美军模块化开放式射频架构探究

张培琴，陈增辉，董兆林

（西安电子工程研究所，西安 710100）

0 引言

随着武器装备向信息化、网络化、智能化的方向快速发展，多功能射频装备对作战人员越来越重要，尤其是在通信、电子战（EW）、情报和任务指挥系统方面。为更好应对各种突发情况，迫切需要增强作战人员的快速反应能力。如果依然采用传统方式满足这种需求，即不同功能分别独立设计，会给平台集成带来巨大挑战。另外，对陆战装备而言，车上各种设备互联复杂，车载传感器、计算平台和接口越来越多，会对系统升级改进的成本和周期带来挑战。

美军提出了模块化开放式射频架构（MORA），通过定义针对多功能任务的开放式架构来解决诸多挑战。基于该架构，可对多种射频功能进行硬件和功能分解，最大程度降低模块化带来的复杂性和成本。通过跨系统共享功率放大器和天线等硬件，大大降低了尺寸、重量和功率（SWaP）。此外，通过将信号调谐与实际的无线电应用程序处理分开，MORA 还能使以前无法访问的架构节点成为开放式节点，从而方便系统集成商灵活插入第三方功能，解决新技术挑战和需求。

1 当前车载平台射频集成的问题

陆基车载和步兵系统以及小型无人机对多功能射频的要求日益提高，这给SWaP 带来了挑战。图1 所示为集成在军车平台的众多电子系统。这些系统的集成多源于伊拉克和阿富汗冲突的紧急作战需要。这些快速反应能力的成功整合，大大增强了战斗力。但是，这些系统均为独立设计，有各自的电源、收发器、功率放大器、天线、用户接口。尽管它们在部署前都已通过陆军的测试和评估，但在某些情况下还是第一次在战场上一同使用。而且部分功能并不兼容，特别是电子战系统的射频发射会影响通信性能，导致“蓝军射频自相伤害”。

图1 传统“烟囱式”系统在军用车辆上的集成造成SWaP 过大

这些“烟囱式”独立系统的局限性表现在：

1）无法通过快速技术插入应对新威胁，并与商用技术发展保持同步。

2）GPS 接收机、功放、天线、滤波器、用户界面等的并行冗余配置，造成SWaP 过大。

3）射频设备在重叠频段并行工作，导致射频共址干扰。

4）封闭式系统和接口，造成供应商固定，缺乏竞争。

美国国防部提出了采用开放式标准，通过创建并使用模块化开放式射频架构（MORA）规范，来解决射频域的这些问题。以往美军主要关注软件定义无线电（SDR）的开发和完善，目的是提高数字处理和波形应用的可移植性，并未涉及RF 链路。RF链控制（如频率调谐、增益设置、滤波器选择、发射/接收功能）基本局限于特定供应商。为了真正实现动态和多任务RF 链构建，需要对功能配置文件、资源管理/控制以及数据和消息传递进行标准化。而MORA 的主要目的就是为RF 链提供标准化的访问和控制。

2 MORA 概述

为了理解MORA 的概念，需要了解MORA 与美国陆军的VICTORY 架构之间的关系。VICTORY架构全称“C4ISR/EW 互操作性车辆集成”（VICTORY）架构，它定义了一种基于以太网的网络体系，用于实现军用地面车辆上电子系统的集成；还确定了实现传感器和数据共享、管理基础架构和应用程序的配置，模式和健康状况的接口规范，以高服务质量传输数据；同时采用必要的信息安全控制措施，保护系统及其数据。VICTORY 支持射频系统的重要消息传递和管理，包括射频处理链的设置、任务分配和监控，以及小批量处理后数据消息的传输。但是，为了实现大容量信号数据流的传输，以及RF链访问和低延迟控制的标准化，需对VICTORY 进行扩展，MORA 概念的提出正是为了实现该目的。为此，MORA 增加了低时延传输机制、数据流接口、新消息类型、管理以及特定射频应用的功能概念。

