Prototyping von Radar- und EloKa-Systemen mit dem Ettus USRP X440

Das elektromagnetische Spektrum ist groß und zugleich überfüllt. Mit Milliarden von vernetzten Geräten, die weltweit betrieben werden, konkurrieren diese Geräte – ob kommerziell oder militärisch – um die Nutzung des Frequenzspektrums. Diese Konkurrenz erfordert die Erweiterung von Kommunikationsgeräten in höherfrequenten Bereichen des Spektrums, um eine angemessene Bandbreite für den Betrieb der Geräte bereitzustellen. Dies ist zwar für die Geräte, die das Spektrum verwenden, von Vorteil, erweitert jedoch den Suchbereich für die Signalaufklärungsempfänger, die darauf abzielen, die Wahrscheinlichkeit des Abfangens relevanter Signale zu maximieren. Die Verfolgung des gesamten nutzbaren Frequenzbereichs ist schwierig und erfordert mehrere Funksysteme oder Breitbandempfänger, um die Vielzahl der Frequenzoptionen abzudecken, die vernetzten Geräten zur Verfügung stehen.

Unabhängig davon, ob es sich um die Einführung von Systemen mit größerer Bandbreite, kognitiven Techniken, vollständig digitalem Beamforming oder anderen neuen Eigenschaften handelt, müssen die Funktionen angemessen bewertet und validiert werden, wahrscheinlich in Softwaresimulationen und mit realer Hardware, bevor sie im Feld eingesetzt werden. Softwaredefinierte Funksysteme (Software-Defined Radios, SDRs) helfen, die Lücke zwischen Laborexperimenten und taktischem Einsatz zu schließen. 

Das softwaredefinierte Funksystem Ettus USRP X440 unterscheidet sich in seiner Architektur von anderen USRP-Geräten. Das Ettus USRP X440 verfügt über eine Direktabtastungsarchitektur mit Balun-Kopplung, die Zugriff auf die D/A-Wandler und A/D-Wandler auf dem geräteeigenen Xilinx Zynq RFSoC ermöglicht. Es kann zur direkten Abtastung von Frequenzen bis zu 4 GHz verwendet oder an externe Frontends angeschlossen werden, um eine höhere Frequenzabdeckung zu erzielen. Diese Frontends können für Anwendungen wie das Prototyping für Satellitenkommunikation (SATCOM), die Bereitstellung von SATCOM-Bodenstationen oder die mmWave- und Sub-THz-6G-Forschung optimiert werden.

^{Abbildung 1: Blockdiagramm des softwaredefinierten Funksystems Ettus USRP X440}

Ohne RF-Schaltkreise im Gerät wird weniger Platz benötigt, sodass mehr Kanäle integriert werden können, ohne den Footprint zu vergrößern. Das Ettus USRP X440 SDR verfügt über 8 TX- und 8 RX-Kanäle pro Gerät. Diese Kanäle können durch gemeinsame Nutzung der Sample-Takte phasenkohärent gemacht werden, wodurch sich der X440 ideal für Anwendungen wie Ortung und Radarforschung und -prototyping eignet.

Die Internationale Fernmeldeunion (International Telecommunication Union, ITU) definiert die Ortungsgenauigkeit als „RMS-Wert (Root Mean Square, Effektivwert) der Differenz zwischen dem wahren Azimut und der angezeigten Peilung“. Das Erreichen dieser Genauigkeit mit SDR-Hardware (oder einer beliebigen anderen Hardware) hängt von einer engen Synchronisierung und einer minimalen kanalübergreifenden Phasenverschiebung ab. Innerhalb eines einzelnen Ettus USRP X440-Geräts beträgt die typische RX-Phasenstabilität <0,1° RMS. Selbst bei der geräteübergreifenden Synchronisierung von Kanälen bleibt die RX-Phasenstabilität <1° RMS. Diese Stabilität sorgt für eine außergewöhnliche Genauigkeit bei der Ortung. Wenn Beamforming erforderlich ist, beträgt die TX-Phasenstabilität <0,5° RMS innerhalb eines Ettus USRP X440-Geräts und <1° RMS von Gerät zu Gerät. In den Gerätespezifikationen des Ettus USRP X440 finden Sie eine vollständige Liste der Werte nach Master-Taktrate und Angaben zur Messmethodik.

^{Abbildung 2: Das Ettus USRP X440 bietet eine minimale Phasenverschiebung zwischen Kanälen für Beamforming und Ortung.} 

Wie bereits erwähnt, ist die Breitbandtechnologie ein wichtiger Faktor bei der Erkennung und Aufzeichnung feindlicher Signale, hat aber auch große Vorteile für die Effektivität eigener Systeme. Beispielsweise können Radarsysteme mit größeren Bandbreiten eine höhere Auflösung erzielen, sodass sie kleinere Objekte erkennen oder zwischen nahe beieinander liegenden Objekten unterscheiden können. Diese Eigenschaft wiederum verbessert die Fähigkeit, Ziele zu identifizieren und zu klassifizieren, wodurch das Risiko einer falschen Klassifizierung reduziert und die Genauigkeit der Zielbestimmung verbessert wird. Systeme mit größerer Bandbreite sind in der Regel auch frequenzagiler und können ohne Neuabstimmung zwischen den Betriebsfrequenzen wechseln. Diese Systeme sind schwieriger zu erkennen und zu überwachen, aber auch schwerer zu stören oder zu unterbrechen.

