DARPA射頻虛擬化項目綜述

為提升射頻前端可重構(gòu)能力并最終高度“軟件化”，以及提升射頻前端的認(rèn)知能力并最終實現(xiàn)高度“智能化”，DARPA開發(fā)了一系列研究項目，以ART項目、ACT項目等為典型代表。

一、引言

傳統(tǒng)上，美軍的射頻系統(tǒng)大多采用高度定制化的射頻接口，以及精確調(diào)諧的天線、濾波器、上下變頻器、振蕩器等射頻前端器件，這些前端電子器件負(fù)責(zé)將電磁信號進(jìn)行初步處理并傳遞給高靈活性的數(shù)字化后端。這導(dǎo)致射頻前端與數(shù)字化后端之間在靈活性、可重構(gòu)能力方面的差距越來越大：射頻系統(tǒng)的數(shù)字化部分靈活性越來越高，軟件化波形層出不窮；而射頻系統(tǒng)的射頻前端靈活性非常差，頻率、帶寬、頻段數(shù)、效率等參數(shù)均很難調(diào)整。即便是相對靈活的相控陣射頻系統(tǒng)，其相控陣陣列尺寸、可控波束數(shù)等參數(shù)也較難改變。

而對于認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)而言，若射頻前端可重構(gòu)能力差或完全不可重構(gòu)，將在很大程度上影響系統(tǒng)效能的發(fā)揮。例如，多目標(biāo)跟蹤與干擾能力需要相控陣天線能夠?qū)崟r調(diào)整其可控波束數(shù)量與指向；不同偵察模式對于天線、濾波器、變頻器等的具體要求也不盡相同。因此，對于認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)，射頻前端可重構(gòu)能力至關(guān)重要，需至少實現(xiàn)射頻前端的實時、現(xiàn)場可重用、可重構(gòu)能力。實現(xiàn)這一目標(biāo)（無論是否采用陣列化天線）的主要挑戰(zhàn)是在確保射頻前端（接收機(jī)、激勵器）具備高度可重構(gòu)能力的同時，仍可滿足噪聲系數(shù)、線性度、干擾緩解等方面的要求，這些方面的具體要求也會對可重構(gòu)能力、可重用能力產(chǎn)生較大影響。

對于認(rèn)知電子戰(zhàn)而言，射頻前端在具備可重構(gòu)能力同時，還需要足夠智能化（如圖1所示），確保認(rèn)知電子戰(zhàn)認(rèn)知引擎所做出的決策能夠在射頻前端這一“瓶頸”中快速、精準(zhǔn)地落地。

圖1 智能化射頻前端示意圖

如上所述，在認(rèn)知電子戰(zhàn)領(lǐng)域，射頻虛擬化不僅僅是“能力提升”，而是“必由之路”——電子戰(zhàn)所有功能的最終發(fā)揮必須依賴射頻前端與天線，而由于認(rèn)知電子戰(zhàn)要根據(jù)電磁作戰(zhàn)環(huán)境的變化而實時調(diào)整各種功能、各種參數(shù)（偵察模式、干擾波形等），因此認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的射頻前端、天線孔徑等都必須具備強(qiáng)大的“可重構(gòu)”能力，而“虛擬化”能力則是“可重構(gòu)”的基礎(chǔ)。

為提升射頻前端可重構(gòu)能力并最終高度“軟件化”，以及提升射頻前端的認(rèn)知能力并最終實現(xiàn)高度“智能化”，DARPA開發(fā)了一系列研究項目。

二、DARPA射頻虛擬化項目綜述

DARPA“射頻虛擬化類項目”包括自適應(yīng)射頻技術(shù)（ART）項目、商業(yè)時標(biāo)陣列（ACT）項目等，這些項目的最終目標(biāo)是實現(xiàn)射頻層面的“虛擬化”，進(jìn)而為處理、應(yīng)用等環(huán)節(jié)的虛擬化、可重構(gòu)奠定堅實的基礎(chǔ)，如圖2所示。

圖2虛擬化射頻及其基礎(chǔ)支撐作用

1.

