RF 레코드 및 재생 시스템: 실제 신호 분석 및 에뮬레이션 활성화
개요
RF 레코드 및 재생 시스템은 복잡한 실제 무선 주파수 환경을 캡처, 분석 및 에뮬레이션하는 데 필수적인 도구입니다. 이 시스템을 통해 엔지니어는 개방형 시험장, 레이더 테스트 챔버, 실제 운용 임무 등과 같은 현장 시나리오에서 직접 RF 신호를 기록하고, 이후 분석 및 검증은 물론 시스템 개발을 위해 재생할 수 있으며, 이를 통해 시스템 동작에 대한 심층적인 이해를 가능하게 합니다. 이러한 기능은 시스템이 복잡하고 동적인 신호 환경을 식별, 분류 및 대응해야 하는 전기파 스펙트럼 작전 (EMSO)에서 매우 중요합니다. 레이더 검증, EW 시스템 특성 분석, 신호 정보(SIGINT), GNSS 복원력 시험은 모두 정확한 신호 재현을 필수적으로 요구합니다. 기록 및 재생 시스템은 엔지니어가 현장 신호를 캡처하여 실험실에서 반복 시험을 수행하고, 임무 시나리오를 재현하여 알고리즘 성능을 평가하며, 시스템의 송신 및 수신 웨이브폼 간 상관 관계를 분석하고, 채널 모델링 또는 신호원 분류와 같은 오프라인 분석을 진행할 수 있도록 지원합니다.
성공적인 RF 레코드 및 재생 시스템 구축을 위한 핵심 기술은 복잡하지만 그 개념은 단순합니다. 바로 캡처, 저장, 재생의 세 가지 과정입니다. 이 과정을 넓은 대역폭, 높은 충실도, 멀티채널 규모에서 구현하려면 상당한 기술적 도전을 극복해야 합니다. 이러한 시스템은 라이브 신호 환경이 복잡하고 예측 불가능하며 추가 오프라인 처리가 필요하거나 실험실 환경에서 재현하기 어려운 경우에 매우 유용합니다. 이 백서에서는 RF 레코드 및 재생 (RPS) 시스템의 아키텍처를 간략히 살펴보고, 구축을 위한 설계 과제 및 고려사항을 검토하고자 합니다.
내용
시스템 아키텍처
기본 레코드 및 재생 시스템을 수신기 또는 레코더, 데이터 스토리지, 송신기와 같은 세 부분으로 나누어 보는 것이 유용합니다.
그림 1. 기본 레코드 및 재생 시스템
수신기는 관심 RF 신호를 수집합니다. RF 기록 어플리케이션에서 관심 신호는 펄스 및 연속 신호 모두를 포함하며, GPS/GNSS와 같은 우호적 또는 중립적 신호부터 재밍 또는 스푸핑에 사용되는 위협 신호에 이르기까지 다양합니다. 신호가 수집되고 기록된 후 엔지니어는 추가 오프라인 분석을 위해 실험실로 돌아갈 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 기록된 신호에 대한 심층 분석은 신호 정보, 채널 모델링 및 채널 사운딩과 같은 어플리케이션에서 중요합니다. 채널 사운딩 수행과 정확한 채널 모델 생성은 무선 통신에서 매우 중요합니다. 6G에 대한 새로운 스펙트럼 요구사항과 비지상 네트워크 (NTN)의 확장은 더 많은 상업용 사용 사례 시스템에서 새로운 채널 모델에 대한 필요성을 높이고 있습니다. 또한 항공우주 및 방위 산업 조직은 군사 플랫폼의 미션 크리티컬 시험 및 현대화에 대한 요구가 더욱 높아지고 있습니다.
신호가 기록된 후 단순 오프라인 처리보다 RF 재송신이 필요한 경우, 해당 신호는 송신기를 통해 재생됩니다. RF 재생은 다음과 같은 일반적인 어플리케이션에서 유용합니다.
- 테스트 중인 디바이스에 자극 제공
- 제품 개발 중 신호 소스
- 채널 에뮬레이션
수신기와 송신기의 설계 고려사항에는 대역폭 및 데이터 처리량, 시스템 크기 및 비용, 위상 일관성 및 동기화, 확장성 및 유연성이 포함됩니다.
현재 시장에 있는 많은 시스템은 대개 1 GHz 이하의 순간 대역폭으로 제한되며, 종종 단일 채널만 지원합니다. 현대 시스템의 경우, 이러한 제약 조건으로 인해 환경을 완전히 캡처하는 것이 불가능합니다. 1 GHz의 I/Q 데이터를 전체 해상도로 기록하는 데는 신호 대역폭의 거의 5배에 달하는 지속적인 쓰기 속도가 필요할 수 있습니다. 여러 채널에서 이러한 속도로 무손실 처리량을 유지하는 것은 기존 스토리지 및 스트리밍 아키텍처의 한계를 빠르게 초과합니다.
