淺談嵌入式系統(tǒng)中集成微波和射頻技術(shù)

縱觀嵌入式系統(tǒng)悠久的歷史，到現(xiàn)在為止幾乎完全數(shù)字化了，但還有射頻和微波技術(shù)卻是兩個獨立的子系統(tǒng)并且相互之間也沒有有效的接口。由于各種原因，這個“射頻和數(shù)字間的鴻溝”也終將會連接起來。

去年10月，開發(fā)嵌入式系統(tǒng)（即板級數(shù)字和射頻子系統(tǒng)）的Mercury Systems公司（后統(tǒng)稱Mercury）發(fā)起了嵌入式和微波組件的制造商自發(fā)參與一個被叫OpenRFM的行動。該公司的目標是讓我們可以將射頻和微波技術(shù)首次集成到當前“純數(shù)字”嵌入式器件中。如果你不是在嵌入式系統(tǒng)行業(yè)，你可能想知道“為什么到現(xiàn)在才出現(xiàn)呢？”如果你在射頻和微波子系統(tǒng)設(shè)計行業(yè)，你可能會問“為什么要這么麻煩？”

第一個問題的答案是，數(shù)字和微波設(shè)計師一直以來處于不同的領(lǐng)域并且都無視對方的存在。第二個答案是集成這兩種不相關(guān)的技術(shù)的理由非常簡單，不管你屬于什么“陣營”，都有以下幾個原因：

●它將允許這兩種技術(shù)（數(shù)字和微波）集成在緊隨嵌入式系統(tǒng)行業(yè)之后的一種標準形式。

●它將在實現(xiàn)美國國防部的兩個主要目標的道路上又往前邁了重大一步：將大大增加功能集成，并允許雷達、電子戰(zhàn)、和其他系統(tǒng)被用于多平臺而不需要進行太大的改變或者重新設(shè)計。

●所有嵌入式系統(tǒng)制造商和承包商都遵循一個設(shè)計路線圖，同時保留相應(yīng)的靈活性來區(qū)分他們的產(chǎn)品和別人使用他們自己的兼容OpenRFM產(chǎn)品。

●構(gòu)建系統(tǒng)可以更小、更輕，耗能更少，更便宜，以及為嵌入式系統(tǒng)和終端產(chǎn)品能盡快面市。

雖然Mercury的目標是國防工業(yè)部門能夠參與OpenRFM，但是沒有理由不被其他嵌入式市場比如重工業(yè)、科學、醫(yī)療系統(tǒng)采納，例如，如果其中的一應(yīng)用以某種形式利用無線通信，則OpenRFM對包含其內(nèi)的商業(yè)系統(tǒng)制造商變成非常有價值。

為了擴大這種集成趨勢，Mercury需要將其標準加到當前家庭安防標準的嵌入式系統(tǒng)——OpenVPX中，其中首當其中的就是VITA（其前身是VMEbus國際貿(mào)易協(xié)會）。它的產(chǎn)生，至少是一個相當好的機遇，因為它相當符合該協(xié)會的路線規(guī)劃，它已擴展到包括軟件定義無線電和空間領(lǐng)域。

OpenRFM是基于OpenVPX板的一個模塊化、開放式體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合了硬件、固件和軟件，并允許高通道密度、先進互連技術(shù)，采用的是“積木式”的方法。該公司已經(jīng)生產(chǎn)3u和6u的兩種OpenVPX波形系數(shù)的OpenRFM產(chǎn)品，如圖1和圖2所示。適用于OpenRFM在OpenVPX環(huán)境下，足以適應(yīng)大范圍的集成微波子系統(tǒng)（現(xiàn)在被稱為集成微波組件或IMA）。

圖1：這是一個OpenRFM模塊，集成在一個OpenVPX板上。傳統(tǒng)來說，在OpenRFM模塊中執(zhí)行的功能將占用一塊更大的獨立空間。

圖2：6u的底部VME載體和三個OpenRFM模塊：一個四分之一變頻器（左），寬帶調(diào)諧器（中）和直接數(shù)字合成器（右）。

最常見的是下變頻器，由它獲得每個系統(tǒng)的前端信號，在該系統(tǒng)中，信號必須通過空中捕獲和下變頻，其中下變頻可以由一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器來完成。下變頻器的反面是上變頻器，這是相反的：一個低頻信號被增加到所要求的頻率通過一個特定的應(yīng)用程序。這兩種IMA需要各種類型的軍用和商用系統(tǒng)器件，從衛(wèi)星通信終端，到微波點對點連接幾乎都涉及各類通信系統(tǒng)。