ART項目

2016年5月11日，DARPA在美國防部舉辦了“展示日”活動，此次展示涵蓋了近年DARPA重點(diǎn)發(fā)展的70個戰(zhàn)略項目，ART項目便是DARPA重點(diǎn)發(fā)展的頻譜項目之一。根據(jù)DARPA的描述，ART主要用于通信領(lǐng)域，但從射頻前端本身來說，用于通信與用于電子戰(zhàn)乃至雷達(dá)領(lǐng)域，差別不大，因此該項目研究成果亦可用于認(rèn)知電子戰(zhàn)、認(rèn)知雷達(dá)等領(lǐng)域。

ART項目旨在通過開發(fā)一種新型全自適應(yīng)、可重構(gòu)、無需遵循特定波形和標(biāo)準(zhǔn)的射頻體系結(jié)構(gòu)，以顯著提升硬件性能。該體系結(jié)構(gòu)可簡單視作是“射頻領(lǐng)域的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）”，即在一個開關(guān)結(jié)構(gòu)上部署有大量可重構(gòu)器件（如，放大器、濾波器、混頻器、功率合成器等）。這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于，不僅可對單個器件的參數(shù)（如，頻率、帶寬、噪聲、線性度）進(jìn)行重構(gòu)，還可以對收發(fā)信機(jī)體系結(jié)構(gòu)（如，超外差、低中頻、直接數(shù)字化等）進(jìn)行重構(gòu)，最終實現(xiàn)性能優(yōu)化、干擾抵消等目標(biāo)。

ART項目將開發(fā)可重構(gòu)射頻前端，能夠覆蓋10 MHz~30 GHz頻率范圍，能夠識別、接收和/或發(fā)送該頻率范圍內(nèi)超過100種軍用、民用通信波形。該項目開發(fā)的射頻前端將包括完整的波形捷變信道和模擬感知信道，后者用于檢測和識別特定波形。除維持關(guān)鍵通信鏈路之外，ART還可為士兵和小型無人平臺配備小型化、多功能信號檢測和分析平臺，該平臺能夠描述信號環(huán)境。

項目具體研究內(nèi)容包括：可在微波及以上頻段（30 GHz及以上）工作的運(yùn)算放大器；可重構(gòu)、可調(diào)諧的射頻模塊和模擬傳感器濾波器陣列；低功耗波形信號處理；靈活波形、可重構(gòu)射頻前端和模擬/混合信號元件。對應(yīng)這些研究內(nèi)容，ART項目分別設(shè)立了多個子項目，其中與認(rèn)知電子戰(zhàn)關(guān)系比較緊密的項目包括認(rèn)知無線電低功耗信號分析傳感器集成電路（CLASIC，對應(yīng)于“低功耗波形信號處理”研究）、射頻現(xiàn)場可編程門陣列（RF-FPGA，對應(yīng)于“靈活波形、可重構(gòu)射頻前端和模擬/混合信號元件”研究）、可重構(gòu)集成電路微波陣列技術(shù)（MATRIC，對應(yīng)于“可重構(gòu)、可調(diào)諧射頻模塊和模擬傳感器濾波器陣列”研究）等。

1. CLASIC子項目

該項目的目標(biāo)是為下一代軍用微系統(tǒng)開發(fā)單片、高性能、超高能效、信號識別集成電路。其中，下一代軍用微系統(tǒng)是指未來用于認(rèn)知通信、認(rèn)知雷達(dá)和認(rèn)知電子戰(zhàn)等認(rèn)知系統(tǒng)的微系統(tǒng)。認(rèn)知系統(tǒng)能夠感知外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)（如，認(rèn)知射頻系統(tǒng)所在的電磁/信號環(huán)境），能夠自主決策、調(diào)整行為來優(yōu)化服務(wù)質(zhì)量等作戰(zhàn)目標(biāo)。DARPA希望通過研發(fā)創(chuàng)新型射頻、模擬/模數(shù)混合信號集成電路體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計技術(shù)來實現(xiàn)上述目標(biāo)。

