電磁スペクトルは、ますます議論を呼んでいる軍事分野です。電子妨害手段は高度化し、第5世代の戦闘機の探知はますます難しくなっており、世界のほとんどの大国が、スペクトルの支配を可能にするサイバー軍事テクノロジに投資しています。さらに携帯通信業者が5Gの導入を始め、自動車メーカーがV2X通信を推し進め、IoTが無数のデバイスへのワイヤレス接続をもたらすにつれて、スペクトルの商用利用は指数関数的に拡大しつつあります。

この進化に伴い、ISR(情報収集、監視、偵察)システムを設計、テストする研究者やエンジニアに新たな課題が浮上しています。エンジニアにとっては、コスト効率と時間効率の良い方法を使用して、ますます複雑なシステムを設計することが求められるため、これらの課題は技術革新のチャンスとなります。

しかも、こうした課題に対応するために、これらの高度なシステムを可能にする基盤テクノロジも 進化しています。レーダーの設計やテストに使用される計測器およびテスト装置のプロバイダとして、 NIは最新の4つの技術革新が、今後数年間、レーダーテクノロジを実現する上で最大の影響を与えると考えています。

1. フロントエンドコンポーネント用のGaN

GaNはSi以来、半導体分野における最大の技術革新と考えられており、従来の半導体材料よりもはるかに高い電圧で動作が可能な材料です。

電圧が高いほど効率が良いので、GaNを使用するRFパワーアンプやアッテネータは消費電力が少なく、発熱も少なくなります。生産準備が完了した、信頼性の高い製品を携えて市場に参入する、GaNベースのRFコンポーネントのサプライヤの数が増えるにつれ、GaNベースのアンプの利用が増加しています。

このテクノロジは、AESA(アクティブ電子走査アレイ)レーダーシステムの進化にとって重要な意味を持ちます。AESAは数百から数千のアンテナを備えた完全にアクティブな配列で、各アンテナは独自の位相とゲイン制御を備えています。こういったレーダーシステムは送受信機のフェーズドアレイを使用して、物理的にアンテナを動かすことなく電子的にビームステアリングを行います。

この種類のレーダーシステムは、その他の従来レーダーと比較して、ターゲットの捕捉能力、空間分解能、堅牢性が向上しているため、人気が上昇しています。たとえば、配列の1つの素子で障害が発生した場合でもレーダーは動作を継続します。AESAレーダーでのGaNアンプの利用が増加することで、パフォーマンスが向上し、より小さいフォームファクタで同等の出力電力を達成でき、冷却の必要性も少なくて済みます。

GaNテクノロジを用いたアプリケーションやソリューションが高度化するにつれて、コンポーネントレベルとシステムレベルそれぞれのテスト結果を関連付けることがますます重要になります。

ベクトルネットワークアナライザを使用する従来のコンポーネントテスト方法は、順方向および反射のゲインと位相の、正確かつ狭帯域のビューを提供します。しかし、この一般的な方法での連続波(CW)の刺激信号は、コンポーネントが最終的に使用される実際の信号環境を正確には反映しません。その代わりに、ベクトル信号アナライザとベクトル信号発生器の柔軟な広帯域を活用して、現実世界のアプリケーションとその環境をより忠実に表したパルスと変調した刺激信号を生成できます。この機能とSパラメータ解析を組み合わせることは、コンポーネントレベルでのテストのより戦略的な手法となりつつあります。

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2. 送受信用の高速データコンバータ

変換器のテクノロジは毎年進化し続けています。今日の大手半導体メーカーのA/D変換器(ADC)およびD/A変換器(DAC)のサンプルレートは、同等の分解能で比較すると、5年前の旧バージョンと比べて桁違いに進歩しています。こうした高速ADCで分解能が向上することで、レーダーのダイナミックレンジが高まり、広い瞬時帯域幅が提供されます。

