一種基于射頻路由的電子對抗系統嵌入式軟件框架設計

馬若飛 牛 棟 楊 柳

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著電子技術的不斷發展,在現代戰爭中,電子對抗的作用已經越來越重要。電子對抗系統是電磁信息空間生存和對抗的重要組成部分,是奪取電磁信息優勢,保護己方電磁權限,削弱并破壞敵方電磁探測、通信、攻擊能力的主要手段,可以對電子對抗系統需要保護的載體、平臺或者區域進行有效的電磁防護[1-2]。電子對抗系統面臨的空間電磁威脅越來越復雜,在傳統的射頻直通電子對抗系統中,天線前端數量急劇增加,導致系統的處理鏈路數也急劇增加,系統的硬件成本、調試成本和維護成本都相應的增加[3]。為了解決該問題,可以在系統設計時,將天線前端子系統和后續的微波收發、數字處理進行去耦合處理,在天線前端種類和數量增加的同時,后續的微波收發、數字處理的硬件模塊數量和軟件數量不需要對應的大量增加,就能滿足系統后端處理的需求。在系統的微波鏈路設計時,射頻路由子系統的引入,可以正好滿足該設計需求。隨著數字技術的不斷發展,軟件在整個電子對抗系統中的作用也越來越重要,軟件無線電以及軟件化雷達、軟件化對抗等發展趨勢也日漸清晰[4-5]。系統硬件設備創新應用的同時,需要和硬件設備相匹配的軟件拓撲結構和軟件框架也相應的創新設計,才能將硬件設備創新的優勢,在系統應用時得到最大程度的發揮。

1 射頻直通電子對抗系統

射頻直通的電子對抗系統,主要由天線前端子系統、微波收發子系統、數字處理子系統和顯示控制子系統組成[6],具體的系統框圖如圖1所示。天線前端子系統主要是多個微波天線組成,將空間中的電磁波轉換成系統中的微波信號,以便在電子對抗系統的各個環節,按照既定的流程和處理方式,進行后續處理。天線的個數和排布方式由系統的空域及頻率域進行約束;微波收發子系統將天線前端子系統輸出的高頻微波信號,進行濾波、放大、混頻處理后,降頻至數字系統可以采樣的中頻微波信號;數字處理子系統將微波收發子系統輸出的中頻微波信號進行AD采樣成數字信號,進行數字信號處理后,生成信號級的脈沖描述字(PDW),再經過數字信息處理后,生成威脅目標的信息描述字(EDW),再次經過數據處理后,形成威脅目標的目標識別信息及航跡信息;顯示控制子系統完成將用戶的任務意圖,通過可視化軟件的方式,形成系統的控制流,下發給實時控制軟件,并接受實時控制及數據處理軟件上報的威脅目標的航跡信息,顯示在可視化軟件上,以供用戶查看威脅目標的詳細信息及進行下一階段的任務決策。

圖1 射頻直通電子對抗系統組成框圖

傳統射頻直通的電子對抗系統的組成簡單、清晰,信號流和控制流都是可以在前期系統設計的時候預設好的,系統各級的增益分配,故障隔離,都可以在前期進行很好的設計,并且在后期調試和維護的時候,也相對比較簡單。由于以上優點,傳統的直通電子對抗系統受到電子對抗行業的普遍使用。和傳統的直通電子對抗系統相匹配的軟件架構設計也相對簡單、清晰,各個軟件配置項,在各自對應的數字系統上,按照系統設計時分配的軟件需求,進行獨立的設計,每個軟件配置項都是和各自的硬件模塊,以及分配的軟件需求高度耦合,然后各司其職,將設計好對應的軟件功能、性能、接口,與數字平臺一起完成系統任務。

傳統射頻直通的電子對抗系統由于上述特征,導致其硬件模塊和軟件模塊缺乏靈活性,使得整個系統需要在設計前期就考慮完備,調試后期發現問題很難進行調整,并且系統缺乏拓展升級能力,很難進行系列化升級改進。

2 基于射頻路由的電子對抗系統

隨著電子對抗系統面臨的空間電磁威脅越來越復雜,從而使得電子對抗系統自身設計也越來越復雜。主要體現在以下幾個方面:

1)為了滿足威脅微波信號工作頻段的不斷擴展,要求系統具備多種不同波段天線前端,由于不同波段天線的物理差異很大,幾乎沒法共用同一組天線前端,導致系統中的天線前端種類不斷增加;

2)電子對抗的天線前端的有效空域覆蓋范圍普遍是±45°,為了滿足系統對全向空域的要求,以及系統對外界威脅的響應時間的要求,像雷達旋轉方式的空域覆蓋方式,很難滿足響應時間要求,所以只能采用空域疊加組合的方式,按照不同工作象限,將空域360°劃分為A、B、C、D四個有效象限,在各自象限內,安排一組天線前端,從而通過4個象限拼接的方式,滿足空域覆蓋要求和響應時間要求。