這些都是復(fù)雜的產(chǎn)品包括主動和被動微波組件，范圍從相對較小到非常龐大。這些子系統(tǒng)通常不以板級的產(chǎn)品出現(xiàn)而是以一個單獨的功能塊形式出現(xiàn)，OpenRFM有可能使整個系統(tǒng)更小。其他典型的IMA包括完整的數(shù)字接收器同時結(jié)合傳統(tǒng)信號處理、通用處理、信號分配以及其他功能塊形成更大子系統(tǒng)。

為什么現(xiàn)在才出現(xiàn)？

正如我們都痛苦地意識到，國防工業(yè)已經(jīng)主要由技術(shù)驅(qū)動而不是成本驅(qū)動。這是因為新的雷達、電子戰(zhàn)、和其他美國國防部（DoD）所需的系統(tǒng)是極其復(fù)雜的和對完成性能極具挑戰(zhàn)。也是因為五角大樓應(yīng)對當前和下一代對手的能力，因為這些系統(tǒng)在這一領(lǐng)域保持了幾十年并且每隔幾年升級一次，另外這兩個需求并不便宜。

然而，抱著“盡管去做”心態(tài)的時代正在迅速接近尾聲，隨著國防部年度預(yù)算縮減，當然五角大樓的開支不是第一次放在顯微鏡下，但它可能是第一次。從技術(shù)上講數(shù)字和微波技術(shù)的各路承包商正在大范圍的讓預(yù)算變得緊張。所以O(shè)penRFM非常適合成為其中一個推動者。

通過標準化機電、軟件，遙控飛機，和熱插拔接口這些使用于集成的微波組件（工業(yè)用語叫做IMA），OpenRFM幾乎可以完全改變國防系統(tǒng)構(gòu)建的方式，提供一個基于標準的路線圖，允許系統(tǒng)在多個平臺上使用，這就是為什么他們今天才被設(shè)計和建造的反面證據(jù)。盡管一個雷達被“制造商A”為一架飛機而制造，跟“制造商B”為另一個飛機制造的雷達的功能是一樣的，但他們的設(shè)計幾乎完全不同，合并專利設(shè)計，并不能很容易地從一個平臺“移植”到另一個平臺。

這里有幾個先例…

在市場領(lǐng)域，數(shù)字和微波技術(shù)以一套準標準形式和諧共存，智能手機和其他無線設(shè)備就是一個典型的例子。在所有這些情況下，集成由需求所驅(qū)動——因為在這些電池供電設(shè)備中，沒有空間留給不同標準的技術(shù)。

藍牙產(chǎn)品和無線個域網(wǎng)（Zigbee）歸屬于無線通信，和無線接入點一樣，一些醫(yī)療設(shè)備，和其他產(chǎn)品，其尺寸或其他限制因素決定了數(shù)字和微波技術(shù)集成是非常重要的。他們體積小和獨特的數(shù)字和微波要求這種集成達到使用片上系統(tǒng)（SoC）方法的水平，因為這種方法可以真正地將數(shù)量驚人的功能集成在一個單一的芯片。一個很好的例子就是芯科實驗室的Si468x數(shù)字接收IC，其本質(zhì)上是低功耗多波段數(shù)字廣播接收器，其支持調(diào)幅，長波、短波、調(diào)頻、調(diào)幅和調(diào)頻高清廣播、數(shù)字音頻廣播、數(shù)字多媒體廣播。

除此之外，它們包括一個OFDM信道解調(diào)器，音頻DSP處理，片上源解碼，I2S數(shù)字音頻輸出，一個立體聲音頻DAC、VCO、鎖相環(huán)（PLL）、頻率合成器、AGC SPI，I2C控制接口。典型應(yīng)用包括多媒體手機、多媒體播放器、GPS設(shè)備和平板電腦，所有類型的固定和便攜式收音機、音箱、娛樂系統(tǒng)。

圖3：硅實驗室Si468x數(shù)字廣播接收器是一個一體化的解決方案。

有哪些挑戰(zhàn)？

重要的是要注意其他國防電子制造商出于必要，也會在板級產(chǎn)品中集成了射頻和微波技術(shù)。不同的是不像Mercury沒有一家有如此遠見能把標準方案公布出來。

