空中任務システム向け再構成可能RF設計：高帯域幅チャネライゼーションと統合

マイクロエレクトロニクスと広帯域デバイス技術の発展がデジタル化を推進する中、RF統合はより広い帯域幅とともに高いレベルに達し、体積、重量、コストが漸減しています。さらに、システムハードウェア構成と統合構造に革命的な変化が起こり、ハードウェアの汎用化が不可避のトレンドとなっています。空中任務システムの統合と小型化設計により、全システムのアンテナを周波数帯と機能に応じて集約・再構成し、少数のアンテナにまとめることができます。また、アンテナ、アナログ回路、制御回路、デジタル回路、接続ネットワークを総合的に処理することで、広周波数スペクトル、多チャネル、自己適応性を備えたRFトランシーバシステムを構築できます。統合RFの目的は、コスト、重量、体積を削減し、ユーザーがコストを許容可能と見なせるようにしつつ、実用性と信頼性を向上させることです。実験によれば、共同化、モジュール化、リソース共有、テスタビリティ、再構成といった手段により、統合システムのMTBCF（平均致命的故障間隔）を2倍に延伸できることが証明されています。

統合RFの設計分析

ポートの実装面積、重量、スペース、電源供給といった一連の制約により、空中任務システムでは統合設計を適用し、類似機能のリソースを統合・共有しています。その結果、システム機能指標の実現を確保しつつ、軽量化、小型化、低消費電力を実現し、航空機搭載要件との適合を図っています。

1. システム制約の観点から、全センサとトランシーバシステムのアンテナは、軽量化、実装面積、消費電力の面でシステムの大部分を占め、信号放出と知覚を担っています。上記要求を満たすため、統合RFシステム設計を実施する必要があります。
2. システム能力の観点から、軍事要求に応じた迅速なフィードバックには、新機能を短期間・低コストで追加し、システムの迅速なアップグレードと機能拡張を実現するような高い機能柔軟性が求められます。
3. 装置構成改善の観点から、統合設計、デジタル化収集、情報共有の実施が効果的です。
4. プラットフォーム柔軟性の観点から、統合RF設計の適用により、航空キャリアが重量削減と通電により搭載適応性要件を満たせるようになります。さらに、アンテナ数増加による遮蔽、電磁妨害、反射面積増大といった一連の問題を解決できます。

統合RFの属性

プラットフォームの限られたリソースと軍事作戦の要求に適合させるため、空中任務システムでは基本モジュールがシステム全体に寄与するオープン構成を採用しています。統合RF設計はレーダー探知、受動探知、通信/データリンク、IFF（敵味方識別）を組み合わせ、複数スペクトル、多手段、自己適応性を備えた統合電子デバイスを生成します。

統合RFの属性には以下が含まれます：

• オープンRF構造
• デジタル化、モジュール化、汎用化、標準化の完全な具現化
• 堅牢性と耐障害性を備える
• 二次開発能力
• 高信頼性、サポート容易性、拡張性、軽量、低コストなど

統合RF設計の要素

無線受信統合の設計要素

無線受信統合とは、異なる任務システムが共通のRF入力チャネルを共有し、それぞれの信号受信機能を実現するプロセスを指します。受信チャネル機能は、受信アンテナで受信したRF信号を増幅、フィルタリング、周波数変換、デジタル化、信号前処理し、統合コアプロセッサに出力して信号処理とデータ処理を行うことを要求します。信号によっては複数の受信チャネルが必要で、それらを協調動作させ、ネットワークハンドオーバー共有、低雑音増幅、チャネルゲイン、AGC、ダイナミックレンジ、チャネル帯域幅、チャネルバランスなどの性能要求を満たす必要があります。

無線受信統合に関して以下の要素を考慮すべきです：

• 動作周波数
• 受信チャネルの瞬時帯域幅
• 受信信号の瞬時ダイナミックレンジ
• 受信信号の感度
• 全任務が同一チャネルを保持する際の総帯域幅を超える出力帯域幅

RF送信統合の設計要素

RF送信統合は、異なる任務システムが共通のRF出力チャネルを共有し、それぞれの信号送信機能を完了することを駆動します。送信チャネルは対応する信号波形、変調、周波数変換、駆動増幅、電力出力を提供し、アンテナに送信します。その主要性能は信号波形、信号安定性、チャネルゲイン、ダイナミックレンジ、出力電力、出力スペクトル純度にあります。