以上兩個方面的因素,導致系統的前端數量急劇增加,如果還是按照傳統直通的方式設計系統,那么系統的處理鏈路數量將會急劇增加,從而帶來系統的硬件成本、調試成本和維護成本都急劇增加,幾乎很難滿足系統的總體要求。

射頻路由子系統的設計引入,可以很好地解決這個矛盾。射頻路由子系統,可以在滿足微波指標的前提下,根據輸入的工作模式指令的控制,實現多路輸入,多路輸出的射頻路由功能(輸入端口數量N可以遠大于輸出端口數量M),這樣就可以將多象限、多類型的微波前端子系統,和后續的綜合處理子系統去耦合,只需要固定數量的綜合處理模塊,實時控制軟件依據任務配置的控制流和數據流,依據當前節拍需要的微波前端和綜合處理模塊之間的耦合關系,實時地控制射頻路由子系統的工作模式,將微波信號和綜合處理模塊進行橋接聯通,從而對當前節拍需要進行處理的數據流進行處理。具體的系統框圖,如圖2所示。

圖2 多象限射頻路由的電子對抗系統組成框圖

系統引入射頻路由子系統后,系統的硬件擴展性也會有很大提升。在射頻路由子系統設計時,可以預留設計一些當前系統暫時不用,但是可以用于微波鏈路擴展的輸入輸出端口,尤其是當存在后端綜合處理需要增加微波鏈路時,不需要重新設計微波鏈路,只需要相應的增加后端綜合處理模塊數量,并啟用預留的輸入輸出端口即可完成整個數據鏈路的搭建。再者,通過射頻路由的串行級聯的方式,可以實現更復雜的射頻路由拓撲結構。因此,在系統硬件和軟件數量提升和能力增強方面,系統引入射頻路由子系統后,具有很大的潛力和優勢。

為了最大能力地提升系統引入射頻路由子系統后的優勢,需要精心設計對應的軟件框架。如果軟件框架設計的合理高效,那么該系統設計的優勢就可以很好地發揮出來,并且在后續系統的升級、擴展過程中,可以發揮擴展性強的特點,和綜合處理模塊一起,做一些配置文件的調整,或者軟件的少量修改,就可以發揮新增硬件的任務功能。

3 軟件框架設計

在如圖2所示的系統中,一般存在的軟件配置項有如下幾項:

1)偵察信號處理軟件;

2)干擾信號處理軟件;

3)信息處理軟件;

4)實時控制軟件;

5)系統控制軟件;

6)陣列射頻前端控制軟件;

7)射頻路由控制軟件;

8)干涉儀前端軟件;

9)變頻收發控制軟件。

由于各個系統的需求不同,在硬件設計和軟件配置方面,存在很大的差異,但是經典的電子對抗系統的軟件拓撲圖,如圖3所示,在該圖示中,基本上包含了電子對抗系統中各個子系統可能配置的軟件配置項及其基本的軟件功能需求和接口需求,并且為了滿足后續對數據流通道的擴展升級需求,將信號及信息處理模塊、變頻收發模塊按照通用化、模塊化的思路進行設計,并且將控制接口和數據接口,都掛接在實時控制軟件的控制總線和數據總線上,需要進行通道擴展時,只需要將通道數N累加,并且接入對應的硬件模塊和軟件程序即可。

圖3 基于射頻路由的電子對抗系統典型軟件拓撲圖

在該軟件拓撲結構中,偵察信號處理軟件、干擾信號處理軟件、系統控制軟件、陣列射頻前端控制軟件、射頻路由控制軟件、干涉儀前端軟件、變頻收發控制軟件等軟件都是為了滿足各自硬件子系統的需求開發和配置,功能和性能指標相對比較固定,所以可以看做是硬件子系統的固件軟件開發。

最能體現軟件框架處理能力和靈活性,主要是實時控制軟件和信息處理軟件。實時控制軟件和信息處理軟件通過通信總線進行控制通信和數據通信,為了保證通信的高并發性和高數據通量,一般通信總線采用高速數據總線,如SRIO總線或GBE千兆網總線。實時控制軟件在通信總線上作為主控邏輯節點,依據系統的任務需求,生成各個子系統的控制邏輯和時序節拍,核心控制是從通信總線上選擇哪些信息處理軟件需要參與本次計算任務并對其實施控制,決定了當前節拍下的數據鏈路及處理邏輯。信息處理軟件作為信號和信息處理模塊的控制中心,是通信總線上負責數字處理的從節點。每個信號和信息處理模塊以及運行的信息處理軟件,都依據模塊化、通用化的方式設計,具有完全相同硬件功能和軟件功能,按照系統的數字處理需求決定系統中信號和信息處理模塊的數量,形成系統的數字處理資源庫,并將這些信號和信息處理模塊以從節點的方式掛接在通信總線上,通過信息處理軟件的節點通信功能,實現與實時控制軟件之間的通信。當系統中需要擴展數字處理能力時,只需要在通信總線上掛接更多的信號和信息處理模塊,并增加實時控制軟件的節點配置數量,就可以快速將新增的信號和信息處理模塊加入系統的數字處理資源庫中,參與系統的數字處理任務。

