RF 記錄與播放系統:實現真實訊號分析與模擬
概觀
RF 記錄與播放系統是捕捉、分析及模擬複雜現實無線頻率環境不可或缺的工具。此系統可讓工程師直接從戶外測試場、雷達測試室及作業任務等現場情境錄製 RF 訊號，稍後重播以進行分析、驗證及系統開發，深入洞察系統行為。此能力對於電磁頻譜作業 (EMSO) 極其關鍵，在此類作業中，系統需對密集且動態的訊號環境進行識別、分類並作出回應。雷達驗證、電子作戰系統特性分析、訊號情報 (SIGINT) 及 GNSS 韌性測試均依賴精確的訊號重現。記錄與播放系統協助工程師捕捉現場訊號以進行可重複的實驗室測試，重現任務情境以評估演算法表現，關聯系統傳輸與接收波形，或執行通道建模、發射器分類等離線分析。
成功構建 RF 記錄與播放系統所需的核心技術雖複雜，但本質上為捕捉、儲存與重播。在大頻寬、高保真度及多通道規模下執行此流程帶來重大技術挑戰。當實時訊號環境複雜、難以預測、需額外離線處理或難以在實驗室重現時，此類系統尤其有價值。本文將簡要探討 RF 記錄與播放 (RPS) 系統的架構，並檢視建置時之設計挑戰與考量。
內容
系統架構
將基本的記錄與播放系統劃分為三部分：接收器或記錄器、資料儲存以及傳輸器，這樣的劃分非常實用。
圖 1.基本記錄與播放系統
接收器負責捕捉所關注的 RF 訊號。針對 RF 記錄應用，所關注的脈衝或連續訊號範圍廣泛，涵蓋從友好或中立訊號如 GPS/GNSS，到用於干擾或欺騙的威脅訊號。訊號被捕捉並記錄後，工程師可返回實驗室進行進一步的離線分析。對可靠記錄訊號進行深度分析在訊號情報、通道建模及通道探測等應用中至關重要。進行通道探測並建立準確的通道模型對無線通信非常關鍵。6G 的新頻譜需求及非地面網絡 (NTN) 的擴展促使更多商業應用系統需要新的通道模型。此外，航太與國防機構也要求更多關鍵任務測試及軍事平台的現代化。
當記錄訊號後需要進行 RF 播放（而非僅離線處理）時，會使用傳輸器來播放訊號。RF 播放適用於以下常見應用：
- 為受測裝置提供刺激訊號
- 產品開發期間的訊號來源
- 通道模擬
接收器與傳輸器的設計考量包括頻寬與資料吞吐量、系統尺寸與成本、相位相干與同步，以及擴展性與彈性。
現今市場上的許多系統瞬時頻寬限制在 1 GHz 以下，且通常僅支援單通道。對於現代系統而言，這種限制無法實現完整環境的捕捉。即使是以完整解析度記錄 1 GHz 的 I/Q 資料，也需要近乎是訊號頻寬 5 倍的持續寫入速度（MB/s）。在多通道以此速度維持無損吞吐量很快就超出傳統儲存與串流架構的能力。
選擇合適的 RF 傳輸器與接收器很重要，但在 RF 記錄與播放系統中選擇及配置資料儲存是最具挑戰的部分。資料必須以足夠快的速度寫入磁碟以捕捉訊號，並確保過程中不遺失任何位元，無論是因磁碟寫入速度不足，抑或是從接收器 ADC 到硬碟的資料傳輸能力不夠。對於小頻寬訊號，這些挑戰不常見；但針對 RF 訊號，須儲存的資料量相當龐大。下列公式顯示了如何計算訊號寫入磁碟所需的每秒位元資料傳輸率。
資料傳輸率 [位元/秒] = 取樣率 [取樣/秒] * ADC 位元深度 [位元/取樣]
然而，對於 RF 應用，NI-RFSA 的取用函數通常會以 16 位元取得 I/Q 資料，無論 ADC 位元深度為何。對 RF 訊號而言，應分別處理 I/Q 資料，導致下述資料傳輸率：
- 每個樣本的 I 資料為 16 位元，即 2 位元組
- 每個樣本的 Q 資料為 16 位元，即 2 位元組
- 合計如下：每個 I/Q 樣本共 4 位元組
根據這些計算，總資料傳輸率方程式如下：
資料傳輸率 [位元組/秒] = IQ 速率 [樣本/秒] * 4 [位元組/樣本]
這表示若 IQ 速率為 100 MS/s，資料傳輸率將達 400 MB/s。
有時您可能只有 RF 頻寬資訊。IQ 速率與頻寬的關係如下：
頻寬 = IQ 速率 * 0.8
換言之：
IQ 速率 = 1.25 * 頻寬
所以，總資料吞吐量公式為：
資料傳輸率 = 1.25 * 頻寬 * 4
也就是說，
資料傳輸率 = 5 * 頻寬
此計算表明，100 MHz 頻寬對應約 500 MB/s 的資料傳輸率。若需記錄更長時間或更寬頻寬訊號，資料需求將迅速增加。
固態硬碟（SSD）適合快速寫入資料，也常為錄製寬頻訊號的必要條件。RAID 是儲存大量資料（不論來源為寬頻訊號或長時間記錄）的良好選擇。另一選項是在資料寫入磁碟前進行預處理，以減少需儲存的資料量。例如，您可選擇執行 FFT 並儲存頻域資料，而非原始資料。FGPA 能提供執行此步驟所需的處理速度。此方案並非適用於所有應用，卻是其他應用的良好解決方案。
NI 記錄與播放解決方案
NI RF 記錄與播放（RPS）系統採用專為航太及國防測試等嚴苛環境而設計的模組化、軟體定義及相位相干架構，可因應常見的挑戰。NI RPS 建構於 PXI 平台上，結合儀器級 RF 收發器、高速資料傳輸、同步時序及先進系統補償軟體。
NI RPS 支援最高 4 GHz 的瞬時頻寬及速率高達 40 GB/s 的多通道串流。工程師能在多通道上記錄或播放原始 I/Q 資料且無資料損失，並能應付長時間的捕捉。系統可配置儲存容量高達 300 TB，支援長時間全速記錄。
在雷達、電子作戰與定向尋找應用中，通道間相干性至關重要。RPS 系統透過共用本振（LO）、參考時脈與觸發訊號，實現所有收發通道的同步。
結論
RF 記錄與播放系統是連結真實 RF 環境與實驗室測試的強大工具。隨著頻譜環境愈來愈密集且動態，準確捕捉及重現現實世界 RF 情境的能力，尤其在關鍵任務領域，成為任務達成的關鍵推動力。這些複雜系統在促進準確分析、強化產品開發及確保性能驗證的可靠性上，扮演重要角色。工程師可利用此先進技術加速驗證、提升重現性，並確保頻譜在所有領域的主導地位。