RF送信統合に関して以下の要素を考慮すべきです：

• 動作周波数
• 送信チャネルの瞬時帯域幅
• 送信信号のSFDR（スプリアスフリーダイナミックレンジ）
• 送信信号の周波数
• 出力信号波形

上記要素は統合RF送信によって確保されるべきです。無線受信統合が同時に信号を受信できるのに対し、同時送信ではいくつかの問題が残っており、特に帯域幅波形で顕著です。鍵となる問題は、多源共通送信が電力増幅器のリニアリティに高い要求を課すことです。

統合RFの設計手法

アンテナ開口統合の設計手法

統合アンテナまたはアンテナアレイは、空中任務システムに寄与する主要な物理コンポーネントであり、サブシステムによる空間電気RFエネルギーと高周波電気RFエネルギーの変換を実現します。空間領域、周波数領域、時間領域、変調領域の要求、および機能、動作モード、動作周波数範囲、空間領域カバレッジ、動作周期、変調モード、偏波、空中適応性などの特性に基づき、あらゆる種類のアンテナを統合し、超広帯域、コンフォーマル、小型化、共通開口、再構成など、現在のアンテナ設計の先進技術を可能な限り適用すべきです。指標、体積、重量、コストを中心に最適設計目標を設定し、あらゆるアンテナを機能と周波数で最適化・解放し、最終的にアンテナ開口を統合します。

1. 統合タイプ設計。 動作周波数、空間カバレッジ、偏波などの要求を考慮し、高帯域幅、高効率、高利得のアンテナを適用し、アンテナまたはアンテナアレイを統一設計してアンテナ分類を簡素化します。
2. 統合開口設計。 アンテナ性能要求を満たした上で、アンテナまたはアンテナアレイに共通開口設計を可能な限り実施し、コスト、体積、重量を中心に最適設計目標を設定します。アンテナ動作周波数、実装位置、スペースサイズ・カバレッジ範囲、基礎検討結果を考慮し、類似実装位置のアンテナに共通開口設計を実施し、複数のアンテナまたはアンテナアレイを同一開口に配置してアンテナ実装スペースを削減し、開口使用効率を向上させます。
3. アンテナ共有設計。 動作周波数、偏波タイプ、利得、カバレッジ空間などの指標要求が類似するアンテナについては、スイッチ切替、信号コンバイナ/スプリッタ、時分割適用によりアンテナ共有設計を実施し、アンテナ数を最小化します。

RFフロントエンド統合設計

高電力広帯域デバイス技術、マイクロシステム技術、MEMS（マイクロ電気機械システム）、分散技術に基づき、汎用化、デジタル化、モジュール化設計を通じて統合RF標準システムを確立します。さらに、汎用RFトランシーバチャネルとハードウェアプラットフォームを構築し、RFシステムチャネルを全スペクトル対応、再構成可能、デジタル化、マイクロシステム化とします。

空中任務システムの一般的開発要求と構造定義、統合設計原則に基づき、RFフロントエンド統合設計手法には以下の側面が含まれます：

1. RFチャネライゼーション。 各機能サブシステムの個別性と専用性を打破し、すべてのRFシステムにチャネライゼーション設計を施し、RFトランシーバチャネルを全スペクトル対応かつ汎用的に統合します。
2. リソースのモジュール化。 すべてのハードウェアリソースをプレーンフレーム、バックプレーン、標準準拠モジュールで設計し、ハードウェアリソースモジュールの統一電源供給と熱放散を実現します。
3. モジュールの汎用化。 RFフロントエンド公共リソースモジュールを汎用化設計し、電源モジュール、受信モジュール、スイッチモジュールを含め、多機能前処理モジュールへの汎用化設計を漸進的に実施します。一方面ではモジュール汎用化設計がリソース分類を削減し、他方面では機能バックアップと再構成の基盤を確立します。
4. インターフェースの標準化。 RFフロントエンドに標準バスを適用し、センサネットワークを統一設計の汎用インターフェースモジュールでアクセスします。インターフェース標準化はシステムバスの種類と数を効果的に削減し、システム間相互接続に有益です。
5. リソース管理の統一。 RFフロントエンドの汎用インターフェースモジュールがコアプロセッサからのリソース管理要求を統一的に受信・分析し、対応する前処理モジュールや他モジュールに送信し、RFフロントエンドの統一管理を完了します。

