Verwenden von Breitband-ZF-Digitizern zum Lösen von Herausforderungen beim Streaming und Aufzeichnen von RF-Signalen

Abbildung 1 Beispielsignale im 5-MHz- bis 2-GHz-Band

Viele Anwendungen in Verifizierungs- und Validierungstests, bei der Spektrumüberwachung, im Multikonstellations-GNSS und bei softwaredefinierten Empfängern erfordern die Erfassung, Echtzeitverarbeitung und Aufzeichnung von HF-Signalen. Die moderne A/D-Wandlertechnologie ermöglicht Empfänger mit direkter Abtastung, die bei oder über 2 GHz arbeiten. Dies vereinfacht die Architektur der Empfänger, insbesondere bei Mehrkanalsystemen, die eine enge Synchronisation zwischen Kanälen erfordern. Dies ist bei Peilsendern für Spektrumüberwachung, Überhorizont- und Passivradar sowie Antennenmessungen der Fall.

Darüber hinaus erfordert die steigende Nachfrage nach schnelleren Spektrumabtastungen und neuen Radartypen Empfänger mit großer Momentanbandbreite und Echtzeit-Signalverarbeitung.

Aktuelle HF-Streaming-Systeme haben in der Regel zwei Formen: hohe Bandbreite, verlustfreies Streaming und Schmalband-Streaming. Der erste Typ zeichnet die gesamte verfügbare Bandbreite auf, was bei modernen Anwendungen Datenmengen von mehreren Gigabyte pro Sekunde für Systeme mit einer Sample-Rate von 2 GS/s oder höher bedeutet. Aktive Radarsysteme nutzen in der Regel Breitband-Streaming.

Oft konzentrieren sich die meisten nützlichen Informationen jedoch auf ein bestimmtes schmaleres Band. Hier setzt der zweite Streaming-Typ an. Schmalband-Streaming ermöglicht Datenreduktion und Inline-Signalverarbeitung. Solche Systeme erfordern das Streaming in HDD-Signale, die relativ schmale Bänder mit mehreren zentralen Frequenzen belegen.

Beispiele für schmalbandige Signale, die von passiven Radaranwendungen erfasst, gestreamt und analysiert (oder aufgezeichnet) werden, können von Digital Video Broadcasting – Terrestrial (DVB-T) oder Advanced Television Systems Committee (ATSC) – Sendern stammen, die je nach Land durch Bandbreiten von 6 MHz bis 8 MHz gekennzeichnet sind und in VHF-/UHF-Frequenzbereichen liegen.

GNSS-Multikonstellationsempfängertests sind weitere Beispiele für Schmalband-Streaming, bei dem sowohl GPS-L5/L2- als auch GLONASS-G1- und G2-Signale verwendet werden müssen. Benutzer könnten ihr Interesse auf Signale konzentrieren, die nur wenige Megahertz breit sind, aber sogar Hunderte von Megahertz voneinander entfernt sein können.

Abbildung 2 Klassifizierung der in diesem Dokument beschriebenen Streaming-Anwendungen

Nach der Erfassung dieser Breitbandsignale ist anschließend eine Abwärtswandlung (Frequenzverschiebung), Dezimierung, Dämpfungsentzerrung und Kalibrierung dieser Streaming-Systeme erforderlich. Das resultierende schmalbandige Signal wird dann demoduliert und dekodiert, weiter gefiltert, verstärkt und auf der Festplatte oder einer beliebigen Kombination dieser Funktionen gespeichert.

Im Großen und Ganzen lassen sich typische Streaming- und Channelizing-Anwendungen wie in Abbildung 2 dargestellt unterteilen.

Um die mit Breitband-Streaming verbundenen Herausforderungen besser zu verstehen, muss man zunächst die technischen Spezifikationen des ZF-Empfängers verstehen. In diesem Artikel steht das Modul PXIe-5624R im Mittelpunkt. ZF-Empfänger sind in der Regel Teil des Vektorsignalanalysators, der den Frequenzumsetzer, ZF-Empfänger und Signalquellen für LO enthält. Die Architektur des Beispiel-Vektorsignalanalysators wird im Whitepaper Introduction to the PXIe-5668R – High-Performance 26.5 GHz Wideband Signal Analyzer beschrieben.

ZF zeichnet sich durch einen Frequenzbereich von 5 MHz bis 2 GHz und eine typische Bandbreite von 800 MHz aus (siehe technische Spezifikationen). Nach dem Hinzufügen eines bandbegrenzten Rauschsignals (Dithersignals), das die Quantisierungseffekte des A/D-Wandlers reduziert und die spektrale Leistung verbessert, tastet der A/D-Wandler das Signal mit bis zu 2 GSa/s mit einer 12-Bit-Auflösung ab. Das geräteeigene FPGA verarbeitet diese Samples und überträgt die Daten über den PCI Express Gen 2x8 an andere Geräte (PXI-Express-Controller, RAID), wodurch Daten-Streaming mit theoretischen Raten von bis zu 4 GB/s möglich ist. Im Breitband-Streaming-Case führt das FPGA nur eine digitale Abwärtswandlung (DDC) für alle eingehenden Daten durch, im Gegensatz zu mehreren unabhängigen Abwärtswandlungen im Schmalband-Case, wie später im Dokument erwähnt.

