Streaming und Aufzeichnung von RF-Signalen mit Breitband-ZF-Digitizern

Überblick

In diesem Whitepaper werden verschiedene Funktionen von Breitband-ZF-Digitizern mit integriertem FPGA für das Streamen von RF-Signalen vorgestellt. Zu den behandelten Themen gehören das Streaming von Breitbandsignalen, die variable Aufzeichnung von Burst-Signalen und die Überwachung von Schmalbandsignalen.

Inhaltsverzeichnis

  1. Die Herausforderung
  2. Breitbandübertragung
  3. Schmalbandübertragung
  4. Phasenrauschen – Überlegungen und Verbesserungen
  5. Fazit

Abb. 1: Beispielsignale im 5-MHz- bis 2-GHz-Band

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Die Herausforderung

Für viele Anwendungen im Bereich Verifizierung und Validierung sowie Spektrumüberwachung und Multi-GNSS-Konstellationen müssen RF-Signale erfasst, in Echtzeit verarbeitet und aufgezeichnet werden. Die moderne Analog-Digital-Wandlertechnik ermöglicht den Einsatz von Empfängern für das direkte Abtasten mit bzw. über 2 GHz. Dadurch wird die Empfängerarchitektur vereinfacht, vor allem bei Mehrkanalsystemen, die eine enge Synchronisierung zwischen den Kanälen erfordern. Beispiele hierfür sind Systeme zur Richtungsbestimmung für die Spektrumüberwachung, Überhorizont- und passive Radarsysteme.

Da das Abtasten des Spektrums immer schneller erfolgen muss und laufend neue Radarsysteme benötigt werden, sind Empfänger mit einer großen Bandbreite und Signalverarbeitung in Echtzeit erforderlich.

In der Regel werden unterschiedliche Systemvarianten für das RF-Streaming verwendet: verlustfreie Übertragung mit hoher Bandbreite und Schmalbandübertragung. Mit dem ersten Systemtyp wird die gesamte verfügbare Bandbreite erfasst. Bei modernen Anwendungen bedeutet das gewöhnlich, dass pro Sekunde mehrere Gigabyte an Daten anfallen, wenn ein System mit einer Geschwindigkeit von mindestens 2 GS/s abtastet. Aktive Radarsysteme nutzen in der Regel die Breitbandübertragung.

Häufig konzentrieren sich die nützlichen Informationen jedoch um ein bestimmtes schmaleres Band. Hier kommt die zweite Systemvariante ins Spiel. Durch Schmalbandübertragung sind Datenreduktion und Inline-Signalverarbeitung möglich. Diese Systeme erfordern ein Streaming der Signale, die relativ schmale Bänder mit mehreren Zentralfrequenzen beanspruchen, an eine Festplatte.

Schmalbandsignale zum Beispiel, die bei passiven Radaranwendungen erfasst, übertragen und analysiert (oder aufgezeichnet) werden, können z. B. von Sendern für die terrestrische digitale Fernsehübertragung (wie DVB-T oder ATSC) erzeugt werden, die je nach Land Bandbreiten von 6 bis 8 MHz belegen und den VHF- oder UHF-Bereich nutzen.

Tests von Multi-GNSS-Konstellationen sind ein weiteres Beispiel für die Schmalbandübertragung, wobei sowohl GPS-Signale der L5- und L2-Frequenz als auch GLONASS-Signale der G1- und G2-Frequenz verwendet werden. Für Anwender können Signale interessant sein, die nur wenige Megahertz breit sind, aber Hunderte von Megahertz auseinanderliegen.

Abb. 2: Klassifizierung der in diesem Dokument behandelten Streaming-Anwendungen

 

Nach der Erfassung der Breitbandsignale muss das Übertragungssystem noch eine Abwärtswandlung (Frequenzverschiebung), Dezimierung, Entzerrung und Kalibrierung durchführen. Das daraus resultierende schmalbandige Signal wird anschließend demoduliert und dekodiert, weiter gefiltert, verstärkt und auf Festplatte gespeichert. Dabei sind unterschiedliche Kombinationen dieser Funktionen möglich.

