使用 Ettus USRP X440 製作雷達與電子作戰系統原型

電磁頻譜既龐大又擁擠。不分商用或軍用裝置，全球爭奪頻譜使用權的連線裝置多達數十億台。因此，將通訊裝置延伸到頻譜中頻率較高的部分勢在必行，唯有這麼做才能提供適當的頻寬，支援裝置正常運作。這種方式對使用頻譜的裝置固然有幫助，卻也會擴大訊號情報接收儀需要搜尋的範圍，因為這類接收儀的目標在於盡可能提高攔截相關訊號的可能性。追蹤完整可用的頻寬範圍並不容易，必須運用多台無線電或寬頻接收器，覆蓋連線裝置所適用的眾多頻率選項。

不論是要引進頻寬更寬的系統、認知技術、全數位波束賦形，或是任何新功能，都必須透過軟體模擬或使用實際硬體，先進行適度的評估和驗證，之後才能現場實際部署。Software Defined Radio (SDR) 有助於縮短實驗室實驗與戰術用途之間的差距。 

Ettus USRP X440 Software Defined Radio 的架構不同於其他 USRP 裝置。Ettus USRP X440 採用巴倫偶合直接取樣架構，支援存取內建 Xilinx Zynq RFSoC 上的 DAC 與 ADC。可以使用不高於 4 GHz 的直接採樣頻率,也可以連線到外部前端，延伸到更高的頻率覆蓋範圍。要將這些前端運用於衛星通訊 (SATCOM) 原型製作、SATCOM 地面發射站部署，或是 mmWave 和 sub-THz 6G 研究等用途，可以進行最佳化處理。

^{圖 1：Ettus USRP X440 Software Defined Radio 裝置程式方塊圖}

裝置中若沒有 RF 電路，就能節省空間，在不佔用更多空間的情況下整合更多通道。Ettus USRP X440 SDR 的每個裝置各配備 8 個 TX 和 8 個 RX 通道。只要共用取樣時脈，這些頻道就能做到相位同調，X440 也能適用於測向和雷達研究與原型製作等用途。

國際電信聯盟 (International Telecommunication Union, ITU) 將測向準確度訂為「實際方位角與所示方位差的 RMS (均方根) 值」。 要運用 SDR (或任何) 硬體達到這樣的精確度，必須做到密切同步，並且要將通道間的相位錯離 (Phase skew) 降到最低。一台 Ettus USRP X440 裝置的 RX 相位穩定性，通常會 <0.1° RMS。即使跨多台裝置同步處理通道，RX 相位穩定性仍然會 <1°RMS。這樣的穩定性在測向方面可以發揮優異的準確度。如果必須進行波束賦形，Ettus USRP X440 裝置中的 TX 相位穩定性會 <0.5° RMS，而裝置與裝置之間的 TX 相位穩定性則會 <1° RMS。請參閱 Ettus USRP X440 裝置規格深入了解完整的主時脈率值與量測方法值清單。

^{圖 2：Ettus USRP X440 可以盡量消除通道和通道之間的相位錯離，適用於波束賦形與測向。} 

如前所述，寬頻技術是偵測並記錄敵方訊號的重要因素，但也有助於提高己方系統的效率。舉例來說，頻寬較寬的雷達系統能達到較高的解析度，因此能夠偵測較小的物體或區分間距較小的物體。因此，這項功能可以提升識別與分類目標的能力、降低分類錯誤的風險，也能提高目標定位準確性。系統頻寬越高，頻率捷變 (Frequency Agile) 通常也越高，不需重新調整就能在不同的作業頻率之間跳頻。要偵測及監控這類系統較不容易，但要讓這類系統發生壅塞或中斷等情況也更難。

要在實驗室中製作寬頻功能的原型，Software Defined Radio 硬體本體必須具備適當的頻寬。Ettus USRP X440 內建的 Xilinx RFSoC 能達到 4 GSps 的取樣率，可以跨裝置提供 3.2 GHz 的彙總瞬間頻寬。在單或雙頻道的配置中，每個頻道的頻寬可達到 1.6 GHz，而在八頻道的配置中，每個頻道的頻寬則可達到 400 MHz。相較於舊款 USRP，這樣的頻寬增幅相當大，因此 X440 特別適用於寬頻雷達與電子作戰用途。

^{圖 3：Ettus USRP X440 的瞬間頻寬表現大幅超越舊款 USRP。}

若是 4 GHz 以下的頻段 (S 頻段、L 頻段和 HF/VHF/UHF 頻段)，可以直接使用 USRP X440 進行頻譜取樣。Ettus USRP X440 的架構能讓您充分利用 Xilinx RFSoC 的完整頻寬。不過，由於沒有內建 IF 訊號調節功能，因此必須進行一定程度的頻率規劃，避免發生可能導致相關訊號失真的作用。Ettus X440 USRP 可以在高於奈奎斯特頻率的頻率取樣，這個頻率的定義是 ADC 轉換器取樣率 (F_s) 的一半。可惜，這種方式會造成失真效應，也就是不需要的訊號會以鏡像形式出現在奈奎斯特 (Nyquist) 頻率 (F_s/2) 的倍數週圍。這種情況會在每個奈奎斯特區域邊界產生無法使用的頻率範圍，因此必須謹慎規劃，避免相關訊號跨越多個奈奎斯特區域，導致相關訊號重要訊號失真，或者干擾訊號混疊在測得的頻譜中。

^{圖 4：必須謹慎選擇主時脈率，避免奈奎斯特區域邊界干擾相關訊號。}

若要深入了解 X440 的頻率規劃與主時脈率選擇方式，請參閱 https://kb.ettus.com/About_Sampling_Rates_and_Master_Clock_Rates_for_the_USRP_X440。

Ettus USRP X440 原生提供的覆蓋範圍是 4 GHz，雷達系統所使用的頻段通常會高於這個覆蓋率。舉例來說，許多氣象、監控、空中交通管制與國防追蹤雷達均以 C 頻段、X 頻段甚至更高的頻段運作。儘管有頻率限制，Ettus USRP X440 裝置仍然非常適合發揮中頻 (IF) 收發儀作用，用於連接外部 RF 前端，可以處理相關頻率的升/降轉換。選擇能在 <4 GHz 收發 IF 的前端時請特別注意，應選擇 Ettus USRP X440 能夠進行取樣的前端。前端裝置也應接收數位控制訊號，這個訊號的來源可以是 X440 裝置人機介面上的 DIO 連接埠。USRP Hardware Driver (UHD) 使用延伸架構，能支援 USRP 透過 UHD API 控制外部前端。要進一步了解擴充架構，請見 https://files.ettus.com/manual/page_extension.html。

^{圖 5：Ettus USRP X440 非常適合與外部升轉換器和降轉換器合併運用於處理更高的頻段。}

從事航太和國防系統創新能力設計的研究人員和系統工程師，必須使用靈活、能重新設定的硬體，以利在盡可能不更改硬體的前提下進行概念測試。Ettus USRP X440 的設計不僅是為了因應這些需求，更是為了達到頻譜監控和高解析度雷達對於加寬頻寬的需求，也是為了針對測向和波束控制提供多通道相位同調。

​歡迎觀看下列 Ettus USRP X440 示範影片。

• 了解 USRP Software Defined Radio
• 查看適用於雷達與電子作戰原型製作的 NI COTS 元件