​​​Mehrkanal-RF-Aufnahme und -Wiedergabe in EMSO-Testumgebungen

Die Nachfrage nach Breitband-Mehrkanalaufnahmen und -Wiedergabe wird von mehreren Anwendungsbereichen gesteuert: Radarsysteme erfordern Breitbandaufzeichnung, um schnell wechselnde Ziele zu erfassen und die Leistung von Signalverläufen zu validieren, während Anwendungen für elektronische Kriegsführung und elektromagnetische Spektrumoperationen (EMSO) spektral agile Emitter beobachten müssen, die in überlasteten Umgebungen arbeiten. SIGINT-Systeme sind auf Breitbandaufzeichnung angewiesen, um transiente oder schwer abfangbare Signale zu erkennen, zu beobachten und zu analysieren. Satellitenkommunikation und nicht terrestrische Netzwerke sind zunehmend auf Breitbandaufzeichnung angewiesen, um Interferenz- und Koexistenzszenarien zu charakterisieren. In diesen Anwendungen ist die Fähigkeit zur verlustfreien Breitbanderfassung oft der limitierende Faktor für die allgemeine Testeffektivität. 

RF-Aufnahme und -Wiedergabe verbinden reale RF-Umgebungen und kontrollierte Testbedingungen. Statt Aufnahme und Wiedergabe als isolierte Operationen zu behandeln, unterstützen moderne Systeme kontinuierliche Arbeitsabläufe in Feldtests, Laborvalidierung und Hardware-in-the-Loop-Szenarien.

Mit den heutigen Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen sollen Aufnahme- und Wiedergabesysteme über große Momentanbandbreiten arbeiten, mehrere synchronisierte RF-Kanäle unterstützen und die Aufnahmedauer lang genug halten, um transientes und zeitvariantes Verhalten zu beobachten. Darüber hinaus muss die Wiedergabe deterministisch und wiederholbar sein, damit aufgezeichnete Signale konsistent und zuverlässig für Analysen, Systemvalidierungen und Vergleiche wiederverwendet werden können.

Diese Anforderungen verändern die Rolle von Datensatz und Wiedergabe in der Testarchitektur grundlegend – statt peripherer Werkzeuge werden Datensatz- und Wiedergabesysteme zu einer Kerninfrastruktur, so dass Ingenieure RF-Daten zuverlässig zwischen Betriebsumgebungen, Simulationsplattformen und Labortestaufbauten austauschen können. Mit der Erweiterung von Workflows um Open-Air-Bereichserfassung, synthetische Signalverlaufsinjektion und Hardware-in-the-Loop-Tests im geschlossenen Regelkreis steigen die Anforderungen an Datenbewegung, Timing und Systemdeterminismus entsprechend. 

Die entscheidende Herausforderung moderner RF-Aufnahme- und Wiedergabesysteme ist nicht die RF-Konvertierung allein, sondern die Fähigkeit, Daten verlustfrei und in großem Umfang zu bewegen und zu speichern. Die Breitband-RF-Digitalisierung führt direkt zu extremen Datenraten. Die Erfassung von Multigigahertz-Momentanbandbreite über mehrere Kanäle erfordert kontinuierliche Streaming-Raten in der Größenordnung von zehn Gigabyte pro Sekunde.  

Bei diesen Raten kann ein Terabyte an Daten in etwa neunzig Sekunden unter kompromisslosen Bedingungen für Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen erzeugt werden. Streaming muss kontinuierlich und verlustfrei sein, da kurze Ereignisse unvorhersehbar sein können und das Ablegen von Samples kritische Daten gefährdet. Die Datenbewegung muss deterministisch sein und eine zuverlässige Übertragung unter kontinuierlichem Betrieb mit hoher Rate ermöglichen. Daher müssen Speichersysteme in der Lage sein, diese Daten ohne Unterbrechung oder Verschlechterung aufzunehmen. 

Diese Einschränkungen ähneln eher den Herausforderungen beim Streaming von Rechenzentren als der herkömmlichen Geräteerfassung. Gleichzeitig müssen sie in Test- und Messumgebungen abgemildert werden, in denen Determinismus, Synchronisation und Wiederholbarkeit unerlässlich sind. 

Herkömmliche Aufnahme- und Wiedergabemethoden basieren oft auf lokaler Pufferung, segmentierter Aufnahme oder nichtdeterministischen Streaming-Pfaden. Diese Methoden können zwar für schmalbandige oder kurz andauernde Aufnahmen effektiv sein, haben jedoch mit zunehmender Bandbreite und Kanalanzahl Schwierigkeiten. Sie haben auch häufige Einschränkungen wie Puffererschöpfung während der dauerhaften Aufnahme, Sample-Verlust während Burst-Übergängen oder die Unfähigkeit, die Datenbewegung linear mit der Bandbreite zu skalieren. Bei Multigigahertz-Bandbreiten ist Aufnahme und Wiedergabe keine Frage der Aufnahmefähigkeit mehr und wird zu einem durchgängigen Architekturproblem, das Digitalisierung, Speicherzugriff, Transport und Speicherung umfasst. 

