テラバイトRF計測:高速ストレージソリューションによる新しいアプリケーションの解決

従来のRF計測器であるベクトル信号発生器やベクトル信号アナライザは、波形の格納機構として標準的なRAM (ランダムアクセスメモリ) を使用します。  そのため、これらのRF計測器の最大の生成および集録サイズは、通常数百メガバイトに制限されます。

しかし、高速データバスとRAID技術の組み合わせにより、より長時間のデータ収集が可能になります。  さらに、​RF​アナログ​フロント​エンド​と​各種​デジタル​信号​処理​技術​を​駆使​する​こと​で、​スーパー​ヘ​テロ​ダイン​方式​の​周波数​変換​ (アップ​コン​バージョン/​ダウン​コン​バージョン) ​を​用​い​た​効率​的​な​RF​信号​生成/​集録​が​可能​に​なり​ます。​  以下は、一般的なシステムの高レベルのシステム構成図を示します。

^{図1:  複数のコア技術がRFディスクストリーミングを可能にする}

これらの各コンポーネントを駆使することで、​計測​器​の​内蔵​メモリ​を​高速​RAID​ (Random Array of Inexpensive Disks) ​ハード​ドライブ構成​で​補う​こと​が​可能​に​なり​ます。  このシナリオでは、計測​器​から​ハードディスク​へ、​集録​レート​を​上回る​速度​で​​データ​を​転送​でき​ます。  したがって、波形データの最大容量は、オンボードメモリのサイズではなく、使用可能なハードディスク容量によって制限されます。  外付けRAIDハードドライブ構成を使用することで、波形データの容量を最大で数テラバイトまで拡張できます。  RFストリームディスクシステムを実現する技術の詳細については、参照してください。RFからRAIDへ:  RFストリームツーディスクシステムを支える技術。

最大数テラバイトの連続データ生成および収集が可能なため、PXI計測器はかつてカスタムハードウェアでのみ実現できていた新たなアプリケーションを解決できます。  このホワイトペーパーでは、継続的な連続RF生成または集録の利用から大きな恩恵を受ける4つの代表的なアプリケーションを説明します。  これらのアプリケーションは次のとおりです。

• スペクトル監視
• パケットスニッフィング
• ワイヤレス受信機の設計、検証、及び検証
• デジタルビデオ放送BERテスト

上記の各アプリケーションでは、長時間にわたって連続的にデータをディスクにストリーミングする能力が不可欠であるか、または大きな利点をもたらします。

スペクトル監視

信号インテリジェンスは、通信妨害、干渉信号の識別、さらにはパケットスニッフィングに至る幅広い用途を指します。  スペクトル監視はこの用途のサブセットであり、特定の帯域幅内の干渉信号の識別を含みます。  多くの干渉信号が「バースト状」であるため、スペクトル監視アプリケーションはRFストリームディスクシステムから大きな恩恵を受けます。  これらの信号はしばしばスペクトラムアナライザやリアルタイムスペクトラムアナライザで視覚化できますが、正確な分析には長時間の連続RF集録が必要です。 

長時間にわたりRF帯域幅を集録することで、エンジニアは複数の分析技術で後処理可能な豊富なデータセットを得られます。  たとえば、パルス情報の振幅特性化にカスタムFFTサイズが一般的に使用されます。  さらに、変調解析により、干渉信号の変調方式やメッセージ情報を特定することも可能です。

しかし、スペクトル監視アプリケーションで最も興味深い解析手法の1つはガボールスペクトログラムです。  この時間/周波数共同領域解析手法は、干渉信号の振幅、期間、および周波数の変化を特徴付けることを可能にします。

ガボールスペクトログラムは波形の連続する時間領域区間に対し一連のFFTを実行することで機能します。  処理されたデータは、以下に示す3Dウォーターフォールグラフで容易に視覚化できます。

^{図2:ガボールスペクトログラムを使用した時間/周波数共同領域解析。}

上図が示す通り、ガボールスペクトログラムにより、一定のRF帯域幅の時間と周波数情報の両方を視覚化可能です。  図2では、中心周波数885 MHz、IQレート25 MS/sでセルラー放送帯域を監視しています。  ウォーターフォールグラフにより、特定のセルラーバンドが使用されているタイミングと非使用タイミングを観察できます。  セルラーデータの各「パケット」は、グラフ上で振幅の高い部分として表れます。  上記グラフから、各パケットは約1 msの期間で、振幅は最大-30 dBmに達することがわかります。  

このスペクトログラムの例は、スペクトル監視アプリケーションが長時間連続して波形を集録できる能力から大きな利点を得ることを示しています。  上の図は10 msのデータのみを示していますが、今日のPXI RFストリームディスクシステムでは最大20 MHzのRF帯域幅を5時間以上保存可能です。  したがって上記と同じセルラーバンドを長時間監視し、関心帯域内の干渉を識別できます。  信号インテリジェンスアプリケーションのヒントと手法については、以下を参照してください。

通信チャンネルのパケットスニフィング

もう1つの干渉信号の種類は「ピギーバック」通信信号です。  このケースでは干渉信号が既存の通信インフラを利用して不正な通信チャンネルの送信を試みます。  たとえば、不正な送信機がリピータタワーを使ってカスタム通信チャンネルを再送信しようとする場合があります。  リピータは指定帯域のスペクトラムを単に増幅するため、干渉者は意図されたチャンネルだけでなく自身の信号も増幅可能です。