Abbildung 3 Blockdiagramm des ZF-Digitizers PXIe-5624R

Bit-Packing

Beim Breitband-Streaming sind nicht nur die theoretische Bandbreite des PCI Express-Busses zu berücksichtigen, sondern auch dessen praktische Einschränkungen (d. h. Steuernachrichten, die über denselben Bus geleitet werden). Die erste und einfachere Implementierung zum Senden von Daten über den PCI Express-Bus wäre das Senden von 16-Bit-Samples nacheinander, auch wenn Daten vom A/D-Wandler nur 12-Bit-Daten sind. Dieser Ansatz führt jedoch zu theoretischen Einschränkungen von 4 GB/s pro PCI Express-Verbindung, die im Modul PXIe-5624R verfügbar sind (2 Byte/Sample bei 2 GS/s entspricht 4 GB/s), was praktisch kein kontinuierliches Streaming ermöglicht. Es gibt jedoch eine clevere Lösung: Bit-Packing. Mit Hilfe von Bit-Packing werden vier 12-Bit-Samples in drei 16-Bit-Wörter komprimiert. Dadurch wird die Datenrate von 4 GB/s auf 3 GB/s reduziert und ein kontinuierliches Daten-Streaming ermöglicht.

Synchronisation zwischen Modulen

Oft besteht ein Bedarf an kontinuierlichem Streaming von mehreren Modulen desselben Typs. Diese synchronisierten Mehrkanal-HF-Systeme ermöglichen bestimmte Anwendungen wie z. B. Ortung. Durch die Analyse der Phasendifferenz des Eingangssignals zwischen verschiedenen Kanälen kann das System die Richtung der Signalquelle bestimmen.

In diesem Fall sind die A/D-Wandler mit demselben Referenztakt verbunden. Per Voreinstellung ist dies der PXI-Express-Backplane-Takt mit 100 MHz. Die Synchronisation ermöglicht es daher, die Erfassung auf mehreren Geräten gleichzeitig zu starten – genauer gesagt innerhalb weniger 10 ps relativ zueinander. Entscheidend ist jedoch, dass die Laufzeitunterschiede zwischen den Digitizern von Durchlauf zu Durchlauf gleich sind, solange die Temperatur gleich ist, sodass der Zeitversatz mit der Kalibrierung verbessert werden kann. Für die Synchronisation ist weder ein Timing-Modul noch ein externes Kabel erforderlich. Die Synchronisation verwendet zwei Trigger-Leitungen auf der PXI-Express-Backplane.

Burst-Modus

Im Burst-Modus werden die Daten erst nach dem Auftreten des Trigger-Signals an den Host gestreamt. Das Trigger-Signal kann über den PFI0-Anschluss direkt mit der ZF-Digitizerkarte verbunden oder softwaregetriggert werden. Im Burst-Modus kann der Benutzer die Logik des FPGA so definieren, dass einige Parameter konfiguriert werden können:

• Blocklänge (Nx)
• Blockperiode (Mx)
• Anzahl der Datensätze pro Trigger
• Anzahl der Samples vor dem Trigger

Abbildung 4 Beispielszenario für eine Burst-Erfassung

Ein solches Burst-Szenario kann so implementiert werden, dass variable Blocklängen und Verzögerungen möglich sind. Beschreibungen von Szenarien können auf dem Host-Computer definiert und später auf das FPGA gestreamt werden. Das Trigger-Signal kann jedoch Samples mit einer Unsicherheit von etwa 8 ns erzeugen, da das PFI0-Signal bei 125 MHz abgetastet wird.

Abbildung 5 Trigger-Unsicherheit aufgrund der Abtastung von PFI0 bei 125 MHz

Schmalband-Streaming wird häufig in Anwendungen zur GNSS-Validierung, bei der Spektrumüberwachung, für passives Radar und Ortung benötigt. In solchen Fällen sind Anwender häufig an mehreren relativ schmalbandigen Signalen interessiert, die innerhalb einer definierten, größeren Spektrumkomponente liegen und oft von mehreren räumlich verteilten Antennen stammen.

Es ist unbedingt erforderlich, dass die Signale gleichzeitig erfasst werden, was die Verwendung herkömmlicher, gewobbelter Vektorsignalanalysatoren unmöglich macht. Die Lösung für eine solche Herausforderung wird Channelizer genannt – die Anwendung, die ein Breitbandsignal erfasst, das alle schmalbandigen Signale von Interesse enthält, und diese dann mit Hilfe von DDC auf einem FPGA trennt, wodurch die Datenraten erheblich reduziert werden.