下面分別就實時控制軟件和信息處理軟件進行詳細的設計。

3.1 實時控制軟件

實時控制軟件作為系統控制的中樞,依據系統控制軟件下發或者系統配置文件預設的任務規劃,生成任務序列和對應的控制集、數據集。實時控制軟件依據任務要求,生成系統的實時系統狀態,再按照系統實時狀態下對各個軟件項的要求,生成針對每個相關軟件項的接口及接口數據,并發送給對應的軟件項,完成對軟件項所在的子系統或者子模塊的控制,并通過設計的軟件項之間的同步機制,按照統一的節拍,同步所有的系統或者子模塊的行為。

實時控制軟件的軟件框圖如圖4所示。

圖4 實時控制軟件軟件層級框圖

3.1.1 外部軟件項

外部軟件項主要描述與實時控制軟件存在接口交互的軟件配置項,用于梳理與這些軟件配置項之間的接口類型、接口協議等邏輯關系,沒有實際的數據流和控制流。

3.1.2 通信鏈路層

通信鏈路層主要實現與各個外部軟件項進行通信的通信鏈路控制功能,根據不同的通信物理鏈路,完成不同通信方式的通信模塊初始化及通信的收發控制功能,主要包括以下幾個方面:

1)信息處理軟件的通信鏈路:SRIO/GBE雙向通信,實控軟件下發控制命令,信息處理軟件上報處理數據;

2)與陣列前端控制軟件的通信鏈路:SRIO雙向通信,實控軟件下發陣列前端控制軟件的控制命令,陣列前端控制軟件上報控制命令數據校驗的結果;

3)與干涉儀前端控制軟件的通信鏈路:

同步422串口通信:雙向通信,實控軟件下發干涉儀前端控制軟件的控制命令,干涉儀前端控制軟件上報控制命令數據校驗的結果;

4)與射頻路由控制軟件的通信鏈路:

同步422通信:雙向通信,實控軟件下發射頻路由控制軟件的控制命令,射頻路由控制上報控制命令數據校驗的結果。

3.1.3 子系統控制層

子系統控制層主要是外圍硬件子系統的控制和對N路信息處理軟件的控制。每個節拍中具體是N個信息處理軟件中,那些軟件參與任務的完成,是由任務管控模塊和系統控制模塊共同分配完成的。

根據調度控制層分配控制邏輯,將這些控制邏輯按照參與任務的信息處理軟件的個數和分配情況,分配到對應的需要參與的信息處理軟件的子系統控制中,完成控制命令的下發、上報數據的接收解析、處理節拍的同步等功能。

3.1.4 調度控制層

調度控制層主要完成對整個系統功能和系統狀態的控制。系統控制的邏輯輸入是任務管控模塊生成的系統任務流和各個系統控制節拍中生成的各種數據集合。

任務管控模塊生成的系統任務流決定了系統控制的主要框架和主線,在該主要框架和主線的規劃和指示下,當下節拍中系統需要具備的系統功能和系統狀態,還需要由以往節拍(主要是上一個系統階段)中生成的數據來充實和調整,如:需要根據確認結果中是否存在待干擾目標,才能決定是否能夠生成干擾引導報告,從而才能按照系統硬件資源的約束生成執行的干擾引導報告,并且按照干擾引導報告執行系統控制。

3.1.5 數據處理層

數據處理層主要完成對信息處理軟件上報的處理結果進行輻射源信號相關的數據處理。主要分為以下兩種類型:

1)象限數據處理:

根據系統設計的空間分配,將空間分為A、B、C、D四個象限,由于四個象限對空間進行了分割,所以四個象限能夠截獲到的輻射源信號之間沒有相關性(象限交疊部分和轉象限場景除外),為了提高數據處理的效率,將不相關的信號之間數據處理分開處理,所以將基礎的數據處理功能模塊按照A、B、C、D四個象限的空間劃分,分為A、B、C、D四個象限的數據處理子模塊。

基礎的數據處理功能,主要完成進行和雷達輻射庫的匹配識別,并根據匹配識別的結果,分別生成已知信號活動庫和未知信號活動庫,按照后續上報信號的參數,對已知信號活動庫和未知信號活動庫中對應信號進行參數的更新,并且按照一定的節拍對兩個活動庫信號進行濾波處理,對長期未更新的信號進行刪除。

