Using Wideband IF Digitizers to Solve Challenges in Streaming and Recording RF Signals

Aperçu

This paper describes various capabilities of wideband IF digitizers with built-in FPGA chips in the context of RF signal streaming. Topics include wideband signal streaming, variable burst signal recording, and narrowband signal monitoring.

Contents

Figure 1. Example Signals in 5 MHz–2 GHz Band

The Challenge

Many applications in verification and validation tests, spectrum surveillance, multiconstellation GNSS, and software-defined receivers require acquisition, real-time processing, and recording of RF signals. Modern analog-to-digital converter (ADC) technology enables direct sampling receivers operating at or above 2 GHz. This simplifies the architecture of the receivers, mainly in the case of multichannel systems, which require tight synchronization between channels. That is the case in direction finding systems for spectrum surveillance, over-the-horizon and passive radar, and antenna measurements.

Furthermore, the increasing demand for faster spectrum scanning and new types of radar requires receivers with wide instantaneous bandwidth and real-time signal processing.

Normally, current RF streaming systems take two forms: high-bandwidth, lossless streaming and narrowband streaming. The first type records all available bandwidth, which in modern applications implies gigabytes per second of data for systems sampling at 2 GS/s or higher. Active radar systems typically take advantage of wideband streaming.

Often, however, most of the useful information concentrates around a particular narrower band. This is where the second type of streaming comes in. Narrowband streaming enables data reduction and inline signal processing. Such systems require streaming to HDD signals that occupy relatively narrow bands with several central frequencies.

Example narrowband signals acquired, streamed, and analyzed (or recorded) by passive radar applications can originate from Digital Video Broadcasting—Terrestrial (DVB-T) or Advanced Television Systems Committee (ATSC) transmitters that are characterized by bandwidths of 6 MHz to 8 MHz, depending on the country, and are in VHF/UHF frequency ranges.

GNSS multiconstellation receiver tests are other examples for narrowband streaming, where the requirement is to use both GPS L5/L2 and GLONASS G1 and G2 signals. Users might focus their interest in signals that are only a few megahertz wide but that can be spaced even hundreds of megahertz apart.

Classification of Streaming Applications Covered in This Document

Figure 2. Classification of Streaming Applications Covered in This Document

 

After acquiring these wideband signals, these streaming systems require subsequent downconversion (shift in frequency), decimation, equalization, and calibration. The resulting narrowband signal then gets demodulated and decoded, further filtered, amplified, and stored to HDD or any combination of these functions.

At a high level, typical streaming and channelizing applications can be divided as figure 2 shows.

 

Streaming large bande

Pour mieux comprendre les défis liés au streaming à large bande, il faut d'abord comprendre les spécifications techniques du récepteur·IF. Ce document cible le module PXIe-5624R. Les récepteurs IF font généralement partie de l'analyseur de signaux vectoriels qui comprend le mélangeur, le récepteur·IF et les sources de signaux pour oscillateur local (LO). L'architecture de l'analyseur de signaux vectoriels de l'exemple est décrite dans le white paper Introduction to the PXIe-5668R—High-Performance 26.5 GHz Wideband Signal Analyzer.

La fréquence intermédiaire·IF est caractérisée par la gamme de fréquence de 5·MHz à 2·GHz et la bande passante de 800·MHz·typique (consultez les spécifications techniques pour en savoir plus). Après avoir ajouté un signal de bruit (dither) à bande limitée, qui aide à réduire les effets de quantification du convertisseur C·A/N et à améliorer les performances spectrales, le convertisseur échantillonne le signal jusqu'à 2·Géch./s avec une résolution de 12·bits. Le FPGA embarqué traite ces échantillons et transfère les données aux autres instruments (contrôleur PXI Express, RAID) par le biais du PCI Express Gen·2x8, qui permet le streaming de données à des vitesses théoriques pouvant atteindre 4·Go/s. Dans le cas du streaming large bande, le FPGA n'effectue qu'une seule conversion numérique par abaissement de fréquence (DDC) pour toutes les données en entrée, contrairement à plusieurs conversions DDC indépendantes dans le cas de la bande étroite, comme mentionné plus loin dans ce document.


Figure 3. Diagramme du numériseur IF PXIe-5624R

 

Bit Packing

Lorsque l'on parle de streaming à large bande, il faut considérer non seulement la bande passante théorique disponible du bus PCI Express, mais aussi ses limites pratiques (c'est-à dire contrôler les messages qui utilisent le même bus). La première implémentation (et la plus simple) pour l'envoi de données sur le bus PCI Express consisterait à envoyer des échantillons 16·bits, l'un après l'autre, même si les données du convertisseur C·A/N ne sont que de 12·bits. Cependant, cette approche conduit à des limites théoriques de 4·Go/s par liaison PCI Express disponibles dans le module PXIe-5624R (2·octets par échantillon à 2·Géch./s donnent 4·Go/s), ce qui ne permet pratiquement pas le streaming continu. Toutefois il existe une solution astucieuse, le bit packing. Le bit packing permet de compresser quatre échantillons de 12·bits en trois mots de 16·bits. Par conséquent, cette méthode réduit le débit de données de 4·Go/s à 3·Go/s, permettant ainsi le streaming continu des données.

 

Synchronisation inter-modules

Souvent, il est nécessaire d'effectuer un streaming continu à partir de plusieurs modules du même type. Ces systèmes RF synchronisés et multivoies permettent certaines applications telles que la radiogoniométrie. En analysant la différence de phase du signal en entrée entre différents canaux, le système peut déterminer la direction de la source du signal.

