【無線射頻芯片】-無線連通航空航天和國防世界

1/1無線連通航空航天和國防世界隨著國防領域信息和監(jiān)控需求的不斷增長，無線技術的普及性及其需求達到了前所未有的高度。在整個航空航天和國防工業(yè)，無線系統(tǒng)已部署于廣泛的應用之中，為單兵系統(tǒng)、無人系統(tǒng)掌握、系統(tǒng)級健康、生命體征監(jiān)控等眾多應用供應支撐。

國防界曾廣泛爭論過增加通向戰(zhàn)士的數據流量的必要性問題。然而，無線通信已開頭從根本上轉變新一代系統(tǒng)的進展動向。增加數據流量、加強監(jiān)控、無線革命和物聯網(IoT)(對于商業(yè)和工業(yè)領域二者實為同義詞)，全部這些都將會對航空航天和國防市場產生同樣深遠的影響。

過去10年，隨著新波形、寬帶寬信號的消失，軍事通信系統(tǒng)多次升級，為增加通向戰(zhàn)士的數據流量制造了條件。目前，采納AD9361一類收發(fā)器的戰(zhàn)術電臺已能充分發(fā)揮軟件定義無線電(SDR)架構的優(yōu)勢，依據需要實時適應戰(zhàn)區(qū)內的不同通信標準和協(xié)議。

帶寬更寬的數據鏈路不但可以實現向戰(zhàn)士傳輸數據，還可實現從戰(zhàn)士接收數據。這類數據可能包括實時視頻影像和資產跟蹤信息，將來還可能包括健康監(jiān)控等功能以及慣性導航信息等。圖1所示為現代及新一代戰(zhàn)士可能使用的多種系統(tǒng)。

圖1.士兵系統(tǒng)

隨著傳感器集成度的提高，隨著尺寸、重量和功耗(SWaP)的下降，將會有更多的傳感器集成到單兵系統(tǒng)中，以實現這些功能及類似功能。

傳感器的數量以及所產生的數據量都將要求使用無線互聯技術，要求先用短程數據鏈把數據聚合起來，然后再由戰(zhàn)術電臺把數據傳送回指揮中心，以便指揮機構對戰(zhàn)士進行監(jiān)控并為其供應更好的支持。無人駕駛飛行器，尤其是無人機(UAV)的運用進一步推高了對無線數據的需求，同時也對頻譜的利用起著推動作用。在國防領域，目前有大量的各類飛行器在役，從NorthropGrumman公司全球鷹等大型平臺到Aerovironment公司大烏鴉無人機等小型平臺系統(tǒng)，應有盡有。對于這些飛行器和波形來說，無線網絡和衛(wèi)星通信鏈明顯是一個主要要求。業(yè)內特地為這些系統(tǒng)制定了標準，包括小型無人機系統(tǒng)數字數據鏈(SUASDDL)波形。借助這樣的波形，不但可以實現對小型無人機的掌握，更重要的是，還能將機載傳感器網絡發(fā)來的數據和視頻信息傳到掌握器。利用該網絡可以更加敏捷、更加有效地收集現場情報。然而，這些平臺功率有限，并且在可用帶寬有限且要求多個系統(tǒng)在同一頻段工作的狀況下，它們推高了對通信鏈中所用收發(fā)器的需求。

盡管國防工業(yè)在無人機系統(tǒng)領域處于領先地位，但大量報道顯示，很多商業(yè)系統(tǒng)和運營商方案將來采納無人機技術，據報道，亞馬遜、谷歌等公司正在開發(fā)這些系統(tǒng)。諸如此類的商業(yè)活動同樣要求無線和平安數據鏈。隨著這一市場領域的進展，安排頻譜需求將連續(xù)水漲船高，進一步推高對高級通信收發(fā)器的需求。

進一步深化航空航天領域，在如今商用飛機上，無線寬帶通信系統(tǒng)大行其道，如此一來，乘客就可在飛行途中通過WiFi訪問互聯網。目前，對這些服務的需求及其延長必將連續(xù)下去，大量利用衛(wèi)星通信以在全球實現寬帶連接。除這些進展動向以外，航空航天市場已開頭主動尋求將無線技術引入一系列其他應用領域。業(yè)內已開頭主動評估無線傳感器的應用價值，以期提高平安性和燃油效率。通過降低飛機重量，可以提高燃油效率。為此，對傳感器技術以及傳感器之間的互聯選擇也在進行嚴格審核。在現代高級軍用和商用飛機中，所用線纜可能多達100000條，長度可能超過470米，重量可能高達5700公斤，這還不包括結構固定點的基礎設施和導線，這些可能再增加30%。雖然用無線傳感器取代全部這些的可能性不大，但由企業(yè)、學術界和政府機構成立的合作組織航空航天飛行器系統(tǒng)討論所(AVSI)已著手對這種可能性綻開討論。AVSI成立了一個工作組，特地討論無線航天電子內部通信(WAIC)技術，其目標是在不使用電纜和線束的狀況下，把多種多樣的飛機傳感器相互連接起來。

盡管在這種應用中，無線傳感器無疑會減輕重量，傳感器網絡還能帶來其他好處，包括可再配置力量，可能還有利于提高平安性，但更重要的是，無線傳感器還能快速添加和升級傳感器，無需增加布線和基礎設施。對飛機上更多功能進行監(jiān)控和調整的力量有可能大幅提高效率，由于可以實時調整發(fā)動機、熱管理系統(tǒng)等組件。此外，添加設備健康監(jiān)控和額外的平安監(jiān)控功能以后，可以更加親密地監(jiān)控修理和保養(yǎng)需求，從而及早發(fā)覺問題，并更加有效地支配修理工作。WAIC工作組列出了可能從該技術受益的多種系統(tǒng)：

