Generación de prototipos de sistemas de radar y EW con el Ettus USRP X440

El espectro electromagnético es a la vez vasto y saturado. Con billones de dispositivos conectados que operan en todo el mundo, estos dispositivos, ya sean comerciales o militares, compiten por el uso del espectro. Esta competencia requiere la expansión de los dispositivos de comunicaciones a porciones de frecuencia más altas del espectro para proporcionar el ancho de banda adecuado para que los dispositivos funcionen. Si bien esto es beneficioso para los dispositivos que utilizan el espectro, amplía el área de búsqueda de los receptores de inteligencia de señales que tienen como objetivo maximizar la probabilidad de interceptar señales de interés. Rastrear el rango completo de frecuencia utilizable es un desafío, ya que requiere múltiples radios o receptores de banda ancha para cubrir la gran cantidad de opciones de frecuencia disponibles para los dispositivos conectados.

Ya sea para introducir sistemas de ancho de banda más amplio, técnicas cognitivas, beamforming completamente digital o cualquier capacidad novedosa, las funciones deben evaluarse y validarse adecuadamente, probablemente en simulación de software y con hardware real, antes de implementarse en campo. Las radios definidas por software (SDR) ayudan a cerrar la brecha entre los experimentos de laboratorio y la aplicación práctica. 

La radio definida por software Ettus USRP X440 tiene una arquitectura diferente a otros dispositivos USRP. El Ettus USRP X440 tiene una arquitectura de muestreo directo acoplada a balun que proporciona acceso a los DACs y ADCs en el Xilinx Zynq RFSoC integrado. Se puede usar para muestrear directamente frecuencias de hasta 4 GHz, o se puede conectar a frentes externos para extender a una cobertura de frecuencia más alta. Estos frentes podrían optimizarse para aplicaciones como generación de prototipos de comunicaciones satelitales (SATCOM), implementación de estaciones terrestres SATCOM o investigación de onda milimétrica y sub-THz 6G.

^{Figura 1: Diagrama de bloques del dispositivo de radio definida por software Ettus USRP X440}

Sin circuitos de RF en el dispositivo, se ahorra espacio, lo que permite incorporar más canales sin aumentar el espacio. El Ettus USRP X440 SDR cuenta con 8 canales TX y 8 canales RX por dispositivo. Estos canales se pueden hacer de fase coherente compartiendo los relojes de muestreo, lo que hace que el X440 sea ideal para aplicaciones como búsqueda de dirección e investigación y generación de prototipos de radar.

La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) define la precisión de la búsqueda de dirección como "el valor RMS (raíz media cuadrática) de la diferencia entre el acimut verdadero y el rumbo mostrado". Lograr esa precisión con hardware SDR (o cualquier otro) se basa en una estrecha sincronización y un desfase mínimo entre los canales. Dentro de un solo dispositivo Ettus USRP X440, la estabilidad de fase RX típica es <0.1° RMS. Incluso al sincronizar canales en múltiples dispositivos, la estabilidad de fase RX permanece <1° RMS. Esta estabilidad proporciona una precisión excepcional para la búsqueda de dirección. Si se requiere beamforming, la estabilidad de fase de TX es <0.5° RMS dentro de un dispositivo Ettus USRP X440 y <1° RMS de un dispositivo a otro. Consulte las especificaciones del dispositivo Ettus USRP X440para obtener la lista completa de valores por velocidad de reloj maestro y la metodología de medidas.

^{Figura 2: El Ettus USRP X440 ofrece un desfase mínimo de canal a canal, para beamforming y detección de dirección.} 

Como se mencionó anteriormente, la tecnología de banda ancha es un factor importante para detectar y registrar señales antagónicas, pero también tiene grandes beneficios para la efectividad de los sistemas amigables. Por ejemplo, los sistemas de radar con anchos de banda más amplios pueden lograr una resolución más alta, lo que les permite detectar objetos más pequeños o distinguir entre objetos muy próximos entre sí. Esta capacidad, a su vez, mejora la capacidad de identificar y clasificar objetivos, reduciendo el riesgo de clasificación errónea y mejorando la precisión del posicionamiento. Los sistemas de ancho de banda más amplio también suelen ser más ágiles en frecuencia, pueden cambiar entre frecuencias sin tener que volver a sintonizar. Estos sistemas son más difíciles de detectar y monitorear, pero también más difíciles de bloquear o interrumpir.