第一個主要的挑戰(zhàn)是讓VITA會員在普通標準的開發(fā)流程之后批準以O(shè)penVPX方式進行OpenRFM合并。有趣的是，OpenVPX在2009年被Mercury推薦，作為拓寬VPX標準訪問的一個方法，以及擁有28家公司參與開發(fā)的一個工作組。面臨的挑戰(zhàn)是會出現(xiàn)許多同樣的公司，他們幾乎對射頻和微波技術(shù)沒有興趣或技術(shù)能力來接受這個概念。如果他們這樣做，他們肯定要有效地簽署遵守標準，如果他們選擇這種技術(shù)添加到他們的產(chǎn)品系列中。

如果OpenRFM被VITA接受之后進行root，接下來毫無疑問，最艱巨的挑戰(zhàn)將是引導(dǎo)微波行業(yè)參與進來。這比OpenVPX困難的多，原因有兩個。首先，正如VPX已經(jīng)是VITA標準，并且需要引入完全新的或截然不同的技術(shù)。這個挑戰(zhàn)將甩Mercury的對手幾條街。

其次，微波行業(yè)至少這些服務(wù)于航空航天和國防的部門，沒有像VITA一樣的標準機構(gòu)，并且不習慣處理國防部或其他政府機構(gòu)以外的任何標準。它也與VITA和嵌入式系統(tǒng)業(yè)務(wù)沒有關(guān)系。因此，OpenRFM可能很難賣給這些公司，雖然這個行業(yè)是否會參與進來，最初可能并不重要，因為它還需要來自國防部和主承包商的訂單。然而，如果國防部授權(quán)其使用，IMA制造商就必須得遵守它。

限制和機會

OpenRFM本就適合這些射頻輸出功率很低的應(yīng)用，因為更高的功耗需要更大質(zhì)上是最的組件，導(dǎo)致子系統(tǒng)太大而不能集成在OpenVPX.這意味著它將用于系統(tǒng)的接收而不是發(fā)送部分并且在射頻功率放大器，低噪聲放大器和其他小信號子系統(tǒng)的低功耗驅(qū)動階段。

然而，在子系統(tǒng)操作中高頻（毫米波領(lǐng)域）使用還是非常吸引人的，其中組件比較低的頻率和功率較低的組件要小的多。雖然不可能將高功率射頻和OpenRFM內(nèi)的微波子系統(tǒng)進行整合，但也許可以讓他們?nèi)ゼ嫒菟?，這樣仍然可以讓來自各種微波制造商的系統(tǒng)統(tǒng)一標準。

接下來是什么…

OpenRFM第一次是在今年1月份的嵌入式社區(qū)VITA會議（被稱為嵌入式技術(shù)趨勢）上出現(xiàn)。下一步Mercury會在IEEE國際微波研討會上為OpenRFM提交申請，而且現(xiàn)在已經(jīng)在進行中。由IEEE發(fā)起，該行業(yè)的主要國際研討會和展會匯集了幾乎世界各地的所有行業(yè)。該公司在這次活動中做了一些演講并首次針對電子戰(zhàn)的應(yīng)用程序引入500- 18 GHz數(shù)字微波調(diào)諧器。整個RFM-1RS18包含三個OpenRFM模塊以單寬度6U VXS格式。在這個尺寸是一個轉(zhuǎn)換器帶四個IF輸出和頻率合成器。這個舞臺還會出現(xiàn)什么，只有具有極高洞察力的人才敢大膽猜測。

值得注意的是，無論OpenRFM是否被嵌入式系統(tǒng)和微波社區(qū)所接受作為OpenVPX的一部分，Mercury都贏了，因為它仍然將這個公式用于自己的產(chǎn)品。然而，集成射頻和微波IMA在一個板級產(chǎn)品（其中無一例外全是數(shù)字化）的動力這兩個行業(yè)都面臨迫在眉睫的挑戰(zhàn)，因為國防部正在認真考慮改變設(shè)計規(guī)范。國防高級研究計劃局（DARPA）和軍隊研發(fā)實驗室、空軍特別是海軍都參與該項目?？赡苄枰恍r間才能讓國防工業(yè)廣泛接受這個挑戰(zhàn)，但從長遠來看它別無選擇。

OpenRFM發(fā)展背后的另一個最基本因素是：集成數(shù)字和微波技術(shù)是自第二次世界大戰(zhàn)以來都是令人難以攻破的難題。畢竟設(shè)計工程師也是人，并且一般情況下都抵觸具有顛覆性變化的挑戰(zhàn)。缺乏將這兩種技術(shù)在嵌入式“空間”結(jié)合的動力，誰知道什么時候才會有靈感突現(xiàn)呢，而且OpenRFM也許只是一個催化劑呢。