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一种基于射频路由的电子对抗系统嵌入式软件框架设计.pdf

1、第 卷 第 期(总第 期)年 月火控雷达技术 ()收稿日期:作者简介:马若飞()男高级工程师研究方向为雷达电子对抗技术一种基于射频路由的电子对抗系统嵌入式软件框架设计马若飞 牛 栋 杨 柳(西安电子工程研究所 西安)摘 要:通过分析传统的射频直通电子对抗系统的优缺点引出在系统设计时加入射频路由子系统后可以将多象限、多频段、多种类射频天线前端与后端综合处理去耦合有效地降低后端综合处理的数量和成本 针对该类型系统以实时控制软件和信息处理软件为核心设计了一种和系统硬件相匹配的软件拓扑结构和软件框架 并针对两种软件各自的需求和定位的不同详细设计了两种软件各自的层级架构以及对应的功能和交互接口对今后类似

2、电子对抗系统的软件设计具有指导意义关键词:电子对抗射频直通射频路由软件框架中图分类号:文献标志码:文章编号:()引用格式:马若飞牛栋杨柳 一种基于射频路由的电子对抗系统嵌入式软件框架设计 火控雷达技术():/():引言随着电子技术的不断发展在现代战争中电子对抗的作用已经越来越重要 电子对抗系统是电磁信息空间生存和对抗的重要组成部分是夺取电磁信息优势保护己方电磁权限削弱并破坏敌方电磁探测、通信、攻击能力的主要手段可以对电子对抗火 控 雷 达 技 术第 卷系统需要保护的载体、平台或者区域进行有效的电磁防护 电子对抗系统面临的空间电磁威胁越来越复杂在传统的射频直通电子对抗系统中天线前端数量急剧增加导

3、致系统的处理链路数也急剧增加系统的硬件成本、调试成本和维护成本都相应的增加 为了解决该问题可以在系统设计时将天线前端子系统和后续的微波收发、数字处理进行去耦合处理在天线前端种类和数量增加的同时后续的微波收发、数字处理的硬件模块数量和软件数量不需要对应的大量增加就能满足系统后端处理的需求 在系统的微波链路设计时射频路由子系统的引入可以正好满足该设计需求 随着数字技术的不断发展软件在整个电子对抗系统中的作用也越来越重要软件无线电以及软件化雷达、软件化对抗等发展趋势也日渐清晰 系统硬件设备创新应用的同时需要和硬件设备相匹配的软件拓扑结构和软件框架也相应的创新设计才能将硬件设备创新的优势在系统应用时得

4、到最大程度的发挥 射频直通电子对抗系统射频直通的电子对抗系统主要由天线前端子系统、微波收发子系统、数字处理子系统和显示控制子系统组成具体的系统框图如图 所示 天线前端子系统主要是多个微波天线组成将空间中的电磁波转换成系统中的微波信号以便在电子对抗系统的各个环节按照既定的流程和处理方式进行后续处理 天线的个数和排布方式由系统的空域及频率域进行约束微波收发子系统将天线前端子系统输出的高频微波信号进行滤波、放大、混频处理后降频至数字系统可以采样的中频微波信号数字处理子系统将微波收发子系统输出的中频微波信号进行 采样成数字信号进行数字信号处理后生成信号级的脉冲描述字()再经过数字信息处理后生成威胁目标

5、的信息描述字()再次经过数据处理后形成威胁目标的目标识别信息及航迹信息显示控制子系统完成将用户的任务意图通过可视化软件的方式形成系统的控制流下发给实时控制软件并接受实时控制及数据处理软件上报的威胁目标的航迹信息显示在可视化软件上以供用户查看威胁目标的详细信息及进行下一阶段的任务决策图 射频直通电子对抗系统组成框图 传统射频直通的电子对抗系统的组成简单、清晰信号流和控制流都是可以在前期系统设计的时候预设好的系统各级的增益分配故障隔离都可以在前期进行很好的设计并且在后期调试和维护的时候也相对比较简单 由于以上优点传统的直通电子对抗系统受到电子对抗行业的普遍使用 和传统的直通电子对抗系统相匹配的软件

6、架构设计也相对简单、清晰各个软件配置项在各自对应的数字系统上按照系统设计时分配的软件需求进行独立的设计每个软件配置项都是和各自的硬件模块以及分配的软件需求高度耦合然后各司其职将设计好对应的软件功能、性能、接口与数字平台一起完成系统任务传统射频直通的电子对抗系统由于上述特征导致其硬件模块和软件模块缺乏灵活性使得整个系统需要在设计前期就考虑完备调试后期发现问题很难进行调整并且系统缺乏拓展升级能力很难进行系列化升级改进 基于射频路由的电子对抗系统随着电子对抗系统面临的空间电磁威胁越来越复杂从而使得电子对抗系统自身设计也越来越复杂 主要体现在以下几个方面:)为了满足威胁微波信号工作频段的不断扩展要求系

