船载综合射频开放式体系架构技术研究∗

王首斌 徐 超 王庆生 沈 良

（中国电子科技集团公司第三十六研究所 嘉兴 314033）

1 引言

随着科学技术的发展，舰船需要适应更加复杂的海上电磁环境，并通过射频系统实时掌握瞬息万变的目标态势，实现多链路的指挥通联以及复杂的电子频谱攻防。这对射频设备的种类、数量、功能和指标有了更高的要求。但装备大量孤立的、功能单一的射频设备，不仅给船平台增加了负担，而且影响船体的隐身性设计，甚至引起射频设备间严重的电磁干扰，使设备无法正常工作。为了获得更高水平的功能、性能和互操作性，西方各国首先提出了船载综合射频的概念［1～3］。其目标是利用集成式孔径天线和射频设备进行有效整合，代替原有的孤立天线和设备，实现包括雷达、通信、电子战等多种射频功能的集成，分频段地在有限空间内与船体平台有机地融合，充分利用和发挥船平台、作战系统和射频设备各自的优势，提高整体综合效能。船载综合射频技术已成为提高舰船作战能力和生存能力的重要途径之一，也是目前水面舰船发展的重点研究方向［4～6］。

2 需求分析

为了系统功能的可重构、可扩展，并体现标准化、模块化的特点，系统的总体架构设计要遵循一定的原则，具体而言，在软硬件架构设计时，考虑以下几个方面。

1）系统内外部的协同性

综合射频系统需要研究的不仅是系统构架的演变进化，更为迫切的是突破传统模式下各类设备间的功能独立性，应将提高综合效能为根本出发点，统筹优化系统内部与外部资源配置，设计跨平台的多种功能间的相互协同支持［7］，以期从高层次新角度策划效能增长的新途径。

2）系统体系架构的开放性

系统体系架构强调开放性和功能可重构，系统功能的灵活可扩展，共用并优化硬件资源，根据任务需求调度资源实现多类功能。通过加载不同的功能软件可以实现不同的应用功能，并且通过算法迭代开发，实现对软件的便捷更新，可以升级、重新定义射频资源的应用功能，极大地延续系统的技术生命周期［8］。

3）系统组成模块化和标准化

基于软件无线电技术的多模式、可重构特性，系统软硬件组成应实现模块化和标准化［9］。系统的体系结构，无论在机械结构还是在电气特性、软件调用和数据接口等方面都应该注重模块化和标准化的需求。例如不同的处理平台和承载能力，只影响处理系统的规模，而不会改变系统软硬件体系结构。这种统一的硬件体系结构，为软件和功能的灵活性构建提供了基本支撑。

4）系统功能由软件定义

系统在标准化的软硬件结构支撑下，各项功能在复用硬件资源的条件下，具体实现由软件定义。对射频信号进行数字化，通过软件编程极大地提高了系统的灵活性。通过软件可实现系统的硬件资源灵活调度和控制，以及核心信号处理功能，如宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、调制解调、信道均衡、信令控制等。同时，软件支持后续以加载方式进行更新升级。

3 技术途径

3.1 总体架构

在射频系统架构方面，除孔径集成技术外，需加强系统顶层设计，一体化考虑和设计综合射频系统，采用数字相控阵、宽带T/R组件、高速大容量总线传输、通用化信号处理等新技术，使系统可根据不同的工作模式，对孔径、信道、处理等资源进行分配和重构，以适应系统对不同信号带宽、工作频点、发射功率、接收增益、波束指向等具体要求。此外，充分利用软件无线电技术实现硬件模块化、功能软件化、动态可重构。不同的射频功能在射频部分形成系列化和标准化的天线孔径、宽带T/R组件；在数字部分尤其是信号处理，实现软/硬件解耦合，有统一的信号处理、计算和存储平台，通过不同的软件模块加载来实现不同的射频功能。

为满足综合射频的多功能需求，并且推动其在系统架构上的优化演进，综合集成考虑：1）采用“全向+定向”结合的多功能射频工作模式；2）遵循“模块化射频前端+分布式信号处理+集中式公共计算”、“信号层传输网+信息层传输网”的“三层两网”系统总体架构，如图1所示。

图1 低频段综合射频集成总体架构

综合射频总体架构统筹相关射频装备的技术共性，涵盖雷达、通信、电子战、识别导航等多种功能，其设计原则和技术特点如下。

1）按频段集成共用天线孔径，将射频信道以系列化组件形式集成于天线根部，以提高射频前端通用性，减少舱内机柜数量；相控阵面采用数字波束形成、子阵功能重构、天线极化和发射功率控制等技术，使收/发高效且灵活可配置。

2）以分布式的网络架构，通过高速大容量光纤总线，将射频前端与数字处理相分离，射频部分更靠近天线前端，光纤替换传统射频电缆，减小射频信号传输衰减；射频信号实现数字分发，无需射频/中频交换网络，系统配置灵活，裁剪或扩展便捷。

3）通用化嵌入式信号处理平台采用软件无线电的开放式体系架构，以统一硬件平台实现，软件按标准规范加载，动态可重构，实现软硬件解耦合，支持第三方开发移植，支持将来先进功能的便捷升级。

4）系统具备高速数字接口，与上级系统进行高效的指控和数据交互，当工作模式变化时，系统可快速资源分配、重构以适应需求；具备时统、导航接口，可接入高精度时空基准，支持跨平台的功能协同。