煙霧檢測

油箱/燃料管線

近程檢測

溫度

EMI事故探測

濕度/腐蝕檢測

機艙壓力

緊急照明

結冰探測

起落裝置(位置反饋、制動器溫度、

胎壓、輪轉速、轉向反饋)飛行掌握位置反饋

艙門傳感器

發(fā)動機傳感器

FADEC-飛機接口

飛行數據

發(fā)動機猜測

飛行甲板和機艙乘員圖像/視頻(平安

相關)

航空電子通信總線

結構健康監(jiān)控/結構傳感器

主動振動掌握在上述多個例子中，為飛機系統(tǒng)監(jiān)控功能添加無線通信鏈是難上加難。為了切實有效，很多系統(tǒng)需要用電池供電，并且需要超長時間工作，甚至可能長達數年不更換。要在功率有限的環(huán)境中達到所需傳感器量，就要采納傳統(tǒng)電池以外的能源。用能源采集技術作為替代電源，有利于提高傳感器的敏捷性，有利于改善SWaP。

從單兵系統(tǒng)到航空航天應用，上述全部例子都呈現出對無線通信和傳感器與日俱增的依靠，一些需要解決的新問題也隨之而來。ADI公司正在努力為這些種類繁多的問題供應一個綜合性解決方案。改進型無線通信收發(fā)器是該解決方案的關鍵。除此以外，我們還在能源采集和傳感器領域綻開了討論，同時致力于提高全部三種設備之間的互操作性。

為了支持通信數據鏈，諸如AD9361一類的高度可配置收發(fā)器以及ADF7023和ADF7024等ISM頻段器件可為無線連接領域供應解決方案。AD9361和AD9364均為高度可配置射頻到比特收發(fā)器，支持的通信鏈范圍為200kHz至56MHz，射頻頻率范圍為70MHz至6GHz。它們采納直接變頻架構，搭載有低噪聲放大器、混頻級、高速轉換器和數字信號處理算法(包括高級正交誤差校正算法)，封裝尺寸為10mm2，為寬帶通信鏈供應了一個真正的射頻到比特解決方案。該器件已經廣泛應用在軍事通信領域，由于它們能支持動態(tài)再配置。類似地，因具備強大的軟件配置力量，還可針對很多其他通信數據鏈需求(與無人機部分所述要求相像)供應單一的解決方案。高度的可配置力量可實現真正意義上的軟件定義無線電(SDR)，為將開發(fā)的一款硬件應用于多個系統(tǒng)制造了條件，尤其值得一指的是，其典型功耗不到1W。

圖2.AD9361寬帶收發(fā)器

圖3.ADF7023ISM頻段收發(fā)器

ADF7023、ADF7024和ADF7242均為超低功耗集成式收發(fā)器，特地針對免許可的ISM頻段(433MHz、868MHz、915MHz和2.4GHz)而設計，具有特殊的波形調制功能，頻移鍵控(FSK)或高斯頻移鍵控(GFSK)，并具有較低的數據速率，ADF7024最高為300kbps，ADF7242為2Mbps。盡管這些器件不如AD9361敏捷，但也集成了類似的功能，使器件能支持射頻到比特收發(fā)器。例如，ADF7024即可滿意這一要求，封裝尺寸僅為5mm2，接收模式下功耗低至12.8mA；在功率水平和長壽命至關重要的應用中，可以用來收發(fā)傳感器數據。

進一步增加傳感器技術與無線通信節(jié)點之間的融合，其必要性顯而易見，推動半導體工業(yè)走向兩大要素的整合，促使半導體工業(yè)提升親密整合這兩個要素的力量。要完全解決傳感器和物聯網難題，可以采納綜合性方法，協(xié)作使用多種器件，借助不斷增加的傳統(tǒng)型精密放大器和轉換器實現溫度、電流和電壓檢測。進一步說，采納MEM型陀螺儀和加速度計的眾多導航系統(tǒng)和健康監(jiān)護系統(tǒng)具備監(jiān)控單兵運動并進行跟蹤的潛力，也可用來監(jiān)控系統(tǒng)振動，并在檢測到意外運動時確定系統(tǒng)健康狀況。

例如，ADIS16488AiSensor就是一款完整的全集成式高性能慣性系統(tǒng)，其中包括一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計和一個三軸磁力計，可以當作組件用在人員跟蹤系統(tǒng)或振動監(jiān)控系統(tǒng)中。該系統(tǒng)以MEM技術為依托，供應了一款經濟型的運動跟蹤解決方案，可以置入或集成到設備之中，并通過無線通信系統(tǒng)接入單兵電臺，然后將數據傳回指揮中心，由此打造出一種全面的單兵跟蹤解決方案，尤其是在無GPS信號的環(huán)境中，有助于增加搜尋和救援行動的便利性。

圖4.可能的無線傳感器互聯系統(tǒng)

類似地，用于振動監(jiān)控應用時，ADIi和MEM器件可實現機器健康分析功能，盡早發(fā)覺可能消失的設備故障問題。由于對安裝位置要求較嚴，此類傳感器往往難以安放，但是，假如把低功耗電池供電型射頻收發(fā)器與傳感器結合起來，即可輕松解決器件安放的問題。在這種方案下，數據被傳輸到中心監(jiān)控裝置，也可能通過蜂窩或衛(wèi)星通信網絡傳回遠程監(jiān)控站。

以上只是冰山一角，還可考慮采納基于多種技術的很多其他選項和檢測系統(tǒng)，但全部這些系統(tǒng)都依靠平安射頻通信來轉發(fā)數據。從整個航空航天領域和國防領域