2)系統數據處理:

系統數據處理,是在象限數據處理的基礎上,對系統共性的數據處理功能的實現,包括以下功能:根據系統控制模塊的觸發,依據A、B、C、D四個象限的數據處理生成已知活動庫的基礎上,生成干擾引導報告;在已有干擾引導報告的基礎上,依據偵察確認到新的待干擾目標,對已有干擾引導報告進行更新;待上報已知輻射源信號列表和待上報未知輻射源信號列表組合為統一的待上報輻射源信號列表,并上報系統控制軟件。

3.1.6 外部引導層

外部引導層主要是根據系統控制軟件下發的任務規劃,或者系統配置文件預設的任務規劃,生成系統需要執行的任務序列和對應的控制集、數據集,輸出給調度控制層,再由調度控制層,依據當前的系統可用資源,生成系統的實時系統控制流。

3.2 信息處理軟件

信息處理軟件作為系統將輻射源信號轉換成信息源信息的軟件,起到承上啟下的重要作用。信息處理軟件接收實時控制軟件下發的控制指令和數據,轉化為自身的控制參數和執行數據,并按照實時控制軟件控制的節拍,通過對變頻收發模塊、偵察信處軟件、干擾信處軟件等子系統的控制,輸入偵察信處軟件偵察到的輻射源信號,經過預處理、信號分選等信息處理方式后,將其轉換為輻射源信號,上報給實時控制軟件,并繼續執行預設的下一個節拍任務或者等待實時控制軟件下發下一節拍的任務。

信息處理軟件的軟件框圖如圖5所示。

圖5 信息處理軟件框圖

3.2.1 外部軟件項

外部軟件項主要描述與信息處理軟件存在接口交互的軟件配置項,用于梳理與這些軟件配置項之間的接口類型、接口協議等邏輯關系,沒有實際的數據流和控制流。

3.2.2 通信鏈路層

和實時控制軟件類似,通信鏈路層主要實現與各個外部軟件項進行通信的通信鏈路控制功能,根據不同的通信物理鏈路,完成不同通信方式的通信模塊初始化及通信的收發控制功能,主要包括與實時控制軟件、偵察信號處理軟件、干擾信號處理軟件之間的SRIO通信,與變頻收發控制軟件之間的同步422串口通信,具體的硬件通信方式與實時控制軟件的通信鏈路層一致。

3.2.3 數據的分配和收集層

數據的分配和收集層主要是對控制流和數據流的分配和收集功能。控制流的處理方式是根據通信鏈路層接收到的控制流,完成對信息處理軟件狀態和流程的控制,從而使信息處理軟件按照實時控制軟件控制的節拍和功能,完成分配的處理任務。數據流的處理方式,是將需要處理的數據按照數據量大小、處理能力和處理時間的約束,合理地分配到多核處理器上,進行并行的信息處理,并且將多核處理結果進行同步、接收、融合,生成最終的信息處理結果,上報實時控制軟件。

3.2.4 并行處理層

并行處理層主要是根據數據分配和收集層對參與信息處理的多核處理器,進行信息處理任務的分配和處理節拍的同步。參與運算的多核處理器主要完成以下一些信息處理的計算處理任務:

1)pdw預處理:剔除無效pdw,對滿足條件的pdw進行融合,計算脈寬、頻率、幅度等參數。

2)測向:包含比幅測角、比相測角、和差測角。

3)角度聚類:根據測向結果,對DOA進行聚類。

4)分選:包含頻率分選、PRI分選。

5)脈內識別:輸入為信道化后數據,識別出脈內調制類型,并計算帶寬、調頻斜率、碼速率等參數。

參與運算的多核處理器將自身負責的處理任務完成后,在數據分配和收集層的統一調度和同步下,將處理結果上報數據分配和收集層,完成本次分配的處理任務,繼續等待分配下一節拍的處理任務。

4 結束語

本文對比分析了傳統的射頻直通電子對抗系統和引入射頻路由子系統后的電子對抗系統的優缺點,認為引入射頻路由子系統,可以提升系統的擴展性的同時,降低硬件設備的數量和成本。為了最大能力提升系統引入射頻路由子系統后的優勢,設計了一種和該系統匹配的軟件拓撲結構和對應的軟件框架。在該軟件拓撲結構中,實時控制軟件和信息處理軟件是整個軟件拓撲的核心,本文就實時控制軟件和信息處理軟件的特點,分別詳細設計了兩種軟件的軟件框架,以及兩種軟件之間的交互關系。該軟件框架的設計可以對今后具有類似功能特性和硬件結構的電子對抗系統的軟件設計具有很好的指導意義。