Systèmes d'enregistrement et de relecture RF : Permettre l'analyse et l'émulation de signaux du monde réel
Aperçu
Les systèmes d’enregistrement et de relecture RF sont essentiels pour capturer, analyser et émuler des environnements radiofréquences complexes. Ils permettent aux ingénieurs d’enregistrer les signaux RF directement de scénarios en conditions réelles (gammes en plein air, chambres de test radar, missions opérationnelles) et de les relire ensuite pour analyse, validation et développement système, offrant ainsi une compréhension approfondie du comportement du système. Ces capacités sont cruciales pour les opérations sur le spectre électromagnétique (EMSOs), où les systèmes doivent identifier, classifier et répondre à un environnement dense et dynamique de signaux. La validation radar, la caractérisation des systèmes de guerre électronique, le renseignement électromagnétique (SIGINT) et les tests de résilience GNSS reposent tous sur une reproduction précise du signal. Les systèmes d’enregistrement et de relecture permettent de capturer des signaux sur le terrain pour des tests en laboratoire répétables, de recréer des scénarios de mission pour évaluer les performances d’algorithmes, de corréler les waveforms transmises et reçues d’un système, ou de réaliser des analyses hors ligne comme la modélisation des voies ou la classification des émetteurs.
La technologie sous-jacente pour construire un système d’enregistrement et de relecture RF est complexe mais simple dans son concept : capturer, stocker et relire. Exécuter ce processus à large bande passante, haute fidélité et multivoie représente des défis techniques importants. Ces systèmes sont indispensables quand les environnements de signaux en direct sont complexes, imprévisibles, nécessitent un traitement hors ligne supplémentaire ou sont difficiles à reproduire en laboratoire. Ce document survole l’architecture d’un système d’enregistrement et de relecture RF (RPS) et examine certains défis et considérations de conception liés à sa réalisation.
Contenu
- Architecture du système
- La solution NI pour l’enregistrement et la lecture
- Conclusion
- Étapes suivantes
Architecture du système
Il est utile de diviser un système d'enregistrement et de relecture de base en trois parties : le récepteur ou l'enregistreur, le stockage des données et l'émetteur.
Figure 1. Système d'enregistrement et de relecture de base
Le récepteur capture le signal RF d'intérêt. Les signaux d'intérêt, aussi bien pulsés que continus, pour les applications d'enregistrement RF sont très variés, allant des forces amies ou neutres telles que GPS/GNSS aux signaux de menace utilisés pour le brouillage ou l'usurpation. Une fois le signal capturé et enregistré, un ingénieur peut retourner à son laboratoire pour une analyse hors ligne approfondie. Une analyse approfondie des signaux enregistrés fiables est importante dans des applications telles que le renseignement électromagnétique, ainsi que pour la modélisation et le sondage des voies. Effectuer un sondage de voies et créer des modèles de voies précis est essentiel dans les communications sans fil. Les nouvelles exigences en matière de spectre pour la 6G et l'expansion des réseaux non terrestres (NTN) exigent de nouveaux modèles de voies pour des systèmes commerciaux plus variés. De plus, les organisations aérospatiales et de défense exigent des tests de mission plus critiques et la modernisation des plates-formes militaires.
Dans le cas où une relecture RF est nécessaire, et pas seulement un traitement hors ligne, le signal enregistré est ensuite relu à l'aide d'un émetteur. La relecture RF est utile pour les applications courantes suivantes :
- Stimulation d'un matériel sous test
- Source de signal lors du développement du produit
- Émulation de voie
Les considérations de conception pour le récepteur et l’émetteur incluent la largeur de bande et le débit des données, la taille et le coût du système, la cohérence de phase et la synchronisation, ainsi que l’évolutivité et la flexibilité.
De nombreux systèmes aujourd’hui sont limités à 1 GHz ou moins de bande passante instantanée et prennent souvent en charge une seule voie. Pour les systèmes modernes, cette limite empêche une capture complète de l’environnement. Enregistrer même 1 GHz de données I/Q en résolution complète peut nécessiter des vitesses d’écriture soutenues proches de 5 fois (Mo/s) la bande passante du signal. Maintenir un débit sans perte à ces vitesses sur plusieurs voies dépasse rapidement les capacités des architectures de stockage et de streaming classiques.