Die Unterstützung breitbandiger verlustfreier Aufzeichnungen und Wiedergabe erfordert Systemarchitekturen, die explizit auf dauerhafte Datenbewegungen ausgelegt sind. Dazu gehören deterministische Datenpfade mit geringer Latenz vom A/D-Wandler zum Host-Speicher, direkte Speicherzugriffsmechanismen, die CPU-Eingriffe minimieren, die Trennung der RF-Erfassung von der Speicherinfrastruktur und skalierbare Speicherarchitekturen, die einen dauerhaften Betrieb mit hoher Rate ermöglichen. 

Die Kombination aus der Konnektivität der PCI-Express-Technologie, RDMA-basiertem Streaming für Datenbewegungen mit hohem Durchsatz, um den Determinismus zu erhalten, und hochkapazitiven, über das Netzwerk skalierbaren Speichersystemen, die Systeme in Bandbreite und Dauer aufzeichnen und abspielen, ohne die Datenintegrität zu beeinträchtigen. 

Die Mehrkanalaufzeichnung und -wiedergabe bringt Herausforderungen mit sich, die über das einfache Hinzufügen weiterer RF-Pfade hinausgehen. Die sinnvolle Ausrichtung zwischen Kanälen ist entscheidend für Anwendungen wie Radar, elektronische Kriegsführung und Multiemitter-Analyse, bei denen die zeitliche Ausrichtung zwischen Kanälen, Phasenkohärenz über große Bandbreiten und die Kompensation von Drift- und frequenzabhängigen Effekten die Interpretation aufgezeichneter Daten direkt beeinflussen. Ohne richtige Basisausrichtung und Kalibrierung können Mehrkanalaufzeichnungen nur schwer oder gar nicht richtig analysiert werden. Während detaillierte Korrekturverfahren eine spezielle Behandlung an anderer Stelle rechtfertigen, müssen Breitband-Aufnahme- und Wiedergabesysteme die Ausrichtung als grundlegende Fähigkeit und nicht als nachträgliche Überlegung einbeziehen. 

Die RF-Aufzeichnung und -Wiedergabe unterstützt eine Vielzahl von Workflows über den gesamten Systementwicklungszyklus hinweg, da Ingenieure RF-Bedingungen in einer Umgebung beobachten und sinnvoll in einer anderen wiederverwenden können. Sie können Live-RF-Umgebungen während Feld- oder Entfernungsaktivitäten erfassen, um das reale Signalverhalten zu erhalten, und diese Aufnahmen in Laborumgebungen für Analysen, Algorithmenverfeinerung oder kontrollierte Experimente abspielen. Sie können simulierte oder synthetisierte Signalverläufe, die in Modellierungsumgebungen erzeugt wurden, in RF-Systeme einspeisen, um die Leistung unter definierten Bedingungen zu bewerten, oder Systemantworten, die während des Betriebs von Hardware in der Regelschleife erfasst wurden, verwenden, um das Verhalten in sich entwickelnden Designs zu beobachten und zu vergleichen. 

In diesen Phasen bietet die Aufzeichnung und Wiedergabe Kontinuität zwischen Betriebsumgebungen, Simulation und Laborvalidierung. Dennoch bleibt die zugrunde liegende Anforderung unverändert – das System muss Breitband-RF-Daten zuverlässig erfassen und abspielen, ohne Verlust, Verzerrung oder unbeabsichtigte Abweichungen. 

Moderne RF-Mehrkanal-Aufnahme- und Wiedergabesysteme müssen Anforderungen erfüllen, die weit über das traditionelle Instrumentendesign hinausgehen. Große Momentanbandbreiten, Kurzzeitereignisse und der Betrieb mehrerer Kanäle erfordern Architekturen für nachhaltiges, deterministisches und verlustfreies Daten-Streaming. 

Ingenieure, die Datensatz- und Wiedergabelösungen evaluieren, sollten End-to-End-Systemarchitekturen Priorität einräumen, wobei Datenbewegung und Speicherfähigkeit besonderes Augenmerk gelten sollte. Spitzenspezifikationen allein reichen nicht aus; sinnvolle Leistung wird durch die Fähigkeit definiert, reale RF-Umgebungen zuverlässig und ohne Kompromisse zu erfassen und wiederzugeben. 

Die NI RF Record and Playback Solution (RPS) ist ein Beispiel dafür, wie Ingenieure diese architektonischen Anforderungen in der Praxis umsetzen können. Sie wurde entwickelt, um Breitband-RF-Aufnahmen und -Wiedergabe mit mehreren Kanälen bei dauerhafter, deterministischer Datenbewegung zu unterstützen. Die Lösung unterstützt sofortige Bandbreiten von bis zu 2 GHz pro Kanal, Mehrkanalsynchronisation und -ausrichtung sowie verlustfreies Streaming in Speicher mit hoher Kapazität unter Verwendung von Datentransport mit hohem Durchsatz. Durch die Trennung von RF-Digitalisierung, -Datenbewegung und -Speicherung soll das System mit zunehmender Bandbreite und Kanalanzahl skaliert werden und gleichzeitig den für Testumgebungen in der Luft- und Raumfahrt und Verteidigung erforderlichen Determinismus beibehalten.  

Um zu erfahren, wie Breitband-Datenerfassung und -Wiedergabe mit mehreren Kanälen Ihre Testworkflows unterstützen kann, sollten Sie frühzeitig Architekturanforderungen und Lösungen für deterministisches, verlustfreies Streaming bewerten.

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