La generación de prototipos de capacidades de banda ancha en el laboratorio requiere hardware de radio definido por software con un ancho de banda amplio apropiado. El Xilinx RFSoC integrado en el Ettus USRP X440 es capaz de muestrear a 4 GSps, proporcionando un ancho de banda instantáneo agregado de 3.2 GHz en todo el dispositivo. Este ancho de banda se puede asignar hasta 1.6 GHz por canal para una implementación de 1 o 2 canales o hasta 400 MHz por canal para 8 canales. Este ancho de banda es un incremento significativo en comparación con los modelos USRP anteriores, lo que hace que el X440 sea especialmente adecuado para aplicaciones de radar de banda ancha y EW.

^{Figura 3: El Ettus USRP X440 extiende el ancho de banda instantáneo significativamente más allá de los modelos USRP anteriores.}

Para bandas por debajo de 4 GHz (banda S, banda L y bandas HF/VHF/UHF), USRP X440 puede usarse para muestrear directamente el espectro. La arquitectura del Ettus USRP X440 permite aprovechar todo el ancho de banda del Xilinx RFSoC. Sin embargo, dado que no hay un acondicionamiento de señales IF integrado, se requiere un grado de planificación de frecuencia para evitar efectos que puedan distorsionar la señal de interés. El Ettus X440 USRP puede muestrear a frecuencias más altas que la frecuencia de Nyquist, definida como la mitad de la velocidad de muestreo del convertidor ADC (F_s). Desafortunadamente, este método introduce efectos de aliasing, donde las señales no deseadas aparecen como imágenes espejo alrededor de múltiplos de la frecuencia de Nyquist (F_s/2). Crea un rango de frecuencia inutilizable alrededor de cada límite de la zona de Nyquist, por lo que se debe ejecutar una planificación cuidadosa para evitar que las señales de interés abarquen varias zonas de Nyquist, lo que daría como resultado señales de interés distorsionadas o señales de interferencia en el espectro medido.

^{Figura 4: Las velocidades del reloj maestro deben seleccionarse cuidadosamente para evitar que los límites de la zona de Nyquist interfieran con las señales de interés.}

Para obtener más información sobre la planificación de frecuencia y la selección de la velocidad del reloj maestro con X440, visite https://kb.ettus.com/About_Sampling_Rates_and_Master_Clock_Rates_for_the_USRP_X440.

Los sistemas de radar a menudo utilizan bandas por encima de la cobertura de 4 GHz que ofrece de forma nativa el Ettus USRP X440. Por ejemplo, muchos radares meteorológicos, de vigilancia, control de tráfico aéreo y rastreo de defensa operan en la banda C, banda X y más. A pesar de las limitaciones de frecuencia, los dispositivos Ettus USRP X440 son ideales para actuar como transceptores de frecuencia intermedia (IF), que se conectan con frentes de RF externos para manejar la conversión ascendente y descendente hacia y desde las frecuencias de interés. Se debe tener cuidado al seleccionar los frentes que aceptarán y proporcionarán IF a <4 GHz, para que puedan ser muestreados por un Ettus USRP X440. Los frentes también deben aceptar una señal de control digital, que se puede suministrar desde el puerto DIO en el panel frontal del dispositivo X440. El controlador de hardware USRP (UHD) utiliza un framework de extensión que permite al USRP controlar un frente externo a través de la API UHD. Para obtener más información sobre el framework de extensión, visite https://files.ettus.com/manual/page_extension.html.

^{Figura 5: El Ettus USRP X440 es ideal para combinarse con convertidores ascendentes y descendentes externos para abordar bandas de frecuencia más altas.}

Los investigadores e ingenieros de sistemas que diseñan capacidades novedosas para sistemas aeroespaciales y de defensa requieren hardware flexible y reconfigurable que permita probar los conceptos con cambios mínimos de hardware. El Ettus USRP X440 fue diseñado no solo para abordar estas necesidades, sino también para cumplir con los requisitos de amplio ancho de banda para monitoreo de espectro y radar de alta resolución, así como para proporcionar coherencia de fase multicanal para detección de dirección o dirección de haz.

​Vea una demostración del Ettus USRP X440 en el siguiente video.

• Aprenda sobre las radios definidas por software USRP
• Vea los componentes comerciales de NI para generación de prototipos de radar y EW