軟體定義無線電在軍事方面的應用

2021-01-07 電子發燒友
軟體定義無線電在軍事方面的應用

佚名 發表於 2017-11-21 18:42:02

無論是對於戰場上的士兵，還是命令控制中心的決策者，安全實時準確的信息對於任何軍事行動、促進策略和戰術決策都是至關重要的。

先進的無線通信技術網絡由許多複雜的射頻(RF)和信號處理技術交織而成，所有這些技術密切協作，形成可靠的通信網絡，用戶只需輕觸按鈕就能傳輸信息。

在軍用通信歷史中，湧現了大量不同且不兼容的無線電，在這些領域，工作小組可能需要不同的裝置，以用於機載鏈路、衛星通信、中繼基站、緊急發射器以及特定應用目的(如無人機操作)。其中每一個無線電鏈路都起著生死攸關的作用，漏掉其中一個會使工作小組處於不利境地。然而，無線電在尺寸、重量和備用電池等方面都需要考慮成本。隨著各種新要求和新鏈路的加入，問題變得更加複雜。

需要一款通用型全雙工無線電模塊，可以用於所有平臺，並能在現場進行動態重配置。這將減少負擔，帶來靈活性和通用性，提高效率，用一組電池可以工作更長時間，從而形成巨大的尺寸、重量和功耗(SWaP)優勢。

然而，把這種通用無線電概念變成現實卻比預期要困難得多，而且提供合適的模擬前端(AFE) 也非常困難。直到最近，面向這類多功能無線電的實用模擬前端還需要一個重疊並行通道陣列，每個通道旨在覆蓋射頻頻譜的一個特定頻段，其帶寬與目標信號格式相匹配。這種方法在最終印刷電路板佔用空間、重量、功耗方面的代價非常高。

軟體定義解決方案

軟體定義無線電(SDR)可以適應各種物理層格式和協議，並可通過處理器上運行的軟體加密數據並進行模數轉換，對於軍事要求堪稱完美。用戶可以動態控制頻率、調製、帶寬、加密功能和波形要求。

SDR還可以將新波形和功能靈活整合到系統中，無需升級或替換硬體組件。士兵可以使用這些SDR進行數據訪問並與命令中心進行通信，另外還可使用這些SDR創建廣域傳感器/網格網絡以實現位置檢測和戰鬥士兵之間的通信。

SDR中最重要的組件是收發器，它需要具有可通過軟體快速調整的極寬RF範圍。另外還需要支持頻分復用(FDD)和時分復用(TDD)，同時需具有高水平範圍和可靠性，即使在噪聲條件下亦是如此。與此同時，此設備應該可以在較低功率下運行，使士兵電池組消耗最小。

一種高度集成的混合信號RF IC使寬帶SDR設計更小、更輕、耗電更少。但是真正的挑戰是SDR中AFE的超高帶寬特性;將需要很多頻譜特定前端，每個前端對於設計和評估都是一種挑戰。此外，最終產品將不符合SwaP方面的要求。

組件要求

具有支持雙獨立收發器通道的新一代寬帶可編程前端收發器，包括ADI公司的AD9361 RF捷變收發器。這些器件可應對SDR的挑戰。

系統處理器可以動態重新配置關鍵參數(如帶寬和RF頻率)，以適應應用需求，從而帶來最佳結果。此外，它可以處理快速增長的多輸入、多輸出(MIMO)頻段以及不需要MIMO的那些應用。

這款10 x 10mm的晶片級器件具有200kHz至56MHz的用戶可調帶寬範圍，以及構建70MHz到6GHz信號鏈所需的其他特性和性能。利用這款2 × 2直接變頻組件，可以將整個模擬前端簡化成一個相對簡單的電路。它通過一個LVDS或CMOS埠與主機處理器連接，以提升速度、簡化操作。該設備集成了12位ADC和DAC、小數N分頻頻率合成器、數字和模擬濾波器、自動增益控制(AGC)、發射功率監控、正交校正和其他關鍵功能。

接收器噪聲係數也小於2.5dB，發送器的誤差矢量幅值(EVM)優於-40Db，且發送器噪底低於-157dBm/Hz。對於發射和接收路徑，本振步長為2.5Hz，可實現精密調諧。即使所有功能均集成到器件中，一般功耗僅1W左右。

系統設計

像靈活的寬帶軟體定義無線電一樣的複雜設計涉及大量的電路設計工作，以及算法開發工作和一些權衡，因此，AD9361有一種配套的參考設計，專門針對Xilinx FPGA應用而優化。

該板可通過軟體完全自定義，同時無需改變任何硬體，提供針對各種MIMO配置的額外選項。ADI公司還與MathWorks公司合作，將AD9361和AD9361濾波器設計嚮導整合到其設計和仿真工具中。Mathworks公司還將該設備列入其SimRF庫中，允許在無線系統設計中仿真其性能。

由於這款靈活的小型高性能IC取代了大量分立式電路，所以表面看起來，對此類分立式設計的需求已經不復存在。但事實不一定是這樣的，因為針對軟體定義無線電頻率範圍的特定頻段、格式和帶寬的收發器信號鏈設計，如果設計精良、經仔細調試而且布局合理，其在該特定應用中的性能有可能超過AD9631 IC，雖然其體積較大。

無論系統工程師是願意用ADI FMC平臺，還是使用已上市的軟體定義無線電平臺，來開展軟體定義無線電的設計和開發工作，使用AD9361而取得的整體產品封裝和性能都將帶來巨大的領先優勢。

這款IC已經發布並被設計到兩款現有開放市場SDR產品中：即Ettus Research的通用軟體無線電外設(USRP)和Epiq Solutions的Maveriq多通道可重配置射頻收發器。

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