モジュール化の設計手法

空中任務システムに属するセンサ部門、RFフロントエンドのアナログ回路とRFリアエンドのデジタル回路を含む、オープンシステム構造を適用し、機能が異なり種類が少ない標準ハードウェアモジュールを使用します。それらはRFフロントエンドモジュール、汎用受信モジュール、前処理モジュール、信号処理モジュール、多周波送信モジュール、多機能変調モジュール、アンテナインターフェースユニット、マトリックススイッチアレイを含みます。これらのモジュールは、センサのRF機能要求に基づき動的に組み合わせられ、異なるセンサの機能を実現できます。厳格で統一された構造標準寸法に基づき設計・製造され、標準搭載フレームに設置・使用されます。

アンテナインターフェースユニットはRF切替スイッチの機能を完了し、アンテナで受信したRF信号をRFフロントエンドモジュールに送信します。多周波送信モジュールと接続し、送信準備完了のRF信号を対応するアンテナに伝送します。アンテナインターフェースユニットは、トランシーバ信号がアンテナを共有する際に発生し得る競合を解決できます。

RFフロントエンド受信モジュールはRF信号を標準中間周波数に変換し、中間周波数スイッチがRFフロントエンド受信モジュールから出力される中間周波数信号を汎用受信モジュールへ、多機能変調モジュールで生成される中間周波数変調信号を対応する送信モジュールへ伝送します。中間周波数スイッチは、トランシーバ中間周波数信号が汎用受信モジュールと多機能変調モジュールを共有する際に生成され得る競合を解決します。

中間周波数信号は、汎用受信モジュールでバンドパスフィルタリング、A/D変換、DDC（デジタルダウンコンバージョン）処理された後、信号前処理装置に伝送されます。信号前処理装置は、汎用受信モジュールでデジタル化された信号に対してマッチドフィルタリングを実施し、ベースバンド信号の位相変換、パルス捕捉、デジタル逆拡散を完了します。さらに、信号処理装置の処理作業の一部を共有し、前処理後のデジタル信号を信号処理モジュールに伝送します。送信プロセスでは、信号前処理装置がデジタルスペクトラム拡散とパルス整形を実施した後、ベースバンド信号を多機能変調器に送信します。

信号処理モジュールは、すべてのセンサ機能の信号処理を担当し、復調、チャネル自己適応バランス、誤り訂正符号化/復号、暗号化/復号化を含みます。

チャネライゼーションの設計手法

統合RFフロントエンドで複数チャネルが協調または独立して動作し、特定の信号波形が処理される際、すべてのハードウェアモジュールリソースをデジタル変換ネットワーク内で組み合わせ、信号波形処理をサポートするハードウェアスレッドを作成できます。統合RFフロントエンドは、アンテナ走査戦略や信号処理手順に従って、均一または独立して動作する複数のハードウェアスレッドをサポートできます。その結果、システムのRFフロントエンドは複数の信号を複数機能で処理でき、システム情報処理要求に基づいて実現されます。RF、チューニング、中間周波数のチャネルには冗長チャネルが依然として利用可能で、すべてのチャネルが相互にバックアップとして維持され、システム信頼性を向上させます。一部の信号チャネルに問題があり、複数信号の並列処理を完全にサポートできない場合、システム動作モードと信号処理優先度に応じて、異なる並列または時分割処理スレッドを形成できます。

図1に示すように、RFフロントエンドには複数信号の多数の並列チャネルが利用可能で、システム制御により切替または並列動作できます。チューニング受信チャネルはあらゆる種類の比較的純粋な信号を抽出し、周波数変換により中間周波数に落とします。すべての信号を周波数共有や時分割手法でいくつかの公共中間周波数チャネルに合理的に分割し、スイッチアレイによる選択と組み合わせの後、多機能デジタル受信機で処理します。システムは広帯域、多点周波数、高速アジリティ、組み合わせ出力の特性を持つ統合周波数インテグレータを適用します。

マイクロシステム化の設計手法

マイクロシステムは、センサ、読み出し回路、デジタル信号プロセッサ、AD/DA、トランシーバ部品、電源などをマイクロメートル範囲内に統合し、システムと構成の体積と消費電力を大幅に削減します。3S（SiP、SoC、SoP）技術を適用したRFトランシーバチャネルのマイクロシステム、デバイス、部品の構成が、広帯域の鍵となる開発を導きます。