MORA 支持实现模块化和灵活的射频系统，能够用相同的物理资源执行多种任务。从根本上讲，MORA 系统由采用双网络拓扑结构的多个MORA设备集成而成。这使得MORA 系统能够利用VICTORY 数据总线（VDB）实现非时敏的功能，并将其扩展以支持时敏功能的单独网络分区，例如可使用低延迟报文控制信令来替代离散信令。

VICTORY 的MORA 扩展将射频任务模块化，这需要增加如下功能：

1）射频设备和应用程序运行监控、资源管理。

2）大容量数字射频信号数据采样的高可靠性、低延迟、高速传输与访问。

3）基于报文的射频链路实时（低延迟）控制，包括天线阵列、射频开关、射频滤波器和增益、变频器、模数转换器、数模转换器、现场可编程门阵列、通用处理器和数字信号处理器。

4）消息在MORA 和VICTORY 组件之间的格式化、编码、数据包、传输和分发。

3 MORA 架构解析

3.1 MORA 总体架构

VICTORY 和MORA 专用组件类型联合定义了一组接口和传输方法，以实现两套系统中的设备的交互。MORA 特有的组件类型包括：低延时交换机、MORA 设备、MORA 信号资源管理器、MORA处理端口和MORA 信号端口管理器，如下页图2 所示。

图2 MORA 专用组件类型

MORA 将单片射频系统分解为3 种不同的设备类型，包括软件定义无线电、射频前端和射频调节与分配设备类型。MORA 低延迟总线（ML2B）支持低延迟、高确定性的消息传递，用于资源控制（作为替代离散信令的一种手段）和数字射频信号数据采样，这可以减少模拟射频电缆的使用。MORA 还支持在单独光纤或同轴电缆上传输模拟射频信号。另外，MORA 架构还配备有一条符合美军标的供电总线（如28 V 直流）负责为架构下的每个设备提供标准平台供电。VICTORY 和MORA 总体架构所包含的功能如图3 所示。

图3 MORA 架构

3.2 MORA 组件类型说明

3.2.1 低延迟交换机

低延迟交换机组件类型主要用于实现MORA低延迟总线（ML2B），该总线为模块化射频信号资源功能组提供传输能力，它由一组符合低延迟交换机组件类型的网络交换机组成。

ML2B 通过引入可寻址总线扩展VICTORY，以实现更大带宽、更低延迟和更准确的传输。ML2B 以极低延迟（端-端延迟为约1 ms）实现更具确定性和可靠性的消息传递。延迟是发送/接收消息的总时间，包括传输、传播和开关延误。ML2B 替代当前射频系统组件之间的点- 点离散信号（例如，晶体管-晶体管逻辑电路）。ML2B 的特定用途包括发送/接收切换、消隐和消息调整。使用可寻址总线而不是点-点信号可提高MORA 体系结构的可扩展性，并使组件可分布于整个平台。ML2B 还可用于数字射频，包括大容量、高速率信号数据的实时控制和传输。

由于ML2B 已在商用产品中无处不在，因此，可使用10 Gb 或更高速以太网（10 GbE）。由于设备“何时”可以发送消息与消息传递需“多长时间”一样重要，因此，不适宜采用调度方法的确定性协议，因为会限制最大消息速率。MORA 通过使用“宽通道”发送非常小的控制消息来实现近乎确定的消息传递，这些控制消息根据服务质量（QoS）策略在网络中获得优先级。目前通过硬连线共享小的二进制字段的离散信号，也可以通过ML2B 上的二进制控制消息来传送，该消息适合用最小以太网帧（即64 Byte）。ML2B 上的信号数据消息可以使用较大的数据包，如大型帧（即9 000 Byte），以提高协议效率。高吞吐量和机制的结合降低了发生缓冲延迟的可能性。多数商用交换机都能以线路速率切换，可进一步降低发生缓冲延迟的概率，避免网络争用到/来自同一设备流量的可能性。

3.2.2 MORA 信号端口管理器

MORA 信号端口管理器组件类型的接口支持射频信令、数据和流控制交互，它们通常在ML2B（而不是在VICTORY 数据总线）上传输。其数据接口交换编码为MORA 数据报文的射频数据，而非VICTORY 数据报文。与多数VICTORY 组件类型使用的命令响应网络接口不同，其管理交互也被编码为MORA 数据报文，并以与数据消息相同的传输方式交叉传输。MORA 数据报文遵循二进制编码格式，旨在优化射频采样流和小数据结构的传输。MORA 信号端口管理器组件可直接控制所有信号端口和RF 组件，执行来自MORA 设备、MORA 信号资源或MORA 信号端口管理器客户端的配置、调整和命令。