Typische Streaming-Anwendungen lassen sich z. B. so wie in Abbildung 2 gezeigt unterteilen.

 

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Breitbandübertragung

Um die Herausforderungen bei der Breitbandübertragung besser zu verstehen, müssen zunächst die technischen Spezifikationen des ZF-Empfängers klar sein. In diesem Whitepaper geht es um das Modul PXIe-5624R. In der Regel sind ZF-Empfänger Bestandteil des Vektorsignalanalysators, der den Mischer, den ZF-Empfänger und die Signalquellen für den Lokaloszillator umfasst. Die Architektur des als Beispiel verwendeten Vektorsignalanalysators wird im Whitepaper Einführung zum leistungsstarken Breitband-Signalanalysator PXIe-5668R bis 26,5 GHz vorgestellt.

Die Zwischenfrequenz (ZF) liegt im Frequenzbereich von 5 MHz bis 2 GHz und hat eine typische Bandbreite von 800 MHz (s. technische Spezifikationen). Nachdem ein bandbegrenztes Rauschsignal hinzugefügt wurde, mit dem die Auswirkung der Quantisierung des A/D-Wandlers reduziert und die spektrale Leistung verbessert wird, tastet der A/D-Wandler das Signal bei bis zu 2 GS/s mit einer Auflösung von 12 bit ab. Der integrierte FPGA verarbeitet diese Samples und überträgt die Daten über eine PCI-Express-Schnittstelle der 2. Generation an andere Geräte (PXI-Express-Controller, RAID). Dadurch ist ein Daten-Streaming mit theoretischen Raten von bis zu 4 GB/s möglich. Im Falle der Breitbandübertragung führt der FPGA nur eine digitale Abwärtswandlung für alle eingehenden Daten aus. Beim Schmalband erfolgen mehrere unabhängige Abwärtswandlungen, worauf im Verlauf dieses Dokuments noch eingegangen wird.


Abb. 3: Blockdiagramm des ZF-Digitizers PXIe-5624R

 

Das Packen von Bits

Beim Thema Breitbandübertragung muss nicht nur die theoretisch verfügbare Bandbreite der PCI-Express-Schnittstelle betrachtet werden, auch die praktischen Einschränkungen (durch die Steuerbefehle, die über denselben Bus verschickt werden) spielen eine Rolle. Die erste und einfachere Implementierung für das Versenden von Daten über die PCI-Express-Schnittstelle besteht darin, 16-bit-Samples zu verschicken, und zwar eines nach dem anderen, auch wenn die Daten vom A/D-Wandler nur 12 bit groß sind. Diese Herangehensweise führt jedoch zu einer theoretischen Begrenzung von 4 GB/s pro verfügbarer PCI-Express-Verbindung des PXIe-5624R-Moduls (2 Byte/Samples bei 2 GS/s entsprechen 4 GB/s), sodass in der Praxis kein kontinuierliches Streaming möglich wäre. Dafür gibt es jedoch eine clevere Lösung: das Packen von Bits. Damit können vier 12-bit-Samples in drei 16 bit lange Wörter gepackt werden. Durch diese Methode wird die Datenrate von 4 GB/s auf 3 GB/s reduziert, wodurch ein kontinuierliches Daten-Streaming möglich ist.

 

Synchronisierung zwischen Modulen

Häufig müssen Daten von mehreren Modulen desselben Typs kontinuierlich übertragen werden. Diese synchronisierten RF-Systeme mit mehreren Kanälen ermöglichen bestimmte Anwendungen, wie z. B. die Richtungsbestimmung. Mithilfe einer Analyse der Phasendifferenz des eingehenden Signals zwischen unterschiedlichen Kanälen kann das System die Richtung der Signalquelle bestimmen.

