電磁頻譜是戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域中爭(zhēng)議越來(lái)越大的話題。 電子對(duì)抗措施日益復(fù)雜，探測(cè)第五代戰(zhàn)斗機(jī)變得更加困難，大多數(shù)世界主要大國(guó)正大力投資到網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)技術(shù)，以便未來(lái)成為這一領(lǐng)域的主導(dǎo)者。 此外，隨著蜂窩電話供應(yīng)商開(kāi)始推出5G，汽車(chē)制造商推動(dòng)V2X通信，以及物聯(lián)網(wǎng)將無(wú)線連接推向無(wú)數(shù)設(shè)備，頻譜的商業(yè)用途呈指數(shù)級(jí)擴(kuò)展。

這種演變?yōu)樵O(shè)計(jì)和測(cè)試情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）系統(tǒng)的科學(xué)家和工程師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。但這些挑戰(zhàn)也為創(chuàng)新提供了機(jī)會(huì)，因?yàn)檫@要求工程師使用更具成本效益和時(shí)間效益的方法開(kāi)發(fā)日益復(fù)雜的系統(tǒng)。

然而，支持這些復(fù)雜系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)也在不斷發(fā)展來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。作為雷達(dá)設(shè)計(jì)和測(cè)試儀器和設(shè)備的廠商，NI認(rèn)為以下四大創(chuàng)新將在未來(lái)幾年內(nèi)對(duì)雷達(dá)技術(shù)產(chǎn)生最大的影響。

1. 氮化鎵應(yīng)用于前端組件

氮化鎵（GaN）被認(rèn)為是自硅以來(lái)影響最大的半導(dǎo)體創(chuàng)新產(chǎn)品，該材料能夠在比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料高得多的電壓下工作。更高的電壓意味著更高的效率，因此基于GaN的RF功率放大器和衰減器具有更低的功耗，且產(chǎn)生熱量更少。隨著越來(lái)越多使用GaN的RF元件供應(yīng)商為市場(chǎng)提供適用于生產(chǎn)的可靠產(chǎn)品，基于GaN的放大器日益普及。

該技術(shù)對(duì)于有源電子掃描陣列（AESA）雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展非常重要。AESA是完全有源的陣列，包含數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)天線，每個(gè)天線都有其相位和增益控制。這些雷達(dá)系統(tǒng)使用相控陣發(fā)射器和接收器，以電子方式操縱波束而無(wú)需物理移動(dòng)天線。與其他傳統(tǒng)雷達(dá)相比，這些類(lèi)型的雷達(dá)系統(tǒng)因其更高的目標(biāo)功率、空間分辨率和魯棒性而日益普及。例如，如果陣列中的某個(gè)元件發(fā)生故障，雷達(dá)仍可以繼續(xù)工作。GaN放大器在AESA雷達(dá)中的應(yīng)用日益增加，提供了更好的性能，可在更小的外形尺寸和更低的冷卻需求下實(shí)現(xiàn)相同的輸出功率。

1. AESA雷達(dá)架構(gòu)

隨著基于GaN技術(shù)的應(yīng)用和解決方案變得更加先進(jìn)，將組件級(jí)測(cè)試結(jié)果與系統(tǒng)級(jí)測(cè)試結(jié)果相關(guān)聯(lián)變得更加重要。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的傳統(tǒng)元件測(cè)試方法可提供正向和反射增益和相位的精確窄帶視圖。然而，這種傳統(tǒng)方法中的連續(xù)波（CW）激勵(lì)并不能準(zhǔn)確反映元件最終使用的實(shí)際信號(hào)環(huán)境。作為替代方案，您可以利用矢量信號(hào)分析儀和矢量信號(hào)發(fā)生器的寬帶靈活性來(lái)創(chuàng)建更能代表真實(shí)世界的應(yīng)用及其環(huán)境的脈沖和調(diào)制激勵(lì)信號(hào)。此功能與S參數(shù)分析的組合已經(jīng)成為越來(lái)越具有戰(zhàn)略意義的組件級(jí)測(cè)試方法。

2. 高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器用于信號(hào)收發(fā)

