新一代军用通信系统挑战

自越南战争以来,军用通信(MILCOM)一直是士兵装备部署的支柱。虽然数十年来,这些装备的功能和安全性均已通过实践验证,但新一代MILCOM平台将需要利用更多现代通信技术,这些技术开发用于支持手机和Wi-Fi等商用平台。MILCOM系统通常是具有按键通话(PTT)按钮的手持式装备(对讲机),用户可在需要传递语音消息时按下按键。当PTT按键未按下时,可从另一个对讲机接收传入的语音消息。两个无线电之间传递的语音消息在两名士兵之间以无线方式调制、加密、放大和传输。这些MILCOM对讲机与商用手机或通信系统之间存在许多差异,表1仅列出少数一部分。

集成模拟、数字和软件
特性 传统的 MILCOM 系统 商用系统
带宽 <25 kHz <20 MHz
频率覆盖范围 <500 MHz <6 GHz
跳频 各种不同的捷变 静止频率
发射功率 <5 W 典型值 0.5 W
数据有效载荷 仅语音 语音, SMS, 数据, 位置
调制 FM, AM, MSK QAM, QPSK, DSS

新一代MILCOM平台所面临的挑战,就是维持这些关键差异,同时要缩小军用通信系统与商用通信系统间的一些差距。这些MILCOM平台需要对仅支持语音的系统进行更改,添加数据和文本功能。从而能够将诸如地图、图像和视频之类的数据传递给战场上的士兵。更宽的带宽会带来无线电平台难题,主要与尺寸、重量和功耗(SWaP)相关。MILCOM平台使用的传统射频(RF)信号链需要消耗更多功率才能扩展到更宽的带宽以及数字调制方案,并且还会增加尺寸和重量。对士兵来说,增加通讯装置的尺寸、重量和功耗是不可接受的,他们需要更小巧、功能更强的无线电装置,可在最小电池电量下为长时间任务持续供电。因此,新一代MILCOM平台需要使用新的RF信号链架构。

小尺寸无线电设计的一次革命是集成式RF收发器。集成式收发器通过多种方式实现无线电分区,减小了尺寸和功耗。首先,RF和模拟器件可以 转换到数字域,例如RF滤波器可转变为数字滤波器。这些功能模块的数字实现比相应的RF模块更高效,并且可编程性更强。其次,分立式RF信号链通常为外差架构,需要多层频率转换、滤波、放大和数字采样。集成式收发器可采用零中频(ZIF)架构,大大减少了信号链中所需的元件,特别是所需的滤波和放大级。去除这些级可减小尺寸和功耗。最后,ZIF架构可更有效地利用数字转换器,从而降低宽带系统中的整体功耗。虽然在过去十年里,商用平台能够充分利用ZIF收发器,但是具有MILCOM适用特性的首批产品近几年才上市。可用于MILCOM系统的最新收发器是 ADRV9009(如图1所示)。

图1. ADRV9009功能框图。

ADRV9009是一款CMOS收发器,具有多个MILCOM适用特性。首先,该器件是原生时间双工器件(TDD),这是PTT架构的典型工作方式,与内带两个本地振荡器(LO)的器件相比,可节省功耗。其次,从频率生成和校准两方面来看,集成LO支持收发器中的本地跳频。第三,ADRV9009的可用带宽可在20 MHz和200 MHz之间编程设置,支持一系列宽带宽工作模式。第四,ADRV9009是一个与波形无关的收发器,这意味着它可以提供任何波形的RF至比特流。因此ADRV9009既支持当今可用的各种波形,也支持将来有可能开发的波形。最后,ADRV9009还将多个辅助功能集成到收发器中。自动增益控制(AGC)对于优化接收器动态范围至关重要,ADRV9009具有30 dB范围的内部AGC环路。该器件还集成了温度传感器、控制转换器和通用输出(GPO),节省了无线电系统的空间。

现代化防务通信系统是一项挑战,需要进行一系列跨学科工程技术创新。然而,对于无线电电路的主干来说,集成式收发器在提供单芯片解决方案方面取得了很大进展,这类方案将集成大部分的接收器和发送器信号链,同时保持跳频、AGC和升级支持未来波形的能力。以这类收发器作为无线电的核心构建模块,将有助于实现新一代MILCOM无线电系统。

作者

Wyatt Taylor

Wyatt Taylor

Wyatt Taylor是ADI公司(美国北卡罗来纳州格林斯博罗)的高级射频系统工程师。他主要从事航空航天和防务无线电应用研发工作,具体侧重点是集成式射频收发器、小型微波设计、软件定义无线电(SDR)等。在此之前,Wyatt曾在马里兰州的Thales Communications公司和Digital Receiver Technology公司担任射频设计工程师。Wyatt于2005年和2006年分别获得弗吉尼亚州布莱克斯堡弗吉尼亚理工学院电气工程学士(BSEE)学位和电气工程硕士(MSEE)学位。