ダイナミックレンジは動作範囲を最大化するために重要な要因です。たとえば、F-35などの第5世代戦闘機ははるかに離れた距離からターゲットを識別することが可能です。瞬時帯域幅が広がると、パルス圧縮による空間分解能の向上、低被探知(LPI)レーダーなどの高度な技術の実装など、さまざまな利点がもたらされます。

広い帯域幅によって可能となるもう1つのトレンドは、センサフュージョンです。これにより、1つの信号チェーンを複数の機能に割り当てることができます。たとえば、複数の周波数帯域に複数の波形タイプを分割することで、広帯域センサを通信システムおよびレーダーの両方として同時に使用することができます。

また、多くの半導体メーカーは、最大6.4GS/秒のデータ収集が可能なTIの「ADC12DJ3200」など「ダイレクトRFサンプリング変換器」と呼ばれるADCおよびDACを販売しています。このようなサンプルレートで12ビットの分解能を持つRFサンプリング変換器は、アップコンバージョンやダウンコンバージョンなしにRF入力信号をCバンドまで直接変換できます。変換器が進化を続ければ、将来的にレーダーはCバンドとXバンドの両方でダイレクトRFサンプリングを行えるようになるでしょう。

ダイレクトRFサンプリングアーキテクチャはAESAレーダーの世界を一変させるでしょう。完全にアクティブな配列では、各アンテナエレメントに独自のADCおよびDACが必要です。これは、ADCおよびDACがレーダーの動作周波数で直接サンプリングできない場合、各送受信モジュール(TRM)も独自のアップコンバージョン/ダウンコンバージョンステージが必要であることを意味します。

これにより、設計コスト、サイズ、性能のばらつきが増加します。しかし、ダイレクトRFサンプリングアーキテクチャを使用することで、ミキサや内部発振器(LO)を排除してRFフロントエンドアーキテクチャを簡素化し、コスト、サイズ、複雑さを低減できます。このような送受信機の大規模配列により、ダイレクトRFサンプリングアーキテクチャはチャンネル密度を大幅に向上させ、チャンネルあたりのコストを削減することができます。

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計測に対するモジュール式のアプローチにより、NIは商用計測器で広く利用可能になる前に最新の変換器を迅速に市場に提供します。たとえば、NIの最新のFlexRIOトランシーバはダイレクトRFサンプリング変換器を使用して最大6.4GS/秒でサンプリングを行います。これは、研究者やエンジニアが、実世界のI/Oを使って迅速に試作を行い、今日のレーダーの最先端の性能に適合したテストベンチを開発するのに役立ちます。また、これらのデバイスはPXIの上級タイミングおよび同期のバックプレーンを活用して、1つのシステムにおける数十から数百のチャンネルにわたる位相コヒーレンスも可能にします。

3. コグニティブ技術に向けて進化するFPGAテクノロジ

FPGAテクノロジもまた、進歩し続けています。最新のFPGAは非常に多くのロジックを搭載し、ワットあたりの演算能力が向上し、専用IPブロックにより最大150Gb/秒という高速データストリーミングをサポートします。現在、FPGAの演算能力が向上したことで、5年前にはまず不可能だった革新的な技術への扉が開かれています。

新しいFPGAテクノロジが可能にする技術革新の1つとして、コグニティブレーダーにおける機械学習技術の応用が挙げられます。この技術により、レーダーの環境への応答性が向上し、より実用的なインサイトを提供できます。機械学習によって、レーダーはあらかじめプログラムされた操作モード(探索モード、追尾モードなど)ではなく、動作周波数や波形タイプなど、もっとも適した動作パラメータに自動的に順応できます。機械学習はまた、自動ターゲット認識(ATR)などの機能を可能とし、知識支援型の動作を促進します。

航空宇宙/防衛関連組織はFPGAテクノロジを長年にわたり使用していますが、もう1つの進化はハイレベルのFPGA設計ツールの進歩です。ハイレベルのツールは、ホストベースのアルゴリズムからFPGAへの移行を簡素化しながら、設計にローレベルHDLを統合することで開発効率を向上させることができます。

