設置位置に制約があるため、システムのアンテナ配置は過密になり、アンテナ数削減に対する厳しい要求が生じている。
システムのアンテナ配置の難易度を下げるためには、機能との両立というアンテナに対する要求が満たされた後に、アンテナまたはアンテナアレイの一体設計を行う必要がある。すべてのアンテナは統合・共有され、共有センサーのフロントエンドとなるようにし、アンテナ開口部を統合的に活用できるようにするべきである。さらに、システム動作時に機能間のEMC（電磁両立性）を確保するため、アンテナ性能への影響およびアンテナ間の相互影響を最小化するよう、システム内のアンテナ配置について最適化設計を行わなければならない。
・CIPテクノロジー
システムに高度に統合されたCIPは、複数の先進技術を組み合わせ、大量の計算・処理・制御・管理機能をその内部で完結させている。CIPは、統合処理、データフュージョン、ミッションコンピューティング、映像情報生成、航法計算、兵装管理、電子バックアップおよび防御管理、通信管理、システム制御および故障監視、センサー入力データの検査と再構成を担当する。新世代ミッションシステムの多くの重要な特性がCIPに集約されており、共通モジュール、並列処理システム、分散リアルタイムオペレーティングシステムの特性を最大限に活用し、共有コアによるリソース処理を行うことで性能と信頼性を向上させ、機上処理能力の要求および計算能力の急速な発展に対応している。
・広帯域コンフィギュラブルRFチャネルデジタル化技術
航空任務システムは、広い周波数帯域をカバーし、数多くの種類の信号変調方式および信号フォーマット、そして大きく異なる信号レベルを扱う。従来のハードウェア密度の高い通信システムにおける装置は、複雑な相互接続関係、高コスト、アップグレードや移行の困難さ、システム間の相互接続の困難さといった特徴を有している。したがって、ソフトウェア無線およびRFサンプリング技術に依存し、デジタル化を推進してRFフロントエンドの処理チャネルを削減し、後段のデジタル信号処理における機能の再利用性を高めることで、システムの多機能化、広帯域化、多変調方式対応に関する統合上の課題を解決する必要がある。さらに、モジュール化されたハードウェアおよびソフトウェアの適用により、システム設計や新技術の導入が容易になり、その結果、性能の向上とコストおよび時間の削減が実現される。
