​RF-Aufnahme- und Wiedergabesysteme: Analyse und Emulation realer Signale ermöglichen

Es ist sinnvoll, ein einfaches Aufnahme- und Wiedergabesystem in drei Teile zu gliedern: den Empfänger oder Rekorder, die Datenspeicherung und den Sender.

Abbildung 1: Einfaches Aufnahme- und Wiedergabesystem

Der Empfänger erfasst das RF-Signal von Interesse. Für RF-Aufzeichnungsanwendungen sind Signale von Interesse, sowohl gepulst als auch kontinuierlich, breit gefächert und reichen von freundlichen oder neutralen Quellen wie GPS/GNSS bis zu Bedrohungssignalen wie denen für Störsender oder Spoofing. Nachdem das Signal erfasst und aufgezeichnet wurde, kann der Ingenieur zur weiteren Offline-Analyse in sein Labor zurückkehren. Eine tiefgehende Analyse zuverlässig aufgezeichneter Signale ist wichtig in Anwendungen wie Signalaufklärung sowie Kanalmodellierung und Kanalsondierung. Die Durchführung von Kanalsondierungen und die Erstellung präziser Kanalmodelle sind in der drahtlosen Kommunikation entscheidend. Neue Spektrum-Anforderungen für 6G und die Ausweitung von nicht-terrestrischen Netzwerken (NTNs) treiben den Bedarf an neuen Kanalmodellen in zunehmend kommerziellen Anwendungsfällen voran. Darüber hinaus verlangen Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsorganisationen zunehmend mission-kritische Tests und die Modernisierung militärischer Plattformen.

Wenn RF-Wiedergabe benötigt wird – und nicht nur eine Offline-Verarbeitung – wird das Signal nach der Aufzeichnung mithilfe eines Senders wiedergegeben. RF-Wiedergabe ist nützlich für folgende gängige Anwendungen:

• Stimulation eines Prüflings
• Signalquelle während der Produktentwicklung
• Kanalemulation

Zu den Designüberlegungen für Empfänger und Sender gehören Bandbreite und Datendurchsatz, Systemgröße und Kosten, Phasenkohärenz und Synchronisation sowie Skalierbarkeit und Flexibilität. 

Viele heute auf dem Markt befindliche Systeme sind auf eine sofortige Bandbreite von 1 GHz oder weniger begrenzt und unterstützen oft nur einen Kanal. Bei modernen Systemen verhindert diese Einschränkung eine vollständige Erfassung der Umgebung. Die Aufzeichnung von 1 GHz I/Q-Daten in voller Auflösung kann Schreibgeschwindigkeiten erfordern, die nahezu das Fünffache der Signalbandbreite betragen (MB/s). Das Aufrechterhalten eines verlustfreien Durchsatzes bei diesen Raten über mehrere Kanäle hinaus übersteigt schnell die Kapazitäten herkömmlicher Speicher- und Streaming-Architekturen.

Die Auswahl des richtigen RF-Senders und -Empfängers ist wichtig, doch die Auswahl und Konfiguration der Datenspeicherung in einem RF-Aufnahme- und Wiedergabesystem ist der schwierigste Teil. Daten müssen schnell genug auf die Festplatte geschrieben werden, damit das Signal erfasst wird und keine Bits verloren gehen, sei es aufgrund unzureichender Schreibgeschwindigkeiten oder mangelnder Übertragungsfähigkeit von den A/D-Wandlern des Empfängers zur Festplatte. Bei Signalen mit geringer Bandbreite sind diese Herausforderungen meist nicht typisch; für RF-Signale hingegen ist die zu speichernde Datenmenge erheblich. Die folgende Formel zeigt, wie man die Datenrate in Bits pro Sekunde berechnet, die zum Schreiben auf die Festplatte für ein Signal erforderlich ist.

Datenrate [Bit/s] = Abtastrate [Abtastungen/s] * A/D-Wandler-Bitanzahl [Bit/Abtastung]

Für RF-Anwendungen liefert die Abruf-Funktion von NI-RFSA jedoch unabhängig von der Bitanzahl des A/D-Wandlers I/Q-Daten mit 16 Bit. Für RF-Signale sollten I/Q-Daten getrennt behandelt werden, was zu den folgenden Raten führt: 

• 16 Bit I-Daten pro Abtastung = 2 Bytes
• 16 Bit Q-Daten pro Abtastung = 2 Bytes
• Insgesamt: 4 Bytes pro I/Q-Abtastung

Basierend auf diesen Berechnungen lautet die Gleichung für die Gesamtdatenrate wie folgt: 

Datenrate [Bytes/s] = IQ-Rate [Abtastungen/s] * 4 [Bytes/Abtastung]

Dies bedeutet, dass bei einer IQ-Rate von 100 MS/s eine Datenrate von 400 MB/s entsteht. 

Es wird Fälle geben, in denen nur Informationen zur RF-Bandbreite vorliegen. Das Verhältnis zwischen IQ-Rate und Bandbreite ist wie folgt: 

Bandbreite = IQ-Rate * 0,8

Das bedeutet: 

IQ-Rate = 1,25 * Bandbreite

Die Gleichung für den Gesamtdatendurchsatz lautet daher: 

Datenrate = 1,25 * Bandbreite * 4

Also 

Datenrate = 5 * Bandbreite

Diese Berechnung bedeutet, dass bei einer Bandbreite von 100 MHz eine Datenrate von 500 MB/s erforderlich ist. Wenn Sie längere Zeiträume oder Signale mit größerer Bandbreite aufzeichnen müssen, steigen die Datenanforderungen schnell an.

Solid State Drives (SSDs) sind eine gute Wahl, um Daten schnell zu schreiben, und können für die Aufzeichnung breitbandiger Signale erforderlich sein. RAIDs bieten eine gute Option zur Speicherung großer Datenmengen, sei es von breitbandigen Signalen oder langen Aufzeichnungszeiten. Eine weitere Option ist, die Daten vor dem Schreiben auf die Festplatte vorzuverarbeiten, um die zu speichernde Datenmenge zu reduzieren. Zum Beispiel könnte man eine FFT durchführen und Frequenzbereichsdaten speichern statt die Rohdaten. FGPAs bieten die für diesen Schritt erforderliche Verarbeitungsgeschwindigkeit. Diese Option funktioniert nicht für alle Anwendungen, ist aber für manche eine gute Lösung. 

• NI RF Aufnahme- und Wiedergabesoftware
• Maximierung der Datenübertragung und Signalverarbeitung