該項目的主要優(yōu)勢是能夠解決傳統(tǒng)信號識別機(jī)制（即，“數(shù)字化、搜索、關(guān)聯(lián)”）過程中能耗過高的問題。該問題在傳統(tǒng)的、非認(rèn)知化的電子信息系統(tǒng)中并不突出。然而，隨著軍用電子信息系統(tǒng)所面臨的環(huán)境越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)信號識別方法的各個環(huán)節(jié)在能耗方面的問題也逐步凸顯。例如：感知波形數(shù)量的不斷增加使得波形相關(guān)環(huán)節(jié)的能耗大幅提升；感知帶寬的不斷拓展使得模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能耗大幅提升；此外，諸如基于循環(huán)平穩(wěn)計算與分析等的其它信號分類方法能耗也大幅提升，因其算法復(fù)雜度過高。DARPA希望CLASIC項目能夠在確保信號識別準(zhǔn)確率95%以上的同時，將能效提升到當(dāng)前主流集成電路的400倍。為此，DARPA對傳統(tǒng)信號識別機(jī)制進(jìn)行了創(chuàng)新，提出了CLASIC處理器平臺，其概念框圖如圖 3所示，核心部分是一個多功能一體化、高能效的信號分析儀。

圖3CLASIC處理器平臺概念框圖

CLASIC項目主要開展兩方面研究，即低能耗盲源分離與參數(shù)提取和射頻前端集成?！暗湍芎拿ぴ捶蛛x與參數(shù)提取”研究的主要目標(biāo)是演示以低能耗方式精確分離同一頻段內(nèi)存在的多個混合信號（波形）的能力?！吧漕l前端集成”主要研究如何將新開發(fā)的CLASIC處理器集成到當(dāng)前認(rèn)知無線電系統(tǒng)的射頻前端上。

2.RF-FPGA項目

2011年11月9日，DARPA發(fā)布射頻現(xiàn)場可編程門陣列（RF-FPGA）項目的廣泛機(jī)構(gòu)公告，該項目主要研制可編程射頻器件，不需改動硬件，只需編寫不同收發(fā)鏈路即可實現(xiàn)對多種通信模式的支持，同時不影響系統(tǒng)性能。當(dāng)前FPGA與RF-FPGA的對比如圖 4所示?？梢?，RF-FPGA可用于軍事通信、電子戰(zhàn)、信號情報等多個領(lǐng)域，并可顯著降低其成本和開發(fā)時間，因為在應(yīng)用或識別新的無線功能或波形時無需再進(jìn)行重復(fù)的、高成本的硬件開發(fā)。

圖4當(dāng)前FPGA與RF-FPGA的對比

該項目的目標(biāo)是利用收發(fā)信機(jī)鏈路的可編程能力來構(gòu)建一個通用硬件體系結(jié)構(gòu)，以便于同一組射頻前端組件在各種不同應(yīng)用場合中的重用。具體來說，該項目的目標(biāo)是在一個設(shè)備內(nèi)實現(xiàn)多部微波收發(fā)信機(jī)所能實現(xiàn)的性能。實現(xiàn)方法是設(shè)計一個可編程的收發(fā)信機(jī)鏈，該鏈可以通過動態(tài)重構(gòu)基本微波電路塊（basicmicrowave circuit block）之間的連接來實現(xiàn)重編程，而且這些電路塊本身也具備一定程度的可重構(gòu)能力。