MORA 信号端口管理器不遵循其他VICTORY组件类型上的传输、数据和管理界面的通用模式，并且不能通过常用数据和管理界面直接在VICTORY 数据总线上进行访问。

3.2.3 MORA 设备

MORA 设备组件类型提供信号资源和/或处理资源以支持射频接收和/或传输应用。这种组件允许系统设计人员在平台范围内构建最能满足射频任务需求的设备系统，同时保持对资源的标准化访问和控制，以确保灵活性。

MORA 将单片射频系统分解为3 种设备类型，即软件定义无线电、射频前端和射频调节与分配设备类型。它们的差异仅在于信号和处理资源的组合方式，从体系架构看是相同的。MORA 设备通常通过设备内部介质与VICTORY 数据总线和信号端口管理器相连，以实现设备级命令/控制。

MORA 设备组件类型的实例通常具有一个或多个VICTORY 数据总线接口，以及零/多个MORA低延迟总线接口。每个MORA 设备实例实现一个MORA 信号资源管理器、零/一个MORA 信号端口管理器以及零/多个处理资源。

3.2.4 MORA 信号资源管理器

MORA 信号资源管理器具有用于描述信号资源功能的VICTORY 数据总线接口，这些功能包括信号域转换、射频调节与射频分配功能。此外还提供用于信号端口预留和可用端口发现的接口，以实现实时控制以及与VICTORY 数据总线的数据连接。

3.2.5 MORA 处理端口

MORA 处理端口旨在定义支持射频处理能力与VICTORY 数据总线之间的系统级接口，以使VICTORY 的其他授权实体可以访问相关系统级信息，包括对作战具有重要价值的态势感知信息。MORA 架构定义了两种组件类型：测向引擎（DFE）和射频频谱传感器。

射频测向引擎组件类型具有侦听和探测感兴趣射频信号并确定信号入射角的功能。通过分析多个不同天线的相移，来确定感兴趣射频信号的方向线（LOB）。射频测向引擎接收来自数字接收信号端口的多通道数据，并根据已知天线的相对间距计算信号方向。

射频测向引擎组件类型具有管理接口，可以通过VICTORY 数据总线接口对其进行任务分配。由管理接口实施特定任务设置，如所需模式（调准测向或扫描测向）、信号方位类型（2D 或3D）、定时、持续时间、重复次数、重复间隔、频率、带宽和门限。信号方向信息通过VICTORY 数据总线上的数据接口发送至客户端。该数据接口包括特定任务的响应，如方位向和置信度、俯仰向和置信度（对于3D 类型）、信号强度和位置（LOB 矢量的起点）。

射频频谱传感器组件类型是射频处理资源的一个实例，通过对来自数字接收信号端口的正交信号（IQ 数据）应用快速傅里叶变换（FFT），得到并输出射频频谱信息，如接收功率与频率间隔。射频频谱传感器处理端口根据相关数字IQ 数据流的前后信息，确定输入原始信号数据的详细信息，如天线基准、频率、带宽、格式和采样率。射频频谱传感器信息还可能包括用于计算相对于频率的平均功率、峰值功率和最低功率的采样数量。

3.3 MORA 功能分解

为了建立针对访问和控制的标准化可复用规范，需对射频任务进行功能分解。根据功能对接口（而非特定硬件）进行标准化，这样就可以采用相同的方式对不同功能进行管理，而无需考虑其具体实现场景。射频信号的接收和发射通道的能力被自然分解转化为一些共用功能。下页图4 所示为接收（Rx）和发射（Tx）链路的MORA 功能的理论分解图。

图4 MORA 功能透视图

典型接收链路开始于天线，天线接收辐射的射频能量并将其转化为可传导的射频能量。对信号调节（经过低噪放和滤波器）和分配后，进行频率变换（调谐或下变频）和信号域转换（模数转换）。这些功能可分布于通过一系列信号端口连接的多个硬件装置（MORA 设备）中。信号域转换功能可将数字信号采样在时域/频域传输到处理资源。