Choisir le bon émetteur et récepteur RF est important, mais sélectionner et configurer le stockage des données dans un système d’enregistrement et de relecture RF est la partie la plus complexe. Les données doivent être écrites sur disque assez rapidement pour capturer le signal sans perte de bits, que ce soit à cause d’une vitesse d’écriture sur disque insuffisante ou d’une incapacité à transférer les données des CAN du récepteur vers le disque dur. Pour les signaux à faible bande passante, ces défis ne sont pas typiques ; mais pour les signaux RF, la quantité de données à stocker est importante. La formule suivante montre comment calculer le débit de données en bits par seconde nécessaire pour écrire un signal sur disque.
Débit de données [bits/s] = Fréquence d'échantillonnage [échantillons/s] * résolution du CAN [bits/échantillon]
Cependant, pour les applications RF, la fonction NI-RFSA fetch récupère normalement des données I/Q sur 16 bits, quelle que soit la résolution du CAN. Pour les signaux RF, les données I/Q doivent être traitées séparément, ce qui donne les débits suivants :
- 16 bits de données I par échantillon = 2 octets
- 16 bits de données Q par échantillon = 2 octets
- Au total : 4 octets par échantillon I/Q
En se basant sur ces calculs, l'équation pour le débit total de données est la formule suivante :
Débit de données [octets/s] = Débit IQ [échantillons/s] * 4 [octets/échantillon]
Ainsi, un débit IQ de 100 MS/s se traduira par un débit de données de 400 Mo/s.
Dans certains cas, vous n'aurez que des informations sur la largeur de bande RF. La relation entre débit IQ et largeur de bande est la suivante :
Largeur de bande = Débit IQ * 0,8
Ce qui signifie :
Débit IQ = 1,25 * largeur de bande
L’équation pour le débit total de données devient alors :
Débit de données = 1,25 * largeur de bande * 4
Donc
Débit de données = 5 * largeur de bande
Ce calcul signifie que pour 100 MHz de largeur de bande, le débit de données sera de 500 Mo/s. Si vous devez enregistrer sur de longues durées ou des signaux à large bande passante, les besoins en données augmentent rapidement.
Les disques SSD sont un bon choix pour un enregistrement rapide et peuvent être requis pour les signaux à large bande passante. Les RAID constituent une bonne option pour stocker de grandes quantités de données, issues de signaux à large bande passante ou d'enregistrements de longue durée. Une autre option consiste à prétraiter les données avant l’écriture sur disque pour réduire la quantité à stocker. Par exemple, vous pouvez exécuter une FFT et enregistrer les données du domaine fréquentiel au lieu des données brutes. Les FGPA fournissent la vitesse de traitement nécessaire pour cette étape. Cette option ne convient pas à toutes les applications, mais pour certaines, c’est une solution pertinente.
La solution NI pour l’enregistrement et la lecture
Le système d’enregistrement et de relecture RF (RPS) de NI relève les défis courants avec une architecture modulaire, définie par logiciel et cohérente en phase, spécialement conçue pour les environnements exigeants, notamment aéronautiques et de défense. Reposant sur la plate-forme PXI, le RPS de NI combine des émetteurs-récepteurs RF de qualité instrument avec des transferts de données à haute vitesse, une synchronisation précise, et un logiciel avancé de compensation système.
Le RPS de NI supporte jusqu'à 4 GHz de bande passante instantanée et un streaming multivoie jusqu’à 40 Go/s. Les ingénieurs peuvent enregistrer ou relire des données I/Q brutes sur plusieurs voies sans perte, même pour des captures de longue durée. Le système est configurable pour offrir jusqu’à 300 To de stockage, permettant des heures d’enregistrement à pleine vitesse.
Pour les applications radar, guerre électronique et radiogoniométrie, la cohérence entre les voies est essentielle. Le RPS synchronise toutes les voies d’émetteurs-récepteurs en partageant oscillateurs locaux, horloges de référence et déclencheurs dans l’ensemble du système.
Conclusion
Les systèmes d’enregistrement et de relecture RF sont des outils puissants pour combler le fossé entre les environnements RF réels et les tests en laboratoire. Avec des environnements spectres de plus en plus denses et dynamiques, la capacité à capturer et reproduire fidèlement ces scénarios RF devient cruciale, notamment dans les domaines critiques. Ces systèmes complexes jouent un rôle clé pour permettre une analyse précise, un développement produit robuste et une validation fiable des performances. Les ingénieurs peuvent exploiter cette technologie avancée pour accélérer la validation, améliorer la répétabilité et assurer la maîtrise du spectre dans tous les domaines.