該項目主要研究器件級可重構(gòu)能力、全收發(fā)信機(jī)可重構(gòu)能力、RF-FPGA的計算機(jī)輔助設(shè)計與編程等3方面內(nèi)容?！捌骷壙芍貥?gòu)能力”，即實現(xiàn)單個射頻器件或射頻器件組的可重構(gòu)與可編程能力。其中“器件”包括射頻濾波器、中頻濾波器、低噪聲放大器、混頻器、匹配網(wǎng)絡(luò)、功率放大器等?！叭瞻l(fā)信機(jī)可重構(gòu)能力”，即實現(xiàn)整個射頻收發(fā)信機(jī)的可重構(gòu)與可編程能力。實現(xiàn)可重構(gòu)能力的同時，對收發(fā)信機(jī)本身性能參數(shù)（動態(tài)范圍、誤差向量量級、作用距離、功率系數(shù)等）不會造成任何影響，甚至在可重構(gòu)以后還能提升其性能參數(shù)?！癛F-FPGA的計算機(jī)輔助設(shè)計與編程”，主要開發(fā)用于實現(xiàn)RF-FPGA的計算機(jī)輔助設(shè)計平臺。

3.MATRIC項目

可重構(gòu)集成電路微波陣列技術(shù)（MATRIC）項目主要由BAE系統(tǒng)公司開發(fā)，是一種可嵌入到靈活交換矩陣中的可重構(gòu)射頻電路陣列。BAE研發(fā)出了兩個版本的MATRIC芯片（如圖5所示），每代芯片都包含4個1～20GHz微波組成單元（MW）、4個直流到6GHz射頻/基帶組成單元（RF/BB），2個0.01～20GHz可配置頻率發(fā)生器（CFG）。

圖5兩個版本的MATRIC芯片

MATRIC芯片能夠替代專用集成電路（ASIC）幫助射頻系統(tǒng)適應(yīng)多種頻率，具有ASIC的尺寸、重量和功耗（SWaP）優(yōu)勢，但無需負(fù)擔(dān)研發(fā)ASIC所需的長周期和高一次性費(fèi)用；能夠讓工程師更快做出產(chǎn)品樣機(jī)，研究成果也能更快地投入戰(zhàn)場使用。支持未來射頻子系統(tǒng)在飛行中的動態(tài)重構(gòu)，能夠適應(yīng)變化的電磁環(huán)境，解決通信、電子戰(zhàn)和信號情報系統(tǒng)的未來需求。

2.

DARPA商業(yè)時標(biāo)陣列（ACT）項目

2013年5月1日，DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室發(fā)布了ACT項目廣泛機(jī)構(gòu)公告，旨在大幅縮短相控陣陣列開發(fā)、部署、升級的周期，將其縮短至商用相控陣陣列研發(fā)周期的量級。該項目將摒棄傳統(tǒng)的專用性強(qiáng)、耗時嚴(yán)重的陣列設(shè)計方法，并采用一種更加通用的方法來縮短開發(fā)周期。

該項目主要研究構(gòu)建可用于多種不同功能陣列的通用硬件模塊；開發(fā)可重構(gòu)電磁接口，該接口可支持多種射頻參數(shù)的重構(gòu)，如極化方式、頻率、帶寬等；演示一套可擴(kuò)展的基礎(chǔ)設(shè)施，借助精確授時和位置數(shù)據(jù)，部署在多個物理隔離平臺上的陣列即可合成一個大型的有效孔徑（即，實現(xiàn)相控陣功率合成）。可以看出，該項目開發(fā)出的電磁陣列非常適合用于電子戰(zhàn)、信號情報、通信等領(lǐng)域。傳統(tǒng)相控陣體系結(jié)構(gòu)與ACT相控陣體系結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別如圖6所示。

圖6ACT相控陣和傳統(tǒng)相控陣在體系結(jié)構(gòu)方面的區(qū)別

從另一個角度來看，ACT項目旨在將可重構(gòu)能力、硬件重用能力引入到相控陣天線系統(tǒng)中。具體來說，該項目是把相控陣的多種功能模塊（輻射單元、接收機(jī)、激勵器、波束成形模塊等）“封裝”進(jìn)一個可重構(gòu)的通用硬件模塊內(nèi)。

3.