Dans ce cas, les numériseurs sont verrouillés sur la même horloge de référence. Par défaut, il s'agit de l'horloge 100·MHz du fond de panier du PXI·Express. De ce fait, la synchronisation permet de démarrer l'acquisition sur plusieurs instruments en même temps, ou plus précisément à quelques dizaines de picosecondes les uns des autres. Mais il est essentiel que le décalage entre les numériseurs soit le même d'un cycle à l'autre, tant que la température est la même, de sorte que le décalage puisse être amélioré avec l'étalonnage. Aucun module de temporisation ou câblage externe n'est requis pour que la synchronisation fonctionne. La synchronisation utilise deux lignes de déclenchement sur le fond de panier du PXI Express.

 

Mode rafale

En mode rafale, les données sont transmises à l'hôte seulement après le signal de déclenchement. Le signal de déclenchement peut être connecté directement à la carte numériseur·IF à l'aide du connecteur PFI0, ou être déclenché par logiciel. En mode rafale, les utilisateurs peuvent définir la logique du FPGA pour configurer quelques paramètres·:

  • Longueur de l'enregistrement (Nx)
  • Période de l'enregistrement (Mx)
  • Nombre d'enregistrements par déclenchement
  • Nombre d'échantillons avant déclenchement

Figure 4. Exemple de scénario d'acquisition en rafale

Un tel scénario d'acquisition en rafale peut être implémenté de manière à permettre des longueurs et des délais d'enregistrement variables. Les descriptions de scénarios peuvent être définies sur la machine hôte et transmises ultérieurement vers le FPGA. Le signal de déclenchement peut cependant produire des échantillons avec une incertitude d'environ 8·ns, car le signal PFI0 est échantillonné à 125·MHz.

Figure 5. Incertitude du déclenchement résultant de l'échantillonnage du PFI0 à 125·MHz

 

Narrowband Streaming

Narrowband streaming is often needed in GNSS validation, spectrum monitoring, passive radar, and direction finding applications. In such cases, users often are interested in multiple relatively narrowband signals that are within a defined, larger spectrum component and often coming from multiple spatially distributed antennas.

The strong requirement is that the signals are acquired simultaneously, which makes it impossible to use traditional, swept vector signal analyzers. The solution for such a challenge is called a channelizer—the application that acquires a wideband signal containing all narrowband signals of interest and then separates them using DDC on an FPGA, thereby significantly reducing data rates.

 

Digital Downconversion

Because of its parallel structure, it is possible to implement numerous DDC logic blocks on an FPGA, allowing for the simultaneous analysis of multiple narrowband signals. The first stage of DDC uses a digital quadrature mixer that shifts a signal to baseband from any frequency within the range of the digitizer. The next stage decimates (reduces the sample rate). Programmable digital FIR lowpass filters prior to each stage of decimation prevent aliasing when the sample rate is reduced. Users can retrieve the decimated data as in-phase and quadrature.

Additionally, users can perform digital signal processing for the digital correction of analog imperfections in the system such as:

  • Digital Gain—Digitally controls the I and Q signal amplitudes
  • Digital Offset—Digitally controls the I and Q signal offsets
  • Equalization—Filters the I/Q data to equalize the analog response of a device
  • I/Q Impairments—Modifies the I/Q data to correct or apply I/Q impairments such as gain imbalance, quadrature skew, or DC offset

One PXIe-5624R device with its Xilinx Kintex-7 XC7K410T can fit up to 12 DDCs with 37.5 MHz I/Q rates or 8 DDCs with 93.75 MHz I/Q rate (contact NI for details). Subbands can be streamed to RAID and/or analyzed online on the host machine.

 

Multiantenna DDC Using IF Receivers

As mentioned above, multiple PXIe-5624R devices can be synchronized for acquisition from multiple antennas, for example, for direction finding applications. In such cases, users can define up to 12 center frequencies with selected I/Q rates and multiple IF modules will downconvert signals from multiple antennas. The PXI Express solution simplifies the synchronization of the multiple PXIe-5624R ADCs.

  • The following parameters can be set in such case:
  • Channels’ center frequencies
  • Channels’ I/Q rate
  • ADC clock source
  • Clock out
  • Burst size (for burst acquisition)
  • Burst wait period in samples
  • Shaping filter’s parameter

Example Configuration Window for a Multimodule, Multichannel Channelizer Application

Figure 6. Example Configuration Window for a Multimodule, Multichannel Channelizer Application

 

Figure 7. Shaping Filter’s Parameters

 

Various Options for Phase Noise Reduction

Figure 8. Various Options for Phase Noise Reduction

 

Phase Noise Considerations and Improvements

The open architecture of the PXIe-5624R IF receivers allows for using external clock signals in applications where keeping the phase noise to a minimum plays a critical role. Users can choose the best way of providing clocking signals to ADC, depending on the requirement of the system and available budget. Figure 8 shows various possible configurations of clock sourcing. The PXIe-6674T module is a timing and synchronization module developed for multimodule, multichassis systems (phase noise marked with green on Figure 8), whereas PXIe-5653 is a low-phase noise LOs generator (marked with blue and purple on Figure 8). Lowest phase noise is achieved with the PXIe-5653 module, whereas PXIe-6674T is a compromise between cost and performance.

 

Conclusion

NI’s PXI-based IF receivers (PXIe-5624R) with built-in FPGAs are powerful devices that empower some of the most demanding streaming applications such as radar test, GNSS validation, agile spectrum monitoring, and direction finding. Their open architecture in combination with the power of the PXI platform allow for easy expansion into multiple channels with guaranteed phase synchronization and coherence.

Furthermore, the NI modular approach allows users to add components such as mixers (with central frequencies up to 26.5 GHz in PXI Express form factor or 72 GHz to 76 GHz radio head), switches, power amplifiers/attenuators, and preselector modules.