射频记录和回放系统：实现真实信号分析与仿真
概述
射频记录和回放系统是捕获、分析与仿真复杂真实射频环境的重要工具。它们允许工程师直接录制露天试验场、雷达测试舱和作战任务等现场射频信号，稍后回放分析、验证和系统开发，从而深入理解系统行为。这些能力对电磁频谱作战(EMSO)至关重要，系统须识别、分类及应对密集且动态的信号环境。雷达验证、电子战系统特性分析、信号情报(SIGINT)及GNSS抗扰度测试均依赖于精准的信号再现。记录和回放系统使工程师能捕获现场信号进行可重复实验室测试、重现任务场景评估算法性能、关联系统发射与接收的波形，或开展离线分析，比如通道建模或辐射源分类。
成功构建射频记录和回放系统所需的底层技术虽复杂，但核心理念简单——捕获、存储与回放。在宽带、高保真及多通道规模下执行该过程则会带来显著的技术挑战。这些系统在现场信号复杂、难以预测、需额外离线处理，或难以实验室复现的场景中极具价值。本文将简要探讨射频记录和回放(RPS)系统架构，并分析构建该系统的设计挑战及考量因素。
内容
系统架构
将基本的记录和回放系统划分为三个部分是有益的：接收器或记录器、数据存储和发射器。
图1.基本记录和回放系统
接收器捕获感兴趣的射频信号。射频记录应用中关注的脉冲和连续信号种类繁多，既包括GPS/GNSS等友好或中性势力信号，也包括用于干扰或欺骗的威胁信号。信号被捕获并记录后，工程师可以返回实验室进行更深入的离线分析。在信号情报、通道建模和通道探测等应用中，对可靠记录信号的深度分析非常重要。在无线通信中，进行通道探测并创建准确的通道模型至关重要。面向6G的新频谱需求以及非地面网络(NTN)的扩展，正推动更多商业用例系统中新通道模型的需求。此外，航空航天和国防组织需要更多关键任务测试及军用平台的现代化。
在需要射频回放（而不仅仅是离线处理）的情况下，信号记录后可通过发射器进行回放。射频回放适用于以下常见应用：
- 作为待测设备的刺激信号
- 产品开发过程中作为信号源
- 通道仿真
接收器和发射器的设计考虑包括带宽和数据吞吐量，系统体积与成本，相位相干与同步，以及可扩展性和灵活性。
市场上许多系统的瞬时带宽限制在1 GHz及以下，通常只支持单通道。对于现代系统，这种限制阻碍了对完整环境的捕获。即使以全分辨率记录1 GHz的I/Q数据，所需的持续写入速度也接近信号带宽的5倍（单位为MB/s）。在多通道环境下维持这种速率的无损吞吐量，很快就会超出传统存储和数据流盘架构的能力范围。
选择合适的射频发射器和接收器很重要，但在射频记录和回放系统中选择及配置数据存储是最具挑战的部分。数据必须以足够快的速度写入磁盘，确保捕获信号时无丢失位，避免因磁盘写入速度不足或接收器的ADC向硬盘传输能力不足而导致数据丢失。对于小带宽信号，这些挑战不常见；但对于射频信号，需要存储的数据量非常大。以下公式展示了如何计算信号写入磁盘所需的数据速率（比特/秒）。
数据速率[比特/秒] = 采样率[采样/秒] * ADC位数[比特/采样]
然而，对于射频应用，NI-RFSA获取函数通常无视ADC位数，一律以16位获取I/Q数据。对于射频信号，应分开处理I/Q数据，具体速率如下：
- 每个采样含16位I数据 = 2字节
- 每个采样含16位Q数据 = 2字节
- 总计为：每个I/Q采样4字节
基于这些计算，总数据速率公式如下：
数据速率[字节/秒] = IQ速率[采样/秒] * 4 [字节/采样]
这意味着若IQ速率为100 MS/s，则数据速率为400 MB/s。
有时您可能只有射频带宽的信息。IQ速率与带宽的关系如下：
带宽 = IQ速率 * 0.8
这意味着：
IQ速率 = 1.25 × 带宽
因此，总数据吞吐量的公式为：
数据速率 = 1.25 * 带宽 * 4
所以
数据速率 = 5 * 带宽
该计算表示若带宽为100 MHz，数据速率将达到500 MB/s。如果需要记录更长时间或更大带宽的信号，数据需求将迅速增长。
固态硬盘(SSD)适合快速写入数据，并可能是记录宽带信号的必备设备。RAID为存储宽带信号或长时间记录产生的大量数据提供了良好选择。最后一个考虑选项是在写入磁盘前对数据进行预处理，以减少需存储的数据量。例如，可选择执行快速傅里叶变换(FFT)，存储频域数据，而非原始时域数据。FPGA提供了完成此步骤所需的处理速度。该选项并非所有应用都适用，但对部分应用来说是有效的解决方案。
NI的记录和回放解决方案
NI射频记录和回放(RPS)系统采用模块化、软件定义及相位相干架构，专为航空航天和国防等苛刻测试环境设计，应对常见挑战。NI RPS基于PXI平台，集成了仪器级射频收发器、高速数据传输、同步定时和先进的系统补偿软件。
NI RPS支持高达4 GHz的瞬时带宽及高达40 GB/s的多通道流传输速率。工程师可无数据丢失地跨多通道记录或回放原始I/Q数据，即使是长时捕获也不例外。系统可配置高达300 TB存储空间，支持数小时的全速率记录。
在雷达、电子战和测向应用中，通道间相干性至关重要。RPS通过共享本振(LO)、参考时钟和触发信号，实现所有收发器通道的同步。
结论
射频记录和回放系统是连接真实射频环境与实验室测试的强大工具。随着频谱环境变得越来越密集和动态，精确捕捉和重现真实射频场景的能力已成为关键任务实现手段，在关键任务领域中更是如此。这些复杂系统在实现精准分析、稳健产品开发和可靠性能验证中将发挥关键作用。工程师可利用该先进技术加速验证流程，提升重复性，并确保各领域频谱主导权。