LabVIEW FPGAの場合、PCI Express、JESD204B、メモリコントローラ、クロックなどのボードインフラストラクチャの抽象化を通じて、NIのハードウェアとソフトウェアの緊密な統合によるメリットを得ることもできます。こうしてFPGA開発の焦点をボードサポートからアルゴリズム設計にシフトさせることで、性能を妥協することなく、開発の労力を削減できます。

より抽象化されたFPGAツールが開発サイクルの短縮にもたらす大改革は、これまでのVHDLやVerilogの専門知識がないソフトウェアエンジニアや研究者、厳しいスケジュールを守らなければならないハードウェアエンジニアにも影響を及ぼします。

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4. センサフュージョン用の高帯域幅データバス

もう1つの重要なトレンドとして、高帯域幅センサデータを集中処理装置に戻して演算を行うために、PCI Express Gen 3、40/100GbE、ファイバチャンネル、Xilinx Auroraなどの高帯域幅データバスへの依存度が高まりが挙げられます。

たとえば、F-35の統合コアプロセッサは複数のISRセンサのデータを集約して、データセット全体での処理を可能にします。これにより、パイロットの状況認識が向上します。このトレンドの中心には、高速シリアルトランシーバテクノロジ(マルチギガビットトランシーバまたはMGTとも呼ばれます)の進化があります。

このテクノロジは近年急速に進歩しており、現在のラインレートはレーンあたり32Gbpsに達し、PAM4で56Gbpsの達成も見えてきました。FPGAは主に処理リソースとして考えられていますが、非常に高度なMGTを搭載するものもあり、センサ開発の理想的な目標となっています。

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モジュール式計測器を使用することの利点は、処理能力や帯域幅が時間の経過とともに急速に増加するにしたがって、システムを簡単に進化させられることです。PXIプラットフォームは特に、高帯域幅のデータストリーミングと統合されたタイミング/同期機能を必要とするシステムに適しています。

モジュール式のCOTS計測器による連携

これまでに紹介した基盤テクノロジの急速な進化に伴い、レーダーの技術とアーキテクチャは複雑化が進み、機能も向上しています。テクノロジの継続的な進歩に合わせて、テストシステムも進化し続ける必要があります。設計能力と詳しい知識の両方を社内で確保できるのであれば、レーダーの試作およびテストシステム向けにフルカスタムのハードウェアおよびソフトウェアを社内開発することは、要求されるカスタマイズと性能を実現する上で唯一の実行可能な選択肢のように思われるかもしれません。しかし、このようなソリューションは長期間の保守業務と機会費用も伴います。

FPGAの出現と、モジュール式フォームファクタで可能となった新しい変換器テクノロジおよびストリーミングテクノロジの急速な普及により、COTSソリューションは仕様要件を満たすだけでなく、システムの寿命を延ばし長期稼動を達成するための柔軟性も提供できます。

NIはこれらのテクノロジをモジュール式のCOTSフォームファクタに迅速に取り込むことで、エンジニアが厳しいスケジュールや予算を守りながら、高度レーダーシステムの進化する要件を満たすことを可能にします。

リア・ラングストン

著者プロフィール

リア・ラングストン
National Instruments
プロダクトマーケティングマネージャー

「FlexRIO」や「LabVIEW」 FPGAモジュールを含むNI FPGAハードウェアおよびソフトウェア製品のプロダクトマーケティングを担当。2012年NI入社。顧客を直接サポートするアプリケーションエンジニアとして、オースティンを拠点とするサポートグループの管理を行った。その後「CompactRIO」のシングルボードコントローラやシステムオンモジュールなどのNIの組込み製品ラインのマーケティングを目的とした製品マーケティングへ転向。再生可能エネルギーおよびパワーエレクトロニクスの専門知識を磨く。 最近では、NIの自動テストポートフォリオに焦点を広げ、航空宇宙/防衛のテストアプリケーションに重点を置き、NIのFPGA対応計測器の発売を主導
電気工学の学士号を取得(コロラド鉱山大)