Sistemas de grabación y reproducción de RF: Permitir el análisis y la emulación de señales en el mundo real
Información general
Los sistemas de grabación y reproducción de RF son herramientas esenciales para capturar, analizar y emular entornos de radiofrecuencia complejos del mundo real. Permiten a los ingenieros grabar señales de RF directamente desde escenarios en vivo, como distancias al aire libre, cámaras de prueba de radar y misiones operacionales, y reproducirlas más tarde para su análisis y validación, así como para el desarrollo del sistema, lo que permite una visión profunda del comportamiento del sistema. Estas capacidades son críticas para las operaciones de espectro electromagnético, donde los sistemas deben identificar, clasificar y responder a un entorno de señal denso y dinámico. La validación de radares, la caracterización del sistema EW, la inteligencia de señales (SIGINT) y las pruebas de resiliencia de los GNSS dependen de una reproducción precisa de la señal. Los sistemas de grabación y reproducción permiten a los ingenieros capturar señales de campo para pruebas de laboratorio repetibles, recrear escenarios de misión para evaluar el rendimiento del algoritmo, correlacionar las WaveForms transmitidas y recibidas de un sistema o realizar análisis fuera de línea como modelado de canales o clasificación de emisores.
La tecnología subyacente necesaria para construir con éxito un sistema de grabación y reproducción de RF es complicada pero conceptualmente simple: captura, almacenamiento y reproducción. La ejecución de este proceso a anchos de banda amplios, alta fidelidad y escala multicanal introduce importantes desafíos técnicos. Estos sistemas son invaluables en escenarios donde los entornos de señal en vivo son complejos, impredecibles, requieren procesamiento adicional sin conexión o son difíciles de replicar en un entorno de laboratorio. Este libro blanco explorará brevemente la arquitectura de un sistema de grabación y reproducción de RF y examinará algunos de los desafíos y consideraciones de diseño para construir uno.
Contenido
Arquitectura del sistema
Es útil dividir un sistema básico de grabación y reproducción en tres partes: el receptor o grabador, el almacenamiento de datos y el transmisor.
Figura 1. Sistema básico de grabación y reproducción
El receptor captura la señal de RF de interés. Las señales de interés, tanto pulsadas como continuas, para aplicaciones de grabación de RF son amplias y van desde fuerzas amigables o neutrales como GPS/GNSS hasta señales de amenaza como las utilizadas para interferencias o falsificaciones. Después de que la señal ha sido capturada y grabada, un ingeniero puede volver a su laboratorio para un análisis fuera de línea adicional. El análisis profundo de señales grabadas fiables es importante en aplicaciones como la inteligencia de señales, el modelado de canales y el sondeo de canales. Hacer sondeo de canales y crear modelos de canal precisos es fundamental en las comunicaciones inalámbricas. Los nuevos requisitos de espectro para 6G y la expansión de las redes no terrestres están impulsando la necesidad de nuevos modelos de canal en sistemas de casos de uso más comerciales. Además, las organizaciones aeroespaciales y de defensa están requiriendo más pruebas de misión crítica y modernización de las plataformas militares.
En el caso de que se necesite la reproducción de RF, y no solo el procesamiento sin conexión, después de grabar la señal, se reproduce utilizando un transmisor. La reproducción de RF es útil para las siguientes aplicaciones comunes:
- Estimulación para un dispositivo en prueba
- Fuente de la señal durante el desarrollo del producto
- Emulación de canal
Las consideraciones de diseño para el receptor y el transmisor incluyen ancho de banda y rendimiento de datos, tamaño y costo del sistema, coherencia y sincronización de fase, y escalabilidad y flexibilidad.
Muchos sistemas en el mercado hoy en día están limitados a 1 GHz o menos de ancho de banda instantáneo, a menudo soportando solo un solo canal. Para los sistemas modernos, esta restricción impide la captura completa del entorno. Grabar incluso 1 GHz de datos I/Q a resolución completa puede requerir velocidades de escritura sostenidas de casi 5 veces (MB/s) el ancho de banda de la señal. Mantener un rendimiento sin pérdidas a estas velocidades en múltiples canales supera rápidamente la capacidad de las arquitecturas de almacenamiento y transmisión convencionales.
Seleccionar el transmisor y receptor de RF correcto es importante, pero seleccionar y configurar el almacenamiento de datos en un sistema de grabación y reproducción de RF es la parte más difícil. Los datos deben escribirse en el disco lo suficientemente rápido como para capturar la señal y garantizar que no se pierdan bits en el proceso, ya sea debido a velocidades de escritura de disco insuficientes o capacidad insuficiente para transferir datos desde los ADC del receptor a un disco duro. Para señales de ancho de banda pequeño, estos desafíos no son típicos; pero para señales de RF, la cantidad de datos que deben almacenarse es significativa. La siguiente fórmula muestra cómo calcular la velocidad de datos en bits por segundo necesarios para escribir en el disco una señal.