7、统具备多种不同波段天线前端由于不同波段天线的物理差异很大几乎没法共用同一组天线前端导致系统中的天线前端种类不断增加)电子对抗的天线前端的有效空域覆盖范围普遍是 为了满足系统对全向空域的要求以第 期马若飞等:一种基于射频路由的电子对抗系统嵌入式软件框架设计及系统对外界威胁的响应时间的要求像雷达旋转方式的空域覆盖方式很难满足响应时间要求所以只能采用空域叠加组合的方式按照不同工作象限将空域 划分为、四个有效象限在各自象限内安排一组天线前端从而通过 个象限拼接的方式满足空域覆盖要求和响应时间要求以上两个方面的因素导致系统的前端数量急剧增加如果还是按照传统直通的方式设计系统那么系统的处理链路数量将会急剧

8、增加从而带来系统的硬件成本、调试成本和维护成本都急剧增加几乎很难满足系统的总体要求射频路由子系统的设计引入可以很好地解决这个矛盾 射频路由子系统可以在满足微波指标的前提下根据输入的工作模式指令的控制实现多路输入多路输出的射频路由功能(输入端口数量 可以远大于输出端口数量)这样就可以将多象限、多类型的微波前端子系统和后续的综合处理子系统去耦合只需要固定数量的综合处理模块实时控制软件依据任务配置的控制流和数据流依据当前节拍需要的微波前端和综合处理模块之间的耦合关系实时地控制射频路由子系统的工作模式将微波信号和综合处理模块进行桥接联通从而对当前节拍需要进行处理的数据流进行处理 具体的系统框图如图 所

9、示图 多象限射频路由的电子对抗系统组成框图 系统引入射频路由子系统后系统的硬件扩展性也会有很大提升 在射频路由子系统设计时可以预留设计一些当前系统暂时不用但是可以用于微波链路扩展的输入输出端口尤其是当存在后端综合处理需要增加微波链路时不需要重新设计微波链路只需要相应的增加后端综合处理模块数量并启用预留的输入输出端口即可完成整个数据链路的搭建 再者通过射频路由的串行级联的方式可以实现更复杂的射频路由拓扑结构 因此在系统硬件和软件数量提升和能力增强方面系统引入射频路由子系统后具有很大的潜力和优势为了最大能力地提升系统引入射频路由子系统后的优势需要精心设计对应的软件框架 如果软件框架设计的合理高效那

10、么该系统设计的优势就可以很好地发挥出来并且在后续系统的升级、扩展过程中可以发挥扩展性强的特点和综合处理模块一起做一些配置文件的调整或者软件的少量修改就可以发挥新增硬件的任务功能 软件框架设计在如图 所示的系统中一般存在的软件配置项有如下几项:)侦察信号处理软件火 控 雷 达 技 术第 卷)干扰信号处理软件)信息处理软件)实时控制软件)系统控制软件)阵列射频前端控制软件)射频路由控制软件)干涉仪前端软件)变频收发控制软件由于各个系统的需求不同在硬件设计和软件配置方面存在很大的差异但是经典的电子对抗系统的软件拓扑图如图 所示在该图示中基本上包含了电子对抗系统中各个子系统可能配置的软件配置项及其基本

11、的软件功能需求和接口需求并且为了满足后续对数据流通道的扩展升级需求将信号及信息处理模块、变频收发模块按照通用化、模块化的思路进行设计并且将控制接口和数据接口都挂接在实时控制软件的控制总线和数据总线上需要进行通道扩展时只需要将通道数 累加并且接入对应的硬件模块和软件程序即可图 基于射频路由的电子对抗系统典型软件拓扑图 在该软件拓扑结构中侦察信号处理软件、干扰信号处理软件、系统控制软件、阵列射频前端控制软件、射频路由控制软件、干涉仪前端软件、变频收发控制软件等软件都是为了满足各自硬件子系统的需求开发和配置功能和性能指标相对比较固定所以可以看做是硬件子系统的固件软件开发最能体现软件框架处理能力和灵活

12、性主要是实时控制软件和信息处理软件 实时控制软件和信第 期马若飞等:一种基于射频路由的电子对抗系统嵌入式软件框架设计息处理软件通过通信总线进行控制通信和数据通信为了保证通信的高并发性和高数据通量一般通信总线采用高速数据总线如 总线或 千兆网总线 实时控制软件在通信总线上作为主控逻辑节点依据系统的任务需求生成各个子系统的控制逻辑和时序节拍核心控制是从通信总线上选择哪些信息处理软件需要参与本次计算任务并对其实施控制决定了当前节拍下的数据链路及处理逻辑信息处理软件作为信号和信息处理模块的控制中心是通信总线上负责数字处理的从节点 每个信号和信息处理模块以及运行的信息处理软件都依据模块化、通用化的方式设