轉(zhuǎn)換器技術(shù)每年都在不斷進(jìn)步。現(xiàn)在在同等分辨率下，來(lái)自主要半導(dǎo)體公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的采樣率比五年前的轉(zhuǎn)換器要快好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這些高速ADC的分辨率提高也為雷達(dá)提供了更高的動(dòng)態(tài)范圍和更寬的瞬時(shí)帶寬。動(dòng)態(tài)范圍是決定最大工作范圍的關(guān)鍵要素;例如，它使第五代戰(zhàn)斗機(jī)（如F-35）能夠識(shí)別更遠(yuǎn)的目標(biāo)。更高瞬時(shí)帶寬提供了諸多好處，包括通過(guò)脈沖壓縮增加空間分辨率以及實(shí)現(xiàn)低截獲概率（LPI）雷達(dá)等高級(jí)技術(shù)。更高帶寬帶來(lái)的另一個(gè)趨勢(shì)是傳感器融合。使用傳感器融合技術(shù)，您可以對(duì)單個(gè)信號(hào)鏈進(jìn)行多個(gè)功能操作。例如，通過(guò)將多個(gè)頻段上不同類(lèi)型的波形分離開(kāi)，寬帶傳感器可以同時(shí)用作為通信系統(tǒng)和雷達(dá)。

此外，許多半導(dǎo)體公司正在發(fā)布稱(chēng)為“直接RF采樣轉(zhuǎn)換器”的ADC和DAC，例如TI ADC12DJ3200，能夠以高達(dá)6.4 GS/s的速率采集數(shù)據(jù)。RF采樣轉(zhuǎn)換器此采樣率下具有12位分辨率，可以直接將RF輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為C頻段，而無(wú)需上變頻或下變頻。隨著轉(zhuǎn)換器的不斷發(fā)展，未來(lái)的雷達(dá)將受益于C和X頻段的直接RF采樣。

圖2.外差與直接射頻采樣架構(gòu)

直接RF采樣架構(gòu)將徹底改變AESA雷達(dá)。在完全有源陣列中，每個(gè)天線元件都需要自己的ADC和DAC。這意味著如果ADC和DAC無(wú)法直接以雷達(dá)的工作頻率進(jìn)行采樣，則每個(gè)發(fā)送 - 接收模塊（TRM）需要有一級(jí)進(jìn)行上/下變頻。這會(huì)增加設(shè)計(jì)成本、尺寸和性能變化。而使用直接RF采樣架構(gòu)，就無(wú)需再使用混頻器和本地振蕩器（LO），從而簡(jiǎn)化了RF前端架構(gòu)，降低成本、尺寸和復(fù)雜性。基于如此大量的發(fā)射器和接收器，直接RF采樣架構(gòu)將可以顯著提高通道密度并降低每個(gè)通道的成本。

由于采用模塊化儀器方法，NI可以在最新轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于商用儀器之前，迅速將其推向市場(chǎng)。例如，NI最新的FlexRIO收發(fā)器采用直接RF采樣轉(zhuǎn)換器，采樣率最高可達(dá)6.4 GS/s。這有助于研究人員和工程師使用真實(shí)的I/O快速進(jìn)行原型驗(yàn)證，并開(kāi)發(fā)出與當(dāng)今雷達(dá)的尖端性能相匹配的測(cè)試平臺(tái)。這些設(shè)備還能夠利用PXI的高級(jí)時(shí)序和同步背板，在單個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)十個(gè)到數(shù)百個(gè)通道的相位一致性。

3. 不斷發(fā)展的FPGA技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)知技術(shù)
FPGA技術(shù)也在不斷發(fā)展。現(xiàn)代FPGA包含更多邏輯，提供更高的每瓦計(jì)算能力，并支持高達(dá)150 Gb/s的高速數(shù)據(jù)流和專(zhuān)用IP模塊。當(dāng)今的高FPGA計(jì)算能力為五年前根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新技術(shù)打開(kāi)了大門(mén)。

基于新FPGA技術(shù)的一個(gè)創(chuàng)新領(lǐng)域是機(jī)器學(xué)習(xí)在認(rèn)知雷達(dá)中的應(yīng)用。這些技術(shù)提高了雷達(dá)對(duì)環(huán)境的響應(yīng)能力，從而提供更具可操作性的信息。機(jī)器學(xué)習(xí)并不是運(yùn)行預(yù)編程的模式（比如搜索模式、跟蹤模式等），而是允許雷達(dá)自動(dòng)適應(yīng)最佳工作參數(shù)，包括工作頻率和波形類(lèi)型。機(jī)器學(xué)習(xí)還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（ATR）等功能以及基于知識(shí)輔助的操作。