In einem solchen Fall werden die Digitizer mit demselben Referenztakt gekoppelt. Das ist standardmäßig der 100-MHz-Takt der PXI-Express-Backplane. So ist es dank Synchronisierung möglich, die Erfassung auf mehreren Geräten zur selben Zeit zu starten oder genauer gesagt mit einer relativen Verschiebung von wenigen 10 ps. Wichtig dabei ist, dass der Versatz zwischen den Digitizern bei jeder Ausführung derselbe ist, solange die Temperatur dieselbe ist, damit der Versatz mittels Kalibrierung korrigiert werden kann. Die Synchronisierung ist ohne Timing-Modul oder externe Verkabelung möglich. Sie nutzt zwei Trigger-Leitungen der PXI-Express-Backplane.

 

Burst-Modus

Im Burst-Modus werden Daten erst nach Auftreten des Triggersignals an den Host übertragen. Das Triggersignal kann über den PFI0-Anschluss direkt mit dem ZF-Digitizer verbunden oder über einen Software-Trigger ausgelöst werden. Im Burst-Modus kann der Anwender die Logik des FPGAs so festlegen, dass einige Parameter konfigurierbar sind:

  • Datensatzlänge (Nx)
  • Datensatzdauer (Mx)
  • Anzahl der Aufzeichnungen pro Trigger
  • Anzahl der Samples vor dem Trigger

Abb. 4: Beispiel einer Burst-Erfassung

Ein Burst-Szenario lässt sich so implementieren, dass verschiedene Datensatzlängen und Verzögerungen möglich sind. Beschreibungen der Szenarien können auf dem Host-Gerät definiert und später an den FPGA übertragen werden. Das Triggersignal kann allerdings Samples mit einer Abweichung von etwa 8 ns erzeugen, da das PFI0-Signal selbst mit 125 MHz abgetastet wird.

Abb. 5: Triggerabweichung aufgrund der Abtastung von PFI0 bei 125 MHz

 

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Schmalbandübertragung

Eine Schmalbandübertragung ist häufig bei der Validierung von GNSS-Konstellationen, der Spektrumüberwachung, bei passiven Radarsystemen und Richtungsbestimmung erforderlich. In diesen Fällen sind Anwender zumeist an mehreren relativ schmalbandigen Signalen interessiert, die sich innerhalb eines definierten größeren Frequenzbereichs befinden und oft von mehreren räumlich verteilten Antennen stammen.

In diesem Zusammenhang wird empfohlen, die Signale simultan zu erfassen. Allerdings ist dann der Einsatz klassischer durchgestimmter Vektorsignalanalysatoren nicht möglich. Die Lösung hierfür ist ein Channelizer. Damit wird ein Breitbandsignal erfasst, das alle relevanten Schmalbandsignale beinhaltet und sie dann mithilfe digitaler Abwärtswandlung auf einem FPGA trennt. Dadurch wird die Datenrate deutlich reduziert.

 

Digitale Abwärtswandlung

Aufgrund der parallelen Struktur des FPGAs ist es möglich, zahlreiche Logikblöcke für die digitale Abwärtswandlung auf dem FPGA zu implementieren. Dadurch können mehrere schmalbandige Signale simultan analysiert werden. Bei der digitalen Abwärtswandlung wird zuerst ein digitaler Quadratur-Mischer verwendet, der innerhalb des Bereichs des Digitizers ein Signal aus jeder beliebigen Frequenz ins Basisband verschiebt. Als nächstes folgt die Stufe der Dezimierung (hierbei wird die Sample-Rate reduziert). Programmierbare digitale FIR-Tiefpassfilter verhindern vor jeder Dezimierung ein Aliasing, wenn die Sample-Rate reduziert wird. Die dezimierten Daten können als In-Phase- und Quadratursignale abgerufen werden.