13、计具有完全相同硬件功能和软件功能按照系统的数字处理需求决定系统中信号和信息处理模块的数量形成系统的数字处理资源库并将这些信号和信息处理模块以从节点的方式挂接在通信总线上通过信息处理软件的节点通信功能实现与实时控制软件之间的通信 当系统中需要扩展数字处理能力时只需要在通信总线上挂接更多的信号和信息处理模块并增加实时控制软件的节点配置数量就可以快速将新增的信号和信息处理模块加入系统的数字处理资源库中参与系统的数字处理任务下面分别就实时控制软件和信息处理软件进行详细的设计 实时控制软件实时控制软件作为系统控制的中枢依据系统控制软件下发或者系统配置文件预设的任务规划生成任务序列和对应的控制集、数据集

14、实时控制软件依据任务要求生成系统的实时系统状态再按照系统实时状态下对各个软件项的要求生成针对每个相关软件项的接口及接口数据并发送给对应的软件项完成对软件项所在的子系统或者子模块的控制并通过设计的软件项之间的同步机制按照统一的节拍同步所有的系统或者子模块的行为实时控制软件的软件框图如图 所示 外部软件项外部软件项主要描述与实时控制软件存在接口交互的软件配置项用于梳理与这些软件配置项之间的接口类型、接口协议等逻辑关系没有实际的数据流和控制流 通信链路层通信链路层主要实现与各个外部软件项进行通信的通信链路控制功能根据不同的通信物理链路完成不同通信方式的通信模块初始化及通信的收发控制功能主要包括以下几

15、个方面:)信息处理软件的通信链路:/双向通信实控软件下发控制命令信息处理软件上报处理数据)与阵列前端控制软件的通信链路:双向通信实控软件下发阵列前端控制软件的控制命令阵列前端控制软件上报控制命令数据校验的结果)与干涉仪前端控制软件的通信链路:同步 串口通信:双向通信实控软件下发干涉仪前端控制软件的控制命令干涉仪前端控制软件上报控制命令数据校验的结果)与射频路由控制软件的通信链路:同步 通信:双向通信实控软件下发射频路由控制软件的控制命令射频路由控制上报控制命令数据校验的结果 子系统控制层子系统控制层主要是外围硬件子系统的控制和对 路信息处理软件的控制 每个节拍中具体是 个信息处理软件中那些软件

16、参与任务的完成是由任务管控模块和系统控制模块共同分配完成的根据调度控制层分配控制逻辑将这些控制逻辑按照参与任务的信息处理软件的个数和分配情况分配到对应的需要参与的信息处理软件的子系统控制中完成控制命令的下发、上报数据的接收解析、处理节拍的同步等功能 调度控制层调度控制层主要完成对整个系统功能和系统状态的控制 系统控制的逻辑输入是任务管控模块生成的系统任务流和各个系统控制节拍中生成的各种数据集合任务管控模块生成的系统任务流决定了系统控制的主要框架和主线在该主要框架和主线的规划和指示下当下节拍中系统需要具备的系统功能和系统状态还需要由以往节拍(主要是上一个系统阶段)中生成的数据来充实和调整如:需要

17、根据确认结果中是否存在待干扰目标才能决定是否能够生成干扰引导报告从而才能按照系统硬件资源的约束生成执行的干扰引导报告并且按照干扰引导报告执行系统控制 数据处理层数据处理层主要完成对信息处理软件上报的处理结果进行辐射源信号相关的数据处理 主要分为以下两种类型:火 控 雷 达 技 术第 卷图 实时控制软件软件层级框图 )象限数据处理:根据系统设计的空间分配将空间分为、四个象限由于四个象限对空间进行了分割所以四个象限能够截获到的辐射源信号之间没有相关性(象限交叠部分和转象限场景除外)为了提高数据处理的效率将不相关的信号之间数据处理分开处理所以将基础的数据处理功能模块按照、四个象限的空间划分分为、四个

18、象限第 期马若飞等:一种基于射频路由的电子对抗系统嵌入式软件框架设计的数据处理子模块基础的数据处理功能主要完成进行和雷达辐射库的匹配识别并根据匹配识别的结果分别生成已知信号活动库和未知信号活动库按照后续上报信号的参数对已知信号活动库和未知信号活动库中对应信号进行参数的更新并且按照一定的节拍对两个活动库信号进行滤波处理对长期未更新的信号进行删除)系统数据处理:系统数据处理是在象限数据处理的基础上对系统共性的数据处理功能的实现包括以下功能:根据系统控制模块的触发依据、四个象限的数据处理生成已知活动库的基础上生成干扰引导报告在已有干扰引导报告的基础上依据侦察确认到新的待干扰目标对已有干扰引导报告进行