Digitale Abwärtswandlung

Aufgrund seiner parallelen Struktur ist es möglich, zahlreiche DDC-Logikblöcke auf einem FPGA zu implementieren, was die simultane Analyse mehrerer schmalbandiger Signale ermöglicht. Die erste Stufe von DDC verwendet einen digitalen Quadraturfrequenzumsetzer, der ein Signal von einer beliebigen Frequenz im Bereich des Digitizers in das Basisband verschiebt. Auf der nächsten Stufe erfolgt die Dezimierung (Verringerung der Sample-Rate). Programmierbare digitale FIR-Tiefpassfilter vor jeder Dezimierungsstufe verhindern Aliasing, wenn die Sample-Rate reduziert wird. Benutzer können die dezimierten Daten als phasengleich und Quadratur abrufen.

Darüber hinaus können Anwender digitale Signalverarbeitung zur digitalen Korrektur analoger Unvollkommenheiten im System durchführen, z. B.:

• Digitale Verstärkung – Steuert die I- und Q-Signalamplituden digital
• Digital-Offset – Steuert die I- und Q-Signal-Offsets digital
• Dämpfungsentzerrung – Filtert die I/Q-Daten, um das analoge Ansprechverhalten eines Geräts auszugleichen
• I/Q-Störungen – Ändert die I/Q-Daten zur Korrektur oder Anwendung von I/Q-Störungen wie Verstärkungsungleichgewicht, Quadraturverschiebung oder DC-Offset

Ein PXIe-5624R-Gerät mit seinem Xilinx Kintex-7 XC7K410T kann bis zu 12 DDCs mit I/Q-Raten von 37,5 MHz oder 8 DDCs mit I/Q-Raten von 93,75 MHz aufnehmen (weitere Informationen dazu erhalten Sie von NI). Unterbänder können an RAID gestreamt und/oder online auf dem Host-Computer analysiert werden.

Multiantennen-DDC mit ZF-Empfängern

Wie oben erwähnt, können mehrere PXIe-5624R-Geräte für die Erfassung von mehreren Antennen synchronisiert werden, beispielsweise für Ortungsanwendungen. In solchen Fällen können Benutzer bis zu 12 Mittenfrequenzen mit ausgewählten I/Q-Raten definieren und mehrere ZF-Module übernehmen die Abwärtswandlung der Signale von mehreren Antennen. Die PXI-Express-Lösung vereinfacht die Synchronisation mehrerer PXIe-5624R-A/D-Wandler.

• In einem solchen Fall können folgende Parameter eingestellt werden:
• Mittenfrequenzen der Kanäle
• I/Q-Rate der Kanäle
• Taktquelle des A/D-Wandlers
• Takt (Ausgang)
• Burst-Größe (für Burst-Erfassung)
• Burst-Wartezeit in Samples
• Parameter des Formungsfilters

Abbildung 6 Beispielkonfigurationsfenster für eine mehrkanalige Channelizer-Anwendung mit mehreren Modulen

Abbildung 7 Parameter des Formungsfilters

Abbildung 8 Verschiedene Optionen zur Reduzierung des Phasenrauschens

Die offene Architektur der ZF-Empfänger des Typs PXIe-5624R ermöglicht die Verwendung externer Taktsignale in Anwendungen, in denen die Minimierung des Phasenrauschens eine entscheidende Rolle spielt. Benutzer können je nach Anforderung des Systems und verfügbarem Budget die beste Art der Taktung des A/D-Wandlers auswählen. Abbildung 8 zeigt verschiedene mögliche Konfigurationen der Taktquelle. Das Modul PXIe-6674T ist ein Timing- und Synchronisationsmodul, das für Systeme mit mehreren Modulen und mehreren Chassis entwickelt wurde (Phasenrauschen in Abbildung 8 grün markiert), während PXIe-5653 ein Generator für LO-Signale mit geringem Phasenrauschen ist (in Abbildung 8 blau und violett markiert). Das geringste Phasenrauschen wird mit dem Modul PXIe-5653 erzielt, während PXIe-6674T einen Kompromiss zwischen Kosten und Leistung darstellt.

Die PXI-basierten ZF-Empfänger (PXIe-5624R) von NI mit integrierten FPGAs sind leistungsstarke Geräte für anspruchsvolle Streaming-Anwendungen wie Radartest, GNSS-Validierung, flexible Spektrumüberwachung und Ortung. Ihre offene Architektur in Kombination mit der Leistung der PXI-Plattform ermöglicht eine einfache Erweiterung auf mehrere Kanäle mit garantierter Phasensynchronisation und Kohärenz.

Darüber hinaus ermöglicht der modulare Ansatz von NI das Hinzufügen von Komponenten wie Frequenzumsetzern (mit Zentralfrequenzen bis 26,5 GHz im PXI-Express-Formfaktor oder einer 72-GHz- bis 76-GHz-Empfangseinheit), Schaltern, Leistungsverstärkern/Dämpfern und Preselektor-Modulen.