DARPA電子復(fù)興倡議（ERI）中體系結(jié)構(gòu)研究部分

2017年6月，DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（MTO）提出了電子復(fù)興倡議（ERI），以推動新一代電子技術(shù)的發(fā)展。在開發(fā)的諸多項目中，與射頻虛擬化/軟件化相關(guān)的典型項目為軟件定義硬件（SDH）項目。

SDH項目的目標(biāo)是構(gòu)建一種運(yùn)行過程中可重構(gòu)的軟硬件，以確保在性能接近專用集成電路（ASIC）的同時，不影響數(shù)據(jù)密集型算法的編程能力。在此，“數(shù)據(jù)密集型算法”是指需要處理海量數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和數(shù)據(jù)科學(xué)算法，其主要特點(diǎn)是在數(shù)據(jù)處理過程中需要用到密集型的線性代數(shù)運(yùn)算、圖搜索運(yùn)算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算。

若該項目獲得成功，則有望極低成本開發(fā)出一種數(shù)據(jù)密集型數(shù)據(jù)利用算法，進(jìn)而實現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理能力在多個國防領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，如情報監(jiān)視與偵察、可預(yù)測性后勤、決策支持等。

該項目的預(yù)期目標(biāo)效能包括：

在輸入數(shù)據(jù)發(fā)生改變時，實現(xiàn)代碼與硬件的動態(tài)優(yōu)化；

實現(xiàn)硬件可重構(gòu)，以解決新問題、加載新算法。

項目主要研究兩方面內(nèi)容：可重構(gòu)處理器技術(shù)；高級語言動態(tài)軟硬件編譯器。這兩方面研究內(nèi)容之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7兩項研究內(nèi)容之間的關(guān)系

可重構(gòu)處理器技術(shù)主要開發(fā)如圖 8所示的處理器體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)主要由存儲器（M）、算術(shù)邏輯單元（ALU）、可重構(gòu)連接三部分構(gòu)成，若與可重構(gòu)的存儲控制器共同使用，即可滿足機(jī)器學(xué)習(xí)/人工智能（ML/AI）、圖搜索運(yùn)算等的工作負(fù)荷要求。

圖8可重構(gòu)處理器體系結(jié)構(gòu)

高級語言動態(tài)軟硬件編譯器主要為確保實現(xiàn)上述可重構(gòu)處理器。傳統(tǒng)的編譯器主要針對固定的處理器，能夠從輸入的程序中生成用于該處理器的代碼，并通過迭代的方式更新代碼。這種處理過程可實現(xiàn)不依賴數(shù)據(jù)的優(yōu)化，但受限于可用處理硬件。新開發(fā)的編譯器應(yīng)充分體現(xiàn)出其可重構(gòu)能力，因此必須具備對“高級”語言（如，說明性語言（declarative language））的支持能力。該編譯器應(yīng)能夠自行選擇或合成最優(yōu)的代碼執(zhí)行方案，并選擇最優(yōu)硬件配置以支持該執(zhí)行方案。

三、DARPA射頻智能化項目綜述

DARPA“智能化類項目”則主要以射頻機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)（RFMLS）為代表。2017年8月11日， DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（MTO）發(fā)布了一份射頻及其信息系統(tǒng)（RFMLS）項目的廣泛機(jī)構(gòu)公告，研究將機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能理念與方法用于射頻系統(tǒng)設(shè)計。一言以概之，該項目旨在尋求射頻頻譜域與數(shù)據(jù)驅(qū)動型機(jī)器學(xué)習(xí)（如深度學(xué)習(xí)）之間的交集。具體來說，即讓現(xiàn)有機(jī)器學(xué)習(xí)方法能夠用于射頻頻譜這一特定領(lǐng)域或用于探索新的體系結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)算法等。RFMLS項目的目標(biāo)是提升射頻系統(tǒng)的人工智能程度，如圖9所示。

圖9基于人工智能的射頻系統(tǒng)