3.2 软件架构

基于全舰公共计算设计思想构建系统的软件架构［10］，将系统软件的共性部分设计为一个集成框架，把系统内有关的各种处理算法、应用服务设计为组件，组件在框架基础上进行组合以实现多种功能。因而将软件架构从顶层划分为两个层次：软件平台层和应用软件层，如图2所示。

图2 软件架构的分层模型

软件平台层主要实现系统软件框架，主要包括：操作系统、核心框架、分布处理中间件和逻辑软件总线。操作系统主要实现本地系统引导、设备驱动、内存管理、进程管理、任务实时调度等功能。核心框架主要统筹管理所有组件，并约定统一的集成方式和接口规范。分布处理中间件实现各类操作系统和应用组件之间的消息通信和资源共享。逻辑软件总线则负责各组件、中间和核心框架间数据交互方式和格式的标准规范。所有功能组件都建立在统一的逻辑软件总线上，确保了功能组件在实现上与具体硬件以及操作系统解耦合，从而确保功能组件可以在不同平台的硬件和操作系统平台上移植、重组。

应用软件层包括所有功能和算法相关的软件。采用组件化的设计模式，可将外部射频硬件、软件算法等均按对象化表示，最终以组件形式集成组合实现多类射频功能，如图3所示。应用功能组件分成以下几类：1）适配器组件：对应到非纯软件的组件上，用于以组件接口方式来实现对硬件的控制和访问；2）信号处理组件：用于完成信号处理的算法集；3）信息处理组件：用于完成信息处理，其输入来自于信号处理的结果，输出是经过加工和整理后的结果，如信息融合、指控处理等；4）人机界面组件：用于显示和控制各类射频功能，需要与操作员进行交互。

图3 组件化的设计模式

3.3 基础保障

基于以上提出的系统架构，可以实现系统的开放性、标准化和软件定义，但是对于系统内外部的协同性实现，仍然需要考虑系统的基础保障，主要包括三个方面：时空基准、通信链路和信息融合［11］。

1）时空基准

综合射频系统内部，编队级射频系统之间的所有协同工作、信息融合均需要高精准的时空基准，这是一个极其基础的保障条件。具体包括：高精度时统设备、北斗自定位设备、罗盘航向测量设备、惯导姿态测量设备等。随着卫星导航技术的发展，时统自定位精度将可达1m量级，对于运动平台位置更新率达10Hz以上；秒脉冲到达设备使用端精度达到10ns量级。在高精度的时空基准接入下，射频设备在信号数模采集时便可标注精确的时间和空间信息，这是后续数据融合和功能协同的必要前提。

2）通信链路

跨平台的协同工作和信息共享，需要实时强、传输宽带大的通信链路支撑。这个通信链路应具备较高的通联能力和网络稳定性，通信基本功能由底层作封装，对于操作员而言，不需要关心底层的通信连接控制与网络维护，只需要进行应用层的实际使用操作即可。面向将来，需构建可面向编队多平台射频协同服务的海上栅格网，支持平台随遇接入、信息自动路由、业务综合承载、传输安全保密和资源综合管控，满足海上各节点数据信息的传输共享。

3）信息融合

船平台需要融合所有射频设备的态势信息，包括来自有源/无源探测、敌我识别、导航等多种信息数据；并且在编队协同情况下，需接入空/天/岸等信息来源进行态势信息的更高级融合，并将融合后的态势情报共享给综合射频系统。这类海上精确态势将是射频系统十分必要和有效的先验信息，待系统工作过程中再实时动态调整该态势信息，依次逐级往上动态迭代更新，确保信息融合的实时性和准确性。属于信息融合JDL模型中的第4级“过程优化”，即通过信息反馈，训练信息融合过程和参数，以提高实时性和准确性［12～13］。

4 技术优势

系统架构以软件无线电技术为核心，实现射频数字化、硬件通用化、功能软件化、软件构件化和计算公共化等设计思想，并表现出以下技术优势。

1）从传统的硬件为核心走向软件为核心

系统体系架构中硬件是通用和标准的（传统体系架构硬件是专用的），其功能完全由加载的软件来实现。因此，这种体系结构不仅能在统一的硬件平台上通过软件实现不同的应用功能，而且通过软件升级和更新可以应对不断变化的使用需求和新的信号环境，不断提高设备的技术特性，延长系统的全寿命周期，充分体现了数字化可重构开放式体系架构的柔性化特征。

2）从传统的任务单机为基础转变为通用模块为基础

系统体系架构中以射频收发和通用信号处理模块为关键部件，而且这些模块的外部机械接口和电气接口完全标准化、通用化，为综合射频装备实现货架式产品研制与规模化生产奠定了坚实的基础，不仅能有效提高装备质量降低开发成本，也为设备使用和维护保障带来极大便利。

3）可扩展或裁剪的系统灵活性明显提高

系统体系结构采用了以通用化模块为核心，以标准接口和标准总线为基础的设计思想，不仅能很好地适应不同规模的装备需求，而且只需增加相应频段的射频前端就能实现频段扩展，只需添加信号处理模块就能提升收发处理能力。所以，该体系结构充分体现了可发展演进的设计思想。

4）同时应对多目标和多任务的能力增强

系统体系结构组成的射频模块和信号处理模块都是通用的、标准的，从而可以实现资源共享。这样通过资源的合理调配就可以灵活应对多个威胁目标或执行多个复杂任务。

5 结语

船载综合射频系统发展受到越来越多的关注，本文在分析系统需求的基础上，提出了一种基于软件无线电为核心的开放式体系架构，可为射频系统发展提供参考。后续需要针对具体射频功能，对系统架构进行进一步的完善，尤其是在资源管理调度、电磁兼容管控等方面。