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利用软件定义无线电更新老化的雷达系统

2023-06-02 15:15:26 独立技术作家Kaue Morcelles和Per Vices公司首席运营官Brandon Malat 阅读:
软件定义无线电可轻松与遗留系统集成,同时适应新技术以消除军用/航空系统中过时的风险。

雷达设备是最重要的射频应用之一,对航空航天任务、军事行动、船舶和潜艇导航以及道路交通控制和监控有直接影响。这些应用的关键性质,以及延长使用寿命和安全操作的需求,都需要提供极高的精度和可靠的结果,否则整个任务就会受到威胁。对于这些应用,软件定义无线电(SDR)可以为老化的雷达系统提供现代化和服务寿命延长计划(SLEP)解决方案。a9Zednc

不幸的是,电子设备的精度和性能会随着时间的推移而磨损,并且在寿命中期之后维持可靠的雷达运行会变得越来越具有挑战性和昂贵。这个问题会因非静态杂波的增加而恶化,其中包括风电场的存在、强大的电信信号、无人机、鸟类迁徙和密集的空中交通。a9Zednc

此外,雷达行业的技术进步正在迅速超越现有系统的性能——尤其是那些纯粹基于硬件的系统——这可能导致严重的安全漏洞,从而被恶意方利用。由于维护和支持预算会极大地影响和限制使用旧雷达系统时的性能、可靠性和底线操作,因此在为关键雷达应用设计或选择无线电收发器时必须考虑老化效应。a9Zednc

事实上,最常见的攻击之一是通过对接收到的射频信号进行直接干扰来使雷达无效,这种方法称为干扰。因此,无线电收发器中涉及的电子元器件必须处于良好状态。a9Zednc

软件定义无线电背景和架构

从长远来看,基于软件而非硬件的新颖解决方案可以显著缓解上述挑战。在这种情况下,软件定义无线电在现代雷达系统的发展中发挥着重要作用。在深入研究雷达应用及其特殊性之前,让我们先讨论一下SDR的基本概念及其基本架构,以便我们能更好地了解这些器件如何能够改进雷达的设计和长期使用。a9Zednc

首先,SDR与传统无线电收发器完全不同,因为其是在软件领域实现大部分信号处理和通信功能,而不是使用硬件。仅此一项就可以让SDR以一种在基于硬件的系统中几乎不可能实现的方式不断地、远程地完全重新配置、升级和重新利用,而无需任何硬件修改。a9Zednc

为了实现这种灵活性,SDR设计有两个主要功能阶段:无线电前端(RFE)和数字后端,如1所示。无论软件实现如何,都必须有最少数量的模拟硬件用于发送和接收RF信号,这部分就采用RFE实现。a9Zednc

RFE用于执行无线电所需的所有接收和传输功能,包括信号放大、滤波、混合和天线耦合。由此可见,RFE会显著限制SDR的性能,因此高端SDR在实现RFE时通常具有宽调谐范围、大动态范围和无杂散动态范围、低噪声,以及多个同时且相干的信道。a9Zednc

事实上,市场上带宽最高的SDR可以在高达18GHz的频率下运行,并具有16个独立的无线电链,每个无线电链都具有独立的ADC/DAC以与数字后端接口。进而,数字后端负责执行系统的DSP功能,包括调制、解调、上/下变频、数据打包、JESD204B序列化和应用专用算法——包括通信协议、卡尔曼滤波器、快速傅立叶变换、波束成形和跟踪算法。在高性能SDR中,数字后端是使用功能强大的FPGA实现的,因此可通过编程、嵌入式DSP块和多通道并行处理对架构进行完全重新配置。a9Zednc

此外,现代SDR与开源主机软件兼容,包括GNU Radio、自定义C++和Python应用程序,这使得使用现有代码块开发新解决方案变得容易。a9Zednc

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1SDR架构。(图片来源:Per Vicesa9Zednc

软件定义无线电支持渐进式现代化

基于SDR的系统带来的性能优势使其在雷达结构中极为有用,以至于其可逐步取代雷达中的传统无线电系统而不会产生负面影响。由于SDR可以完全重新配置和调整以服务于具有严格要求的特定应用,因此可以轻松地将其集成到遗留系统中而无需进行太多重新设计,这可以解决老化雷达系统中的大部分问题。a9Zednc