19、更新待上报已知辐射源信号列表和待上报未知辐射源信号列表组合为统一的待上报辐射源信号列表并上报系统控制软件 外部引导层外部引导层主要是根据系统控制软件下发的任务规划或者系统配置文件预设的任务规划生成系统需要执行的任务序列和对应的控制集、数据集输出给调度控制层再由调度控制层依据当前的系统可用资源生成系统的实时系统控制流 信息处理软件信息处理软件作为系统将辐射源信号转换成信息源信息的软件起到承上启下的重要作用 信息处理软件接收实时控制软件下发的控制指令和数据转化为自身的控制参数和执行数据并按照实时控制软件控制的节拍通过对变频收发模块、侦察信处软件、干扰信处软件等子系统的控制输入侦察信处软件侦察到的辐

20、射源信号经过预处理、信号分选等信息处理方式后将其转换为辐射源信号上报给实时控制软件并继续执行预设的下一个节拍任务或者等待实时控制软件下发下一节拍的任务信息处理软件的软件框图如图 所示图 信息处理软件框图火 控 雷 达 技 术第 卷 外部软件项外部软件项主要描述与信息处理软件存在接口交互的软件配置项用于梳理与这些软件配置项之间的接口类型、接口协议等逻辑关系没有实际的数据流和控制流 通信链路层和实时控制软件类似通信链路层主要实现与各个外部软件项进行通信的通信链路控制功能根据不同的通信物理链路完成不同通信方式的通信模块初始化及通信的收发控制功能主要包括与实时控制软件、侦察信号处理软件、干扰信号处理软

21、件之间的 通信与变频收发控制软件之间的同步 串口通信具体的硬件通信方式与实时控制软件的通信链路层一致 数据的分配和收集层数据的分配和收集层主要是对控制流和数据流的分配和收集功能 控制流的处理方式是根据通信链路层接收到的控制流完成对信息处理软件状态和流程的控制从而使信息处理软件按照实时控制软件控制的节拍和功能完成分配的处理任务 数据流的处理方式是将需要处理的数据按照数据量大小、处理能力和处理时间的约束合理地分配到多核处理器上进行并行的信息处理并且将多核处理结果进行同步、接收、融合生成最终的信息处理结果上报实时控制软件 并行处理层并行处理层主要是根据数据分配和收集层对参与信息处理的多核处理器进行信

22、息处理任务的分配和处理节拍的同步 参与运算的多核处理器主要完成以下一些信息处理的计算处理任务:)预处理:剔除无效 对满足条件的 进行融合计算脉宽、频率、幅度等参数)测向:包含比幅测角、比相测角、和差测角)角度聚类:根据测向结果对 进行聚类)分选:包含频率分选、分选)脉内识别:输入为信道化后数据识别出脉内调制类型并计算带宽、调频斜率、码速率等参数参与运算的多核处理器将自身负责的处理任务完成后在数据分配和收集层的统一调度和同步下将处理结果上报数据分配和收集层完成本次分配的处理任务继续等待分配下一节拍的处理任务 结束语本文对比分析了传统的射频直通电子对抗系统和引入射频路由子系统后的电子对抗系统的优缺

23、点认为引入射频路由子系统可以提升系统的扩展性的同时降低硬件设备的数量和成本 为了最大能力提升系统引入射频路由子系统后的优势设计了一种和该系统匹配的软件拓扑结构和对应的软件框架 在该软件拓扑结构中实时控制软件和信息处理软件是整个软件拓扑的核心本文就实时控制软件和信息处理软件的特点分别详细设计了两种软件的软件框架以及两种软件之间的交互关系该软件框架的设计可以对今后具有类似功能特性和硬件结构的电子对抗系统的软件设计具有很好的指导意义参考文献:房灿新崔积丰.舰载电子对抗系统作战效能评估.航天电子对抗():.朱肃娴晁娇.机载电子对抗系统效能评估方法分析.无线互联科技():.杨洋刘坚.基于框架的开放式机载电子战嵌入式软件设计.计算机测量与控制():.刘德龙陈旭张琛.电子对抗系统数字化样机建设思路综述.舰船电子对抗():.乔凯蔡兴雨董国王旭.软件化雷达波形库技术研究.火控雷达技术():.赵国庆.雷达对抗原理.西安:西安电子科技大学出版社.

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