Velocidad de datos [bits/seg] = velocidad de muestreo [muestras/s] * bits del ADC [bits/muestra]
Sin embargo, para aplicaciones de RF normalmente la función de obtención NI-RFSA devuelve datos I/Q como 16 bits independientemente de la resolución del ADC. Para las señales de RF, los datos de I/Q deben tratarse por separado, dando como resultado las siguientes tasas:
- 16 bits de datos I por muestra = 2 bytes
- 16 bits de datos Q por muestra = 2 bytes
- Todos juntos: 4 bytes por muestra de I/Q
Con base en estos cálculos, la ecuación para la velocidad total de datos será la siguiente fórmula:
Tasa de datos [bytes/seg] = velocidad de muestreo IQ [muestras/seg] * 4 [bytes/muestra]
Esto significa que si tiene una tasa de CI de 100 MS/s, resultará en una tasa de datos de 400 MB/s.
Habrá casos en los que solo tendrá información de ancho de banda de RF. La relación entre la tasa de coeficiente intelectual y el ancho de banda es la siguiente:
Ancho de banda = velocidad de muestreo IQ * 0,8
Lo que significa:
IQ rate = 1.25 * ancho de banda
Por lo tanto, la ecuación para el rendimiento total de datos será la siguiente:
Velocidad de datos = 1,25 * ancho de banda * 4
Así
Velocidad de datos = 5 * ancho de banda
Este cálculo significa que si tiene 100 MHz de ancho de banda, tendrá una velocidad de datos de 500 MB/s. Si necesita grabar cantidades prolongadas de tiempo o señales de mayor ancho de banda, los requisitos de datos aumentan rápidamente.
Las unidades de estado sólido (SSD) son una buena opción para escribir datos rápidamente y pueden ser un requisito para grabar señales de ancho de banda amplio. Los RAID proporcionan una buena opción para almacenar grandes cantidades de datos, ya sea a partir de señales de ancho de banda amplio o largos tiempos de registro. Una última opción a considerar es preprocesar los datos antes de escribirlos en el disco para reducir la cantidad de datos que deben almacenarse. Por ejemplo, puede elegir ejecutar una FFT y almacenar los datos en el dominio de la frecuencia en lugar de almacenar los datos sin procesar. Los FGPA proporcionan la velocidad de procesamiento requerida para hacer este paso. Esta opción no funcionará para todas las aplicaciones, pero para otras es una buena solución.
La solución NI para grabar y reproducir
El sistema NI RF Record and Playback (RPS) aborda desafíos comunes con una arquitectura modular, definida por software y coherente en fases diseñada específicamente para entornos exigentes como entornos de pruebas aeroespaciales y de defensa. Construido sobre la plataforma PXI, el NI RPS combina transceptores de RF de grado instrumental con movimiento de datos de alta velocidad, temporización sincronizada y software avanzado de compensación del sistema.
El NI RPS soporta hasta 4 GHz de ancho de banda instantáneo y transmisión multicanal a velocidades de hasta 40 GB/s. Los ingenieros pueden grabar o reproducir datos brutos de I/Q en múltiples canales sin pérdida de datos, incluso durante capturas de larga duración. Configurable permite hasta 300 TB de almacenamiento del sistema, lo que permite horas de grabación a velocidad completa.
Para aplicaciones de radar, EW y de búsqueda de direcciones, la coherencia de canal a canal es crítica. El RPS sincroniza todos los canales del transceptor compartiendo LO, relojes de referencia y activadores en todo el sistema.
Conclusión
Los sistemas de grabación y reproducción de RF son herramientas poderosas para cerrar la brecha entre los entornos de RF del mundo real y las pruebas de laboratorio. A medida que los entornos espectrales se vuelven más densos y dinámicos, la capacidad de capturar y reproducir con precisión escenarios de RF del mundo real se convierte en un facilitador crítico para la misión, especialmente en campos críticos para la misión. Estos complejos sistemas desempeñarán un papel fundamental para permitir un análisis preciso, un desarrollo sólido de productos y una validación fiable del rendimiento. Los ingenieros pueden aprovechar esta tecnología avanzada para acelerar la validación, mejorar la repetibilidad y garantizar el dominio del espectro en todos los dominios.