再度、特定信号の「パケットスニファ」は、指定帯域の記録とディスクへの保存によって達成可能です。  取得したデータはさまざまな手法で後処理されます。  ジャミング信号の分析と同様に、FFTやJTFAなどの後解析を用いて干渉信号の周波数、電力、振幅情報を特定可能です。  ただし「パケットスニファ」用途では、ベースバンド波形の復調も一般的です。  これを示したのが以下の図です。

^{図3:Modulation Toolkitを使用したベースバンド波形の解析。}

上図は、ハードディスクに保存されたベースバンド波形がLabVIEWの多様な復調サブルーチンで解析可能なことを示しています。  図6はLabVIEW Modulation ToolkitのPSK、QAM、FSK復調ルーチンのアイコンを示しています。  LabVIEW Modulation ToolkitはASK、FM、AM、PM、CPM、MSK、カスタム復調ルーチンも提供していることに注意してください。  未知の搬送波の復調は容易ではないことにご注意ください。  デジタル変調搬送波のビットストリームを正確に復元するには、搬送波のシンボルレートを知ることが重要です。  これはチャンネル幅から推定可能ですが、既知の通信規格のシンボルレートを用いて実験的に決定することが多いです。

干渉信号の通信信号を復調することで、通信チャンネル上を伝送される個々のビットストリームを解析できます。  場合によっては、既知のプリアンブル情報と照合することでデコードできることもあります。  しかし、多くの場合、最も困難なのはデータのビットストリームから意味のある情報を解読することです。

ワイヤレストランシーバ検証のためのRF記録/再生

RFストリームディスクシステムの3つ目の応用は、ワイヤレス受信機の設計検証のためのRF記録/再生用ハードウェアとしての活用です。  ワイヤレス環境は、信号強度の低下、マルチパスフェージング、干渉キャリアからの影響など、非理想的な通信チャンネルです。  そのため、現代のワイヤレス受信機の設計検証では、多様な動作条件下での性能評価が求められます。

従来、受信機は加算性白色ガウス雑音 (AWGN) やレイリーマルチパスフェージングなどのパラメータを模擬した「ダーティトランスミッタ」波形で高度にテストされてきました。  しかし、正確なRF環境モデルの生成は難しく、本物に代わるものは存在しません。  つまり、​シミュレーション​モデル​の​代わり​に、​ベクトル​信号​アナ​ラ​イザ​で​記録​した​「完璧​な​」シミュレーション​が利用​されます。  このシナリオでは、ベクトル信号アナライザを用いて特定のRF帯域幅を集録します。  その信号は実験室環境でベクトル信号発生器によって再生されます。  この場合、記録済みのRF帯域幅の使用により、自然な劣化を導入し、受信機の最終環境での性能をより正確に評価できます。 

「完璧なシミュレーション」波形で実施できる代表的なテストの1つが受信機感度テストです。  このテストでは、RF信号強度を素早く調整し、一般的なワイヤレス環境を模擬します。  ワイヤレス受信機は自動ゲイン制御を用いて、受信するRF信号の増幅や減衰により信号強度の変動に対応します。   以下に、ローIFワイヤレス受信機の簡略化されたブロック図を用いて減衰段階を示します。

^{図4:  標準的なRF受信機のブロック図}

上記テストでは、記録されたRFスペクトルを刺激信号として使用し、長期間にわたる多様な環境条件への受信機感度を評価できます。  また、同じ波形を繰り返し利用して、試作受信機の各バージョンが同じ環境条件にどう反応するかを評価可能です。

ワイヤレス環境は通信チャンネルに固有の課題をもたらしますが、これらの課題は記録されたRF帯域幅を用いることで受信機に理想的に提供されます。  その結果、次世代受信機の試作は、かつてより効率的かつ正確で再現性のあるものとなりました。 

放送デジタルビデオテスト

RFストリームディスクシステムの恩恵を大きく受ける最後の応用例がデジタルビデオ放送テストです。  従来のアナログビデオ放送のテストは静的なテストパターンのみを必要としました。  しかし、今日のデジタルビデオ放送規格 (DVB) は、無線チャンネルの誤りを補正する複雑な画像復号および解凍アルゴリズムを使用しています。  そのため、今日のDVBセットトップボックスのテストには動的な映像パターンの生成が必要となります。

最も一般的なテストは、ベクトル信号発生器を用いて生成される動的映像パターンによるピクセレーションテストです。  ピクセレーションは動画のみで発生するため、これらのビットエラーを検出するには数秒から数分間のデジタル伝送の集録が必要です。  以下の図は、ピクセレーションのデジタル画像への影響を示しています。 

^{図5:ピクセレーションは伝送エラーの結果として発生}

RFストリームディスクシステムを利用することで、これらパターンのサイズは数百メガバイトに制限されなくなりました。  代わりに、ディスクから波形をストリーミングすることで、放送ビデオセットトップボックスの長時間BER (符号誤り率) テストが可能です。

RF信号を長時間ハードディスクとやり取りできることは、波形記録において革新的かつコスト効率の高い手法をもたらします。  波形生成および集録は従来オンボードRAMのサイズに制限されていましたが、新しいバスとディスク技術により数テラバイトの波形保存が可能となりました。  これにより、スペクトル監視から放送ビデオテストまで、多くの新たなアプリケーションが市販のハードウェアで実現可能になりました。  RF計測器およびRFストリームディスク応用の詳細については、下記リンクを参照してください。

関連ホワイトペーパーおよびアプリケーションノート

• 技術資料:RFからRAIDへ:  RFストリームディスクシステムを支える技術。