浅谈嵌入式系统中集成微波和射频技术

纵观嵌入式系统悠久的历史，到现在为止几乎完全数字化了，但还有射频和微波技术却是两个独立的子系统并且相互之间也没有有效的接口。由于各种原因，这个“射频和数字间的鸿沟”也终将会连接起来。

去年10月，开发嵌入式系统（即板级数字和射频子系统）的Mercury Systems公司（后统称Mercury）发起了嵌入式和微波组件的制造商自发参与一个被叫OpenRFM的行动。该公司的目标是让我们可以将射频和微波技术首次集成到当前“纯数字”嵌入式器件中。如果你不是在嵌入式系统行业，你可能想知道“为什么到现在才出现呢？”如果你在射频和微波子系统设计行业，你可能会问“为什么要这么麻烦？”

第一个问题的答案是，数字和微波设计师一直以来处于不同的领域并且都无视对方的存在。第二个答案是集成这两种不相关的技术的理由非常简单，不管你属于什么“阵营”，都有以下几个原因：

●它将允许这两种技术（数字和微波）集成在紧随嵌入式系统行业之后的一种标准形式。

●它将在实现美国国防部的两个主要目标的道路上又往前迈了重大一步：将大大增加功能集成，并允许雷达、电子战、和其他系统被用于多平台而不需要进行太大的改变或者重新设计。

●所有嵌入式系统制造商和承包商都遵循一个设计路线图，同时保留相应的灵活性来区分他们的产品和别人使用他们自己的兼容OpenRFM产品。

●构建系统可以更小、更轻，耗能更少，更便宜，以及为嵌入式系统和终端产品能尽快面市。

虽然Mercury的目标是国防工业部门能够参与OpenRFM，但是没有理由不被其他嵌入式市场比如重工业、科学、医疗系统采纳，例如，如果其中的一应用以某种形式利用无线通信，则OpenRFM对包含其内的商业系统制造商变成非常有价值。

为了扩大这种集成趋势，Mercury需要将其标准加到当前家庭安防标准的嵌入式系统——OpenVPX中，其中首当其中的就是VITA（其前身是VMEbus国际贸易协会）。它的产生，至少是一个相当好的机遇，因为它相当符合该协会的路线规划，它已扩展到包括软件定义无线电和空间领域。

OpenRFM是基于OpenVPX板的一个模块化、开放式体系结构，结合了硬件、固件和软件，并允许高通道密度、先进互连技术，采用的是“积木式”的方法。该公司已经生产3u和6u的两种OpenVPX波形系数的OpenRFM产品，如图1和图2所示。适用于OpenRFM在OpenVPX环境下，足以适应大范围的集成微波子系统（现在被称为集成微波组件或IMA）。

图1：这是一个OpenRFM模块，集成在一个OpenVPX板上。传统来说，在OpenRFM模块中执行的功能将占用一块更大的独立空间。

图2：6u的底部VME载体和三个OpenRFM模块：一个四分之一变频器（左），宽带调谐器（中）和直接数字合成器（右）。

最常见的是下变频器，由它获得每个系统的前端信号，在该系统中，信号必须通过空中捕获和下变频，其中下变频可以由一个模数转换器来完成。下变频器的反面是上变频器，这是相反的：一个低频信号被增加到所要求的频率通过一个特定的应用程序。这两种IMA需要各种类型的军用和商用系统器件，从卫星通信终端，到微波点对点连接几乎都涉及各类通信系统。

这些都是复杂的产品包括主动和被动微波组件，范围从相对较小到非常庞大。这些子系统通常不以板级的产品出现而是以一个单独的功能块形式出现，OpenRFM有可能使整个系统更小。其他典型的IMA包括完整的数字接收器同时结合传统信号处理、通用处理、信号分配以及其他功能块形成更大子系统。

为什么现在才出现？

正如我们都痛苦地意识到，国防工业已经主要由技术驱动而不是成本驱动。这是因为新的雷达、电子战、和其他美国国防部（DoD）所需的系统是极其复杂的和对完成性能极具挑战。也是因为五角大楼应对当前和下一代对手的能力，因为这些系统在这一领域保持了几十年并且每隔几年升级一次，另外这两个需求并不便宜。

然而，抱着“尽管去做”心态的时代正在迅速接近尾声，随着国防部年度预算缩减，当然五角大楼的开支不是第一次放在显微镜下，但它可能是第一次。从技术上讲数字和微波技术的各路承包商正在大范围的让预算变得紧张。所以OpenRFM非常适合成为其中一个推动者。

通过标准化机电、软件，遥控飞机，和热插拔接口这些使用于集成的微波组件（工业用语叫做IMA），OpenRFM几乎可以完全改变国防系统构建的方式，提供一个基于标准的路线图，允许系统在多个平台上使用，这就是为什么他们今天才被设计和建造的反面证据。尽管一个雷达被“制造商A”为一架飞机而制造，跟“制造商B”为另一个飞机制造的雷达的功能是一样的，但他们的设计几乎完全不同，合并专利设计，并不能很容易地从一个平台“移植”到另一个平台。