使雷达改装成为可能的另一个特点是大多数高端SDR的模块化特性,因此现成的商用SDR可以满足现有装置所需的不同尺寸、重量和功率要求,这不仅能提供紧凑的解决方案,而且还可以以较小的占用空间实现多种RF功能。这种一体式解决方案的方法有助于减少设备总数,从而对设备成本和复杂性产生积极影响。a9Zednc

通过将RF功能和网络接口集中到一个器件中,设计人员可以更好地预测雷达的使用寿命和维护要求,这与传统解决方案的硬件实现来自具有不同生命周期的多家供应商形成了鲜明对比。最后,高性能SDR中的FPGA提供了一种具有极低延迟的并行计算方式,因此信号处理的数字特性不会对雷达的总延迟造成显著干扰,从而可确保数据没有延迟,并且控制单元可在恶劣天气、无人机干扰等非静电杂波情况下迅速行动。a9Zednc

软件定义无线电SLEP提供支持

除了能够更换旧的RF雷达系统以提高性能和消除老化影响之外,SDR还提供了一种用于渐进而持续现代化的框架。首先,数字后端的FPGA可以支持正在开发或未来开发的算法,从而预见新的升级并增加雷达设备面向未来的能力。a9Zednc

例如,英特尔Stratix 10 FPGA的架构可实现高达57.8Gbps的速度,每个区块(tile)最多有24个收发器,因此可实现复杂雷达算法——包括高级无人机检测和跟踪,以及非静态杂波消除——所需的非常高的数据速率。数字后端可实现高级滤波器、调制方案和波束成形算法,以支持对事件进行精确分析并确保更高级别的安全性和保障性。a9Zednc

波束成形是现代雷达中的一项基本技术,可通过将RF波束聚焦到特定点并去除被杂波污染的区域来最大限度地减少非静态杂波的影响。SDR可以显著提高雷达的波束形成能力和信噪比,特别是由于与其对应的硬件方案相比,多输入多输出(MIMO) SDR可提供更高水平的通道间同步、确定性和相位相干性。a9Zednc

此外,FPGA中涉及的低延迟处理支持使用快速误差检测和修复,这就使雷达可以在异常情况下动态自我纠正并远程向主控制器报告误差。最后,由于在早期对数据进行了数字化处理,数据和波形的捕获和存储过程将会毫不费力,并且以后还可将该数据用于指导新雷达设备和技术的建模和设计,同时还提供了行为仿真和波形库的方法。a9Zednc

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2:雷达中的波束成形。(图片来源:Per Vicesa9Zednc

硬件过时是老化雷达系统的主要问题,因为旧硬件跟不上新技术、跟踪方法和检测算法的发展。过时的硬件也会造成环境问题,因为大多数电子元器件必然会在某个时间点被丢弃。a9Zednc

此外,未采用最新安全和防御算法的雷达系统容易受到使用更先进射频系统的部件的恶意攻击。基于软件的技术可以大大减少硬件过时的影响,因为大多数更新和升级都可以通过软件在通用硬件框架上完成。只要软件更新能适当地解决硬件功能,雷达更新起来就可以比传统系统持续更长时间。a9Zednc

此外,高端SDR采用模块化架构设计,可在必要时轻松更换和升级硬件。基于软件的升级对安装在偏远地区的大型雷达来说特别有吸引力,因为软件升级、故障排除、维护、性能分析和控制都可以通过连接到主网络或直接连接到雷达的主机而远程执行,从而使服务成本和停机时间显著降低。最后,来自专业供应商的模块化MIMO SDR中的一体化方法可大大减少研发工作,同时还可确保与现有架构的顺利集成。a9Zednc

总结

雷达是包括军事、航空航天工业和自动驾驶汽车在内的多种关键应用中的关键射频部件。这些系统的主要挑战之一与雷达本身的老化过程有关,进而会在寿命中期之后引起精度和性能显著降低,并会随着行业技术的发展而导致硬件过时。a9Zednc

作为替代方案,SDR可通过其可用的简化集成和支持使雷达系统持续安全运行。软件嵌入的过程减少了灾难性硬件故障的可能性,实现了远程和持续升级,并可通过提供符合未来开发的算法的通用框架来延长使用寿命。a9Zednc

在雷达行业,SDR是一种投资,它能通过减少维护和更换成本、研发费用和服务停机时间来提供长期稳定的回报,同时支持与遗留系统轻松集成和适应新技术,从而消除过时的风险。a9Zednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Software-defined radios update aging radar systems,由Franklin Zhao编译。)a9Zednc

本文为《电子技术设计》2023年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里a9Zednc

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