Das Prototyping von Breitbandfunktionen im Labor erfordert softwaredefinierte Funksystemhardware mit einer entsprechend großen Bandbreite. Das geräteeigene Xilinx-RFSoC des Ettus USRP X440 ist in der Lage, mit 4 GS/s abzutasten, wodurch eine aggregierte Momentanbandbreite von 3,2 GHz auf dem gesamten Gerät bereitgestellt wird. Diese Bandbreite kann bei einer 1- oder 2-Kanal-Implementierung mit bis zu 1,6 GHz pro Kanal oder bei acht Kanälen mit bis zu 400 MHz pro Kanal zugewiesen werden. Im Vergleich zu früheren USRP-Modellen ist diese Bandbreite eine deutliche Steigerung, wodurch sich das X440 besonders gut für Breitbandradar- und EloKa-Anwendungen eignet.

^{Abbildung 3: Das Ettus USRP X440 erweitert die Momentanbandbreite im Vergleich zu früheren USRP-Modellen erheblich.}

Für Bänder unter 4 GHz – S-Band, L-Band und die HF/VHF/UHF-Bänder – kann USRP X440 verwendet werden, um das Spektrum direkt abzutasten. Die Architektur des Ettus USRP X440 ermöglicht die Nutzung der gesamten Bandbreite des Xilinx-RFSoC. Da es jedoch keine integrierte Zwischenfrequenz-(ZF-)Signalaufbereitung gibt, ist ein gewisses Maß an Frequenzplanung erforderlich, um Effekte zu vermeiden, die das relevante Signal verzerren können. Das Ettus X440 USRP kann mit Frequenzen abtasten, die größer als die Nyquist-Frequenz sind, die als die Hälfte der Sample-Rate des A/D-Wandlers (F_s) definiert ist. Leider führt diese Methode zu Aliaseffekten, bei denen unerwünschte Signale als Spiegelbilder um Vielfache der Nyquist-Frequenz (F_s/2) angezeigt werden. Um jede Nyquist-Zonengrenze herum entsteht ein unbrauchbarer Frequenzbereich. Daher ist eine sorgfältige Planung erforderlich, um zu vermeiden, dass die relevanten Signale mehrere Nyquist-Zonen umfassen, was zu verzerrten relevanten Signalen oder Störsignalen führen würde, die in das gemessene Spektrum als Aliassignale eingebunden werden.

^{Abbildung 4: Die Master-Taktraten müssen sorgfältig ausgewählt werden, um zu vermeiden, dass die Nyquist-Zonengrenzen die relevanten Signale stören.}

Weitere Informationen zur Frequenzplanung und Auswahl der Master-Taktrate mit X440 finden Sie unter https://kb.ettus.com/About_Sampling_Rates_and_Master_Clock_Rates_for_the_USRP_X440.

Radarsysteme verwenden häufig Bänder oberhalb der 4-GHz-Abdeckung, die das Ettus USRP X440 nativ bereitstellt. So arbeiten beispielsweise viele Radargeräte für Wetter, Überwachung, Flugsicherung und Verteidigung im C-Band, X-Band und über diese Bänder hinaus. Trotz der Frequenzbeschränkungen eignen sich die Ettus USRP X440-Geräte gut als Zwischenfrequenz-(ZF-)Transceiver, die mit externen RF-Frontends verbunden werden, um die Auf- und Abwärtswandlung zu und von den relevanten Frequenzen durchzuführen. Bei der Auswahl von Frontends sollte darauf geachtet werden, dass diese Zwischenfrequenzen bei <4 GHz akzeptieren und bereitstellen, sodass sie von einem Ettus USRP X440 abgetastet werden können. Die Frontends sollten auch ein digitales Steuersignal akzeptieren, das von der DIO-Schnittstelle auf dem Frontpanel des X440-Geräts geliefert werden kann. Der USRP-Hardwaretreiber (UHD) verwendet ein Erweiterungsframework, mit dem das USRP ein externes Frontend über die UHD-API steuern kann. Um mehr über das Erweiterungsframework zu erfahren, besuchen Sie https://files.ettus.com/manual/page_extension.html.

^{Abbildung 5: Das Ettus USRP X440 eignet sich ideal für die Kombination mit externen Auf- und Abwärtswandlern, um höhere Frequenzbänder anzusprechen.}

Forscher und Systemingenieure, die neue Funktionen für Luft- und Raumfahrt- sowie für Verteidigungssysteme entwickeln, benötigen flexible, rekonfigurierbare Hardware, die das Testen von Konzepten mit minimalen Hardwareänderungen ermöglichen. Das Ettus USRP X440 wurde entwickelt, um nicht nur diesen Anforderungen gerecht zu werden, sondern auch, um die Anforderungen an große Bandbreiten für die Spektrumüberwachung und hochauflösendes Radar zu erfüllen und eine Mehrkanal-Phasenkohärenz für die Ortung oder Funkstrahlnachführung (Beam Steering) bereitzustellen.

​Im folgenden Video sehen Sie eine Produktvorführung des Ettus USRP X440.

• Erfahren Sie mehr über softwaredefinierte USRP-Funksysteme
• Siehe NI COTS-Komponenten für Radar- und EloKa-Prototyping