这里有几个先例…

在市场领域，数字和微波技术以一套准标准形式和谐共存，智能手机和其他无线设备就是一个典型的例子。在所有这些情况下，集成由需求所驱动——因为在这些电池供电设备中，没有空间留给不同标准的技术。

蓝牙产品和无线个域网（Zigbee）归属于无线通信，和无线接入点一样，一些医疗设备，和其他产品，其尺寸或其他限制因素决定了数字和微波技术集成是非常重要的。他们体积小和独特的数字和微波要求这种集成达到使用片上系统（SoC）方法的水平，因为这种方法可以真正地将数量惊人的功能集成在一个单一的芯片。一个很好的例子就是芯科实验室的Si468x数字接收IC，其本质上是低功耗多波段数字广播接收器，其支持调幅，长波、短波、调频、调幅和调频高清广播、数字音频广播、数字多媒体广播。

除此之外，它们包括一个OFDM信道解调器，音频DSP处理，片上源解码，I2S数字音频输出，一个立体声音频DAC、VCO、锁相环（PLL）、频率合成器、AGC SPI，I2C控制接口。典型应用包括多媒体手机、多媒体播放器、GPS设备和平板电脑，所有类型的固定和便携式收音机、音箱、娱乐系统。

图3：硅实验室Si468x数字广播接收器是一个一体化的解决方案。

有哪些挑战？

重要的是要注意其他国防电子制造商出于必要，也会在板级产品中集成了射频和微波技术。不同的是不像Mercury没有一家有如此远见能把标准方案公布出来。

第一个主要的挑战是让VITA会员在普通标准的开发流程之后批准以OpenVPX方式进行OpenRFM合并。有趣的是，OpenVPX在2009年被Mercury推荐，作为拓宽VPX标准访问的一个方法，以及拥有28家公司参与开发的一个工作组。面临的挑战是会出现许多同样的公司，他们几乎对射频和微波技术没有兴趣或技术能力来接受这个概念。如果他们这样做，他们肯定要有效地签署遵守标准，如果他们选择这种技术添加到他们的产品系列中。

如果OpenRFM被VITA接受之后进行root，接下来毫无疑问，最艰巨的挑战将是引导微波行业参与进来。这比OpenVPX困难的多，原因有两个。首先，正如VPX已经是VITA标准，并且需要引入完全新的或截然不同的技术。这个挑战将甩Mercury的对手几条街。

其次，微波行业至少这些服务于航空航天和国防的部门，没有像VITA一样的标准机构，并且不习惯处理国防部或其他政府机构以外的任何标准。它也与VITA和嵌入式系统业务没有关系。因此，OpenRFM可能很难卖给这些公司，虽然这个行业是否会参与进来，最初可能并不重要，因为它还需要来自国防部和主承包商的订单。然而，如果国防部授权其使用，IMA制造商就必须得遵守它。

限制和机会

OpenRFM本就适合这些射频输出功率很低的应用，因为更高的功耗需要更大质上是最的组件，导致子系统太大而不能集成在OpenVPX.这意味着它将用于系统的接收而不是发送部分并且在射频功率放大器，低噪声放大器和其他小信号子系统的低功耗驱动阶段。

然而，在子系统操作中高频（毫米波领域）使用还是非常吸引人的，其中组件比较低的频率和功率较低的组件要小的多。虽然不可能将高功率射频和OpenRFM内的微波子系统进行整合，但也许可以让他们去兼容它，这样仍然可以让来自各种微波制造商的系统统一标准。

接下来是什么…

OpenRFM第一次是在今年1月份的嵌入式社区VITA会议（被称为嵌入式技术趋势）上出现。下一步Mercury会在IEEE国际微波研讨会上为OpenRFM提交申请，而且现在已经在进行中。由IEEE发起，该行业的主要国际研讨会和展会汇集了几乎世界各地的所有行业。该公司在这次活动中做了一些演讲并首次针对电子战的应用程序引入500- 18 GHz数字微波调谐器。整个RFM-1RS18包含三个OpenRFM模块以单宽度6U VXS格式。在这个尺寸是一个转换器带四个IF输出和频率合成器。这个舞台还会出现什么，只有具有极高洞察力的人才敢大胆猜测。

值得注意的是，无论OpenRFM是否被嵌入式系统和微波社区所接受作为OpenVPX的一部分，Mercury都赢了，因为它仍然将这个公式用于自己的产品。然而，集成射频和微波IMA在一个板级产品（其中无一例外全是数字化）的动力这两个行业都面临迫在眉睫的挑战，因为国防部正在认真考虑改变设计规范。国防高级研究计划局（DARPA）和军队研发实验室、空军特别是海军都参与该项目。可能需要一些时间才能让国防工业广泛接受这个挑战，但从长远来看它别无选择。

OpenRFM发展背后的另一个最基本因素是：集成数字和微波技术是自第二次世界大战以来都是令人难以攻破的难题。毕竟设计工程师也是人，并且一般情况下都抵触具有颠覆性变化的挑战。缺乏将这两种技术在嵌入式“空间”结合的动力，谁知道什么时候才会有灵感突现呢，而且OpenRFM也许只是一个催化剂呢。