Außerdem können Anwender eine digitale Signalverarbeitung durchführen, um analoge Ungenauigkeiten im System digital zu korrigieren. Dazu gehören u. a.:

  • Digitale Verstärkung: digitale Steuerung der Amplituden der I- und Q-Signale
  • Digitaler Offset: digitale Steuerung der Offset der I- und Q-Signale
  • Entzerrung: Filterung der I/Q-Daten, um die Analogantwort eines Geräts zu entzerren
  • I/Q-Störsignale: Veränderung der I/Q-Daten, sodass I/Q-Störsignale ausgeglichen oder angewendet werden, darunter Gain Imbalance, Quadrature Skew oder DC-Offset

Ein einzelnes PXIe-5624R-Modul kann mit seinem Kintex-7-XC7K410T-FPGA von Xilinx bis zu 12 digitale Abwärtswandler mit I/Q-Raten von 37,5 MHz oder acht digitale Abwärtswandler mit einer I/Q-Rate von 93,75 MHz umfassen. Weitere Informationen können bei NI angefragt werden. Unterbänder können auf RAID gestreamt und/oder online auf dem Host-Rechner analysiert werden.

 

Digitale Abwärtswandlung mit mehreren Antennen unter Einsatz von ZF-Empfängern

Wie oben bereits erwähnt, können mehrere PXIe-5624R-Geräte zur Erfassung von mehreren Antennen synchronisiert werden, z. B. für die Richtungsbestimmung. Anwender können in solchen Fällen bis zu 12 Zentralfrequenzen mit ausgewählten I/Q-Raten festlegen. Die Abwärtswandlung von Signalen erfolgt mithilfe mehrerer ZF-Module. Die PXI-Express-Lösung vereinfacht die Synchronisierung der verschiedenen PXIe-5624R-A/D-Wandler.

  • Hierbei lassen sich folgende Parameter festlegen:
  • Zentralfrequenzen der Kanäle
  • I/Q-Rate der Kanäle
  • Taktquelle des A/D-Wandlers
  • Clock Out
  • Burst-Größe (bei Burst-Erfassung)
  • Burst-Wartezeit in Samples
  • Filterparameter

Abb. 6: Beispielkonfigurationsfenster für eine Channelizer-Anwendung mit mehreren Modulen und Kanälen

 

Abb. 7: Filterparameter

 

Abb. 8: Optionen zur Verringerung des Phasenrauschens

 

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Phasenrauschen – Überlegungen und Verbesserungen

Die offene Architektur der PXIe-5624R-ZF-Empfänger erlaubt den Einsatz externer Taktsignale für Anwendungen, bei denen ein möglichst geringes Phasenrauschen eine entscheidende Rolle spielt. Der Anwender kann je nach Systemanforderungen und verfügbarem Budget auswählen, welche Taktsignale dem A/D-Wandler zur Verfügung gestellt werden. Abbildung 8 zeigt unterschiedliche Konfigurationen von Taktquellen. Das Modul PXIe-6674T ist ein Timing- und Synchronisationsmodul für Systeme mit mehreren Modulen und Chassis (Phasenrauschen wird in Abbildung 8 in grün dargestellt). Beim PXIe-5653 handelt es sich um eine Quelle für den Lokaloszillator mit niedrigem Phasenrauschen (in Abbildung 8 durch blaue und lilafarbene Linien dargestellt). Das geringste Phasenrauschen wird mit dem PXIe-5653-Modul erzielt. Das PXIe-6674T bietet jedoch einen guten Kompromiss zwischen Kosten und Leistung.

 

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Fazit

Die PXI-basierten ZF-Empfänger von NI (PXIe-5624R) mit integriertem FPGA sind leistungsstarke Geräte, die sich für einige der anspruchsvollsten Streaming-Anwendungen eignen, darunter Radartests, Validierung von GNSS-Konstellationen, flexible Spektrumüberwachung und Richtungsbestimmung. Ihre offene Architektur ermöglicht in Kombination mit der leistungsstarken PXI-Plattform eine einfache Erweiterung auf mehrere Kanäle mit garantierter Phasensynchronisation und -kohärenz.

Dank des modularen Ansatzes von NI können Anwender Komponenten wie Mischer (mit Zentralfrequenzen bis zu 26,5 GHz im PXI-Express-Formfaktor oder Funkempfänger von 72 bis 76 GHz), Schaltmodule, Leistungsverstärker/Dämpfer und Preselectors hinzufügen.

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