信号资源与处理资源共同作用，将信号数据转化为信号信息。处理资源可根据任务需要从信号资源获取信号数据，将其转化为信号信息（如频谱感知、信号探测、信号特性和解调）。多个信号处理功能通常并行工作，也可以通过一系列处理资源串联运行。信号处理功能通常都由FPGA、数字信号处理器和/或通用处理器执行。

经过处理的接收信息流通过应用程序资源进行积累，形成知识。知识的类型取决于特定任务，如通信任务、电子战任务等具体应用。生成的处理结果可通过应用程序端口发布于人机接口，平台上的其他应用程序也可获取处理结果，并存储于战场/指挥任务资源。

发射链的功能分解与接收链顺序相反，由应用程序资源发起，在处理资源中执行（如波形响应和波形产生）。生成的数字信号随后会转换为模拟信号（数模转换器），变换成最终的频率（上变频）；进行必要的分配和调节后，由适合的天线辐射出去。

MORA 信号资源可分为5 类：天线、RF 调节、RF 分配、RF 频率变换、信号域转换。

1）线信号资源：用于捕获或辐射电磁波，实现接收和/或发射。天线资源的属性包括阵列类型、阵列视场、组件类型、频率范围、增益、极化、波束宽度（方位和俯仰）和设备位置。

2）RF 调节信号资源：用于RF 信号调节，实现接收和/或发射。其实例包括低噪放、滤波器（低通、高通、带通或带阻滤波器）、高功率放大器。其属性包括：增益类型（手动或自动）和范围；滤波器的配置（可选或可调）、类型（带通、带阻）和频率范围。

3）RF 分配信号资源：用于RF 信号分配，实现接收和/或发射。其实例包括功分器、功率合成器和射频开关。其属性包括开关状态和状态连接。

4）RF 转换信号资源：用于RF 信号的频率变换，实现接收和/或发射。在模拟域的实例包括混频器、本振、射频调谐器、上变频器和下变频器；属性包括射频/中频调谐范围、带宽、分辨率和调谐速度。在数字域的实例包括数字下变频器和数字上变频器。

5）信号域转换信号资源：用于RF 信号的模拟域/数字域转换，实现接收和/或发射。其实例包括模数转换器和数模转换器。属性包括采样格式（实/复同相分量和正交分量）、采样大小（比特数）、采样速率和缓存器容量。

3.4 实现方法分析

通过分析MORA 架构及其组成，对该框架的实现作出以下几方面推测：

1）分解。将集成到平台上的RF 系统最终分解为功能和接口已经定义组件类型。

2）分布式配置。根据分解后的组件类型，为其设置更合理的位置。如将功率放大器等对散热要求更高的组件放置在散热和空气流通条件更好的位置（如平台外部）；功率放大器将更靠近天线放置，最大程度缩短高功率RF 电缆的长度，降低功耗，提高整个系统的效率和性能；平台内部的敏感组件之间只传输低功率RF 信号，便于布线和系统安装。

3）通过射频分集等技术，有效控制两个或更多天线同时发射相同信号，降低干扰。

4）采用软件无线电技术，将特定功能（即无线电应用）与运行该功能的硬件分开，直接由软件根据任务对硬件进行动态配置与调度。

5）利用MORA 定义的各种标准化接口，通过统一的人机接口，实现对RF 系统和其他软硬件的全面管理。

6）持续完善相关标准，进一步提高硬件的通用性和延续性，为新老装备的持续快速更新和维修保障起到推动作用，实现降本增效。

4 结论

军用地面车辆是一种复杂的系统之系统，涉及指挥、控制、通讯、计算机、情报、监视和侦查/电子战（C4ISR/EW），以及车载平台组件。MORA 通过添加低延迟传输机制、数据接口、新报文类型、管理操作以及针对射频应用的功能概念，扩展了VICTORY的范围，可提高射频系统的模块化和快速插入灵活性，避免冗余设计和配置，能够用共享的物理资源执行多种任务。