적절한 RF 송신기와 수신기 선택이 중요하지만, RF 레코드 및 재생 시스템에서 데이터 저장소를 선택하고 구성하는 것이 가장 어려운 부분입니다. 신호를 완전히 캡처하고 프로세스에서 비트 손실이 발생하지 않도록 데이터는 충분히 빠른 속도로 디스크에 기록되어야 합니다. 이러한 손실은 디스크 쓰기 속도 부족이나 수신기 ADC에서 하드 드라이브로의 데이터 전송 능력 부족으로 인해 발생할 수 있습니다. 대역폭이 작은 신호에서는 이러한 문제가 드물지만, RF 신호의 경우 저장해야 할 데이터 양이 상당합니다. 다음 수식은 신호를 디스크에 기록하는 데 필요한 초당 비트 단위의 데이터 속도를 계산하는 방법을 보여줍니다.
데이터 속도 [비트/초] = 샘플 속도 [샘플/초] * ADC 비트 수 [비트/샘플]
하지만 RF 어플리케이션에서는 NI-RFSA 가져오기 함수가 ADC 비트 수와 관계없이 I/Q 데이터를 16비트로 가져옵니다. RF 신호의 I/Q 데이터는 별도로 처리되어 다음과 같은 데이터 속도가 산출됩니다.
- 샘플당 I 데이터 16비트 = 2 바이트
- 샘플당 Q 데이터 16비트 = 2 바이트
- 모두 합쳐서: I/Q 샘플당 4 바이트
이 계산에 기반한 전체 데이터 속도에 대한 식은 다음과 같습니다.
데이터 속도 [바이트/초] = IQ 속도 [샘플/초] * 4 [바이트/샘플]
예를 들어 IQ 속도가 100 MS/s라면, 데이터 속도는 400 MB/s가 됩니다.
RF 대역폭 정보만 보유한 경우도 있을 것입니다. IQ 속도와 대역폭 사이의 관계는 다음과 같습니다:
대역폭 = IQ 속도 * 0.8
즉:
IQ 속도 = 1.25 * 대역폭
따라서 전체 데이터 처리량에 대한 식은 다음과 같습니다.
데이터 속도 = 1.25 * 대역폭 * 4
따라서
데이터 속도 = 5 * 대역폭
이 계산은 대역폭이 100 MHz일 때, 데이터 속도가 500 MB/s가 됨을 의미합니다. 긴 시간이나 큰 대역폭 신호를 기록해야 할 경우, 데이터 요구량은 급격히 증가합니다.
솔리드 스테이트 드라이브 (SSD)는 데이터를 빠르게 기록하는 데 적합하며, 넓은 대역폭 신호를 기록할 때 필수 요구사항이 될 수 있습니다. RAID는 넓은 대역폭 신호나 긴 기록 시간을 위한 대용량 데이터 저장에 적합한 옵션입니다. 또 다른 옵션은 데이터를 디스크에 기록하기 전에 미리 처리해 저장해야 하는 데이터 양을 줄이는 것입니다. 예를 들어 FFT를 실행하여 원본 데이터 대신 주파수 도메인 데이터를 저장할 수 있습니다. FPGA는 이러한 처리를 수행하는 데 필요한 처리 속도를 제공합니다. 이 옵션은 모든 어플리케이션에 적합하지는 않지만, 특정 경우에는 효과적인 솔루션이 될 수 있습니다.
NI 레코드 및 재생 솔루션
NI RF 레코드 및 재생 (RPS) 시스템은 모듈형, 소프트웨어 정의, 위상 일관성 아키텍처를 통해 일반적인 과제들을 해결합니다. 이 아키텍처는 항공우주 및 방위 시험 환경과 같은 까다로운 적용 환경을 위해 특별히 설계되었습니다. PXI 플랫폼을 기반으로 구축된 NI RPS는 계측용 등급의 RF 트랜시버와 고속 데이터 전송, 동기화된 타이밍, 정교한 시스템 보정 소프트웨어를 통합합니다.
NI RPS는 최대 4 GHz 순간 대역폭과 최대 40 GB/s의 멀티채널 스트리밍을 지원합니다. 엔지니어는 장시간 캡처에서도 데이터 손실 없이 여러 채널에서 원시 I/Q 데이터를 기록하거나 재생할 수 있습니다. 최대 300 TB의 시스템 스토리지를 구성할 수 있어 몇 시간 동안 최대 속도로 신호를 기록할 수 있습니다.
레이더, EW, 방향 탐지 어플리케이션에서는 채널 간 위상 일관성이 매우 중요합니다. RPS는 LO, 기준 클럭, 트리거를 시스템 전체에 공유하여 모든 트랜시버 채널을 동기화합니다.
결론
RF 레코드 및 재생 시스템은 실제 RF 환경과 실험실 테스트 사이의 격차를 연결하는 강력한 도구입니다. 스펙트럼 환경이 더욱 조밀하고 동적으로 변화함에 따라 실제 RF 시나리오를 정확하게 캡처하고 재현하는 능력은 특히 임무 중요 분야에서 필수적인 요소가 되었습니다. 이러한 복잡한 시스템은 정확한 분석, 견고한 제품 개발, 신뢰성 높은 성능 검증을 가능하게 하는 핵심 역할을 수행합니다. 엔지니어는 이 첨단 기술을 활용해 검증 속도를 높이고 재현성을 향상시키며 모든 영역에서 스펙트럼 우위를 확보할 수 있습니다.