圖3.部署在認(rèn)知雷達(dá)的FPGA上的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)

雖然國(guó)防和航空航天組織多年來(lái)一直在使用FPGA技術(shù)，但我們所看到的另一個(gè)發(fā)展是更高級(jí)FPGA設(shè)計(jì)工具的進(jìn)步。更高級(jí)別的工具可以簡(jiǎn)化算法從主機(jī)到FPGA的遷移，從而提高開(kāi)發(fā)效率，同時(shí)在設(shè)計(jì)中集成底層HDL。對(duì)于LabVIEW FPGA，您還可以通過(guò)板卡基礎(chǔ)設(shè)施（PCI Express、JESD204B、內(nèi)存控制器和時(shí)鐘等）的抽象來(lái)實(shí)現(xiàn)緊密的NI硬件軟件集成。這可以將FPGA開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)從板卡支持轉(zhuǎn)向算法設(shè)計(jì)，從而在不犧牲性能的情況下減少開(kāi)發(fā)工作量。即使是不具備VHDL或Verilog專(zhuān)業(yè)知識(shí)的軟件工程師和科學(xué)家，或者面臨緊迫時(shí)間進(jìn)度的硬件工程師，更抽象的FPGA工具都可以幫助大幅縮短開(kāi)發(fā)周期。

4. 高帶寬數(shù)據(jù)總線應(yīng)用于傳感器融合
另一個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)是在將高帶寬傳感器數(shù)據(jù)傳輸回集中處理器進(jìn)行計(jì)算時(shí)，PCI Express Gen 3,40/100 GbE、光纖通道和Xilinx Aurora等高帶寬數(shù)據(jù)總線的重要性日益凸顯。例如，F(xiàn)-35的集成核心處理器集合來(lái)自多個(gè)ISR傳感器的數(shù)據(jù)，以便對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理。這有助于提高飛行員的情境感知能力。這一趨勢(shì)的核心是高速串行收發(fā)器技術(shù)（也稱(chēng)為多千兆位收發(fā)器或MGT）的發(fā)展。近年來(lái)，該技術(shù)發(fā)展迅速，目前的線路速率達(dá)到每通道32 Gbps; 56 Gbps PAM4即將問(wèn)世。FPGA通常被認(rèn)為是處理資源，但它們也包含一些最復(fù)雜的MGT，這使它們成為傳感器開(kāi)發(fā)的理想終端。

圖4.聚合來(lái)自多個(gè)ISR傳感器的數(shù)據(jù)，以便使用高速數(shù)據(jù)總線進(jìn)行集中處理

使用模塊化儀器的優(yōu)勢(shì)在于，隨著處理能力和帶寬的迅速增加，系統(tǒng)可以更容易地升級(jí)。PXI平臺(tái)特別適用于需要高帶寬數(shù)據(jù)流和集成定時(shí)和同步的系統(tǒng)。

5. 借助模塊化的COTS儀器，將所有功能結(jié)合在一起

隨著這些基礎(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)和架構(gòu)的復(fù)雜性和性能都在不斷提高。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)必須不斷發(fā)展以跟上步伐。實(shí)現(xiàn)所需定制和性能的唯一可行選擇似乎是讓內(nèi)部設(shè)計(jì)人才基于內(nèi)部知識(shí)，在公司內(nèi)部為雷達(dá)原型和測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完全定制的硬件和軟件。但是，這些解決方案還伴隨有長(zhǎng)期維護(hù)責(zé)任和高機(jī)會(huì)成本。

隨著FPGA的出現(xiàn)以及模塊化新型轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)流技術(shù)的快速采用，COTS解決方案不僅可以滿(mǎn)足規(guī)范要求，還可以提供靈活性，確保系統(tǒng)具備長(zhǎng)壽命周期所需的耐用性。通過(guò)將這些技術(shù)快速整合到模塊化的COTS設(shè)備中，NI可幫助工程師輕松滿(mǎn)足先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)不斷變化的要求，同時(shí)滿(mǎn)足嚴(yán)格的時(shí)間表和預(yù)算。

編輯：黃飛

?