RFMLS項目主要研究射頻取證、頻譜感知、射頻系統(tǒng)集成與演示等3方面內(nèi)容，如圖10所示。

圖10射頻系統(tǒng)的離線訓(xùn)練與在線評估示意圖

射頻取證。該研究領(lǐng)域又細(xì)分為兩個子領(lǐng)域，即射頻特征學(xué)習(xí)和射頻波形合成。射頻特征學(xué)習(xí)旨在開發(fā)一種可訓(xùn)練的系統(tǒng)（指的是算法，而非硬件），該系統(tǒng)應(yīng)能夠區(qū)分10000個以上的、名義上“完全一樣”的射頻設(shè)備。由于這些信號可用傳統(tǒng)的人工設(shè)計的射頻信號特征（如，調(diào)制樣式類型、數(shù)據(jù)速率等）來區(qū)分，因此本子領(lǐng)域必須能從射頻發(fā)射鏈或相關(guān)硬件中學(xué)習(xí)出一些更加抽象的信號特征。此外，開發(fā)出的可訓(xùn)練系統(tǒng)必須具備通用性，以便用于處理多種不同的無線通信協(xié)議。開發(fā)出的算法在不同的訓(xùn)練狀態(tài)下也必須具備足夠的魯棒性，這些狀態(tài)包括不同的信噪比水平、相鄰信道干擾、共信道干擾、無線信道效應(yīng)等。射頻波形合成環(huán)節(jié)的主要工作是開發(fā)一種射頻發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過學(xué)習(xí)有意識地利用發(fā)射機(jī)的固有信令特征（signaling characteristics），以提升射頻特征學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)正確識別發(fā)射機(jī)的能力。所合成的射頻波形主要為了實現(xiàn)如下兩大功能：通信，即學(xué)習(xí)出的波形應(yīng)仍能以正常速率傳輸所需信息；可識別性，即學(xué)習(xí)出的波形只能用特定的射頻設(shè)備來發(fā)射，若另外一臺設(shè)備想要重用該波形，則必須注冊為一個不同的設(shè)備，因為這兩臺發(fā)射機(jī)之間存在差別。最終設(shè)計出的波形應(yīng)具備唯一性，即能夠從那些模擬的波形中明確區(qū)分出來。具體來說，即新生成的波形必須能確保與發(fā)射機(jī)唯一對應(yīng)，而且還要能與射頻特征學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫中的其它發(fā)射機(jī)區(qū)分開。

頻譜感知。該領(lǐng)域又細(xì)分為2個子領(lǐng)域，即射頻資源聚焦與顯著性、自主射頻傳感器配置。射頻資源聚焦與顯著性子領(lǐng)域主要研究在監(jiān)測500MHz帶寬的同時學(xué)習(xí)資源聚焦與顯著性，以及檢測、描述重要信號并為之打標(biāo)簽。自主射頻傳感器配置子領(lǐng)域主要研究復(fù)雜射頻系統(tǒng)的自主配置，以進(jìn)一步將監(jiān)測頻段擴(kuò)展到整個5GHz頻段。這兩個子領(lǐng)域之間的關(guān)系如圖11所示。射頻資源聚焦與顯著性子領(lǐng)域旨在開發(fā)那些能夠?qū)W習(xí)重要信號、非重要信號及其標(biāo)簽的算法與系統(tǒng)，開發(fā)出的系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)不同需求從同一個數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)出完全不同的結(jié)果，具體取決于系統(tǒng)的訓(xùn)練方法。自主射頻傳感器配置子領(lǐng)域旨在開發(fā)那些能夠通過學(xué)習(xí)來控制復(fù)雜射頻傳感器的算法與系統(tǒng)。該子領(lǐng)域所控制的數(shù)據(jù)是“射頻資源聚焦與顯著性”子領(lǐng)域所接收的那些數(shù)據(jù)，因此這兩個子領(lǐng)域的評價指標(biāo)相同。

圖11 射頻資源聚焦與顯著性和自主射頻傳感器配置兩個子領(lǐng)域之間的關(guān)系

審核編輯 ：李倩