主要技術

システム統合設計技術

システム統合設計技術は、任務システム統合の達成、あらゆる電子デバイス効率の最大活用、統合軍事能力の確保において潜在的な役割を果たします。システムの観点を中心に、その構成、構造、機能、相互接続手法に統合を実施し、任務システム統合設計を最適化します。軍事任務と任務要求に準拠し、任務システム統合設計はシステム全体の定義、分析、設計、試験、評価を担当し、機能、性能、信頼性、保守性、支援性、ライフサイクルコストの面で任務システムを任務要求に適合させます。システム設計者は業界のコンフォーマル、長期的、基礎的プロジェクトに従って計画と研究に参加すべきです。

オープンシステム構造設計技術

オープンシステム構造は分散システムの形成に有益で、異なるメーカーのハードウェア、異なる型番のコンピュータ、その他の間の相互接続と相互運用に利便性を提供します。ハードウェアとソフトウェアの移植と機能拡張・拡張に便利です。また、システムの揮発性スケールをサポートするため、研究開発期間を短縮するのに役立ちます。

オープンシステム構造実装の鍵は、あらゆる種類の標準インターフェース製造と適合性にあり、異なる製品開発・製造ユニットが同じ標準と規則に従えるようにします。ハードウェアに加え、ソフトウェアもオープンシステム構造に関与し、ソフトウェアオープンシステム、再利用性、揮発性スケールにおいて依然として重要な役割を果たします。さらに、システムライフサイクルコストと開発期間を削減する重要な手段と見なされています。新バージョンの統合任務システムソフトウェアは統一標準と規則に準拠し、再利用性、標準化、知能化、移植性、信頼性などの特性が代表的ソフトウェア技術の特性パラメータに含まれるべきです。

アンテナ開口完全性設計技術

空中任務システムの不可欠な部分として、アンテナまたはアンテナアレイは多数の無線信号の放出と受信を担当します。システム構成要素が多数であるため、アンテナタイプと数への要求が高まり、動作周波数範囲、偏波モード、利得、空間カバレッジなどで異なる要求があります。さらに、空中プラットフォームのスペースとアンテナ実装位置の制約により、システムアンテナレイアウトが粗雑になり、アンテナ数削減への厳しい要求が生じます。

システムアンテナレイアウトの難易度を下げるため、機能と互換性のあるアンテナ要求を満たした上で、アンテナまたはアンテナアレイの完全性設計を実施すべきです。すべてのアンテナを統合・共有し、共有センサのフロントエンドとして機能させ、アンテナ開口を統合的に適用できるようにします。さらに、システム動作時の機能間EMC（電磁両立性）を確保するため、システム内のアンテナレイアウトに最適化設計を施し、アンテナ性能への影響とアンテナ間相互影響を最小化します。

CIP技術

システム内で高レベル統合を実現するCIPは、複数の先進技術を組み合わせ、多数の演算、処理、制御、管理機能を内部で完了します。CIPは統合処理、データ融合、任務演算、ビデオ情報生成、ナビゲーション演算、ストア管理、電子バックアップ、防衛管理、通信管理、システム制御、故障監視、検査、センサ入力データの再構成を担当します。新バージョンの任務システムの多くの重要特性がCIPに関与し、技術的には共通モジュール、並列処理システム、分散リアルタイムOSの特性を最大限に活用し、共有コアでリソースを処理し、性能と信頼性を向上させ、空中処理能力とコンピューティング能力の高速発展の要求に応えます。

広帯域構成可能RFチャネルデジタル化技術

空中任務システムは広い周波数範囲、多数の信号変調方式と信号フォーマット、信号レベルの大きな差異をカバーします。従来のハードウェア密集型通信システムのデバイスは複雑な相互接続関係、高コスト、高いアップグレード移行難易度、システム間相互接続の困難さを抱えています。したがって、ソフトウェア無線とRFサンプリング技術に依存し、デジタル化を推進し、RFフロントエンド処理チャネルを削減し、リアエンドのデジタル信号処理の機能再利用を増やすことで、複数機能、広周波数範囲、複数変調方式のシステムに関する統合課題を解決する必要があります。さらに、モジュール化ハードウェアとソフトウェアの適用により、システム設計と新技術導入に利便性をもたらし、性能向上、コストと時間の削減を実現します。

参考資料

• RF PCB設計における挫折と解決策
• RFIDリーダー用フライバック電源モジュール回路設計
• RFおよびマイクロ波PCB設計ガイドライン
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス - 多彩な付加価値オプション
• PCBCartの高度なPCB実装サービス - 1個から対応