Parallell bearbetning av 1024 kanaler i en enda mottagare

Vi ser ett ständigt växande antal kommunikationssignaler i spektrumet. Samtidigt blir standarderna för trådlös kommunikation allt mer varierande. Att använda konventionella metoder för kommunikationsövervakning och spektrumövervakning skulle öka kostnaden nästan proportionellt mot antalet signaler. Det behövs nya kostnadseffektiva lösningar för att effektivt övervaka de många olika kommunikationssignalerna och identifiera RF-störare.

Av Carsten Watolla, avdelningschef Spektral dataanalys "SDA"

Bakgrund

Innan det är möjligt att lyssna på, analysera eller ytterligare bearbeta en kommunikationssignal måste den först gå igenom en nedkonverteringskedja. I kedjan ingår att blanda en riktig IF-signal, nedsampla och filtrera den. Denna process kallas också kanalisering. Mixern omvandlar en digitaliserad real IF-signal till en komplex basbandssignal. Genom att nedsampla signalen minskas mängden data, vilket gör inline-bearbetningen mycket mindre processintensiv.

Filtreringen eliminerar alla oönskade frekvenskomponenter från den aktuella signalen. Mixningen, nedsamplingen och filtreringen görs av digitala nedkonverterare (DDC), som ibland kallas digitala mottagare (DDR). DDC:er implementeras traditionellt på applikationsspecifika integrerade kretsar (ASICS) men används idag ofta tillsammans med fältprogrammerbara grindmatriser (FPGA). Beroende på kvaliteten på det implementerade filtret och flexibiliteten i nedkonverteringssteget kräver en DDC mer eller mindre hårdvaruresurser. För applikationer som kräver ett fåtal bredbandssignaler är det vanligt att man bygger individuella DDC-block för att få bästa prestanda. Att implementera hundratals DDC:er genom att bygga individuella DDC-block multiplicerat med antalet DDC:er som behövs skulle dock bli mycket resurskrävande och kostsamt eftersom det skulle krävas större FPGA:er eller fler FPGA:er.

För att kunna hantera hundratals smalbandssignaler är det därför vanligt att använda mindre resurskrävande bearbetningstekniker, vilket medför vissa praktiska begränsningar för smalbandstillämpningar. Frekvensdomänfiltrering (FDF) ger användaren begränsade möjligheter att ställa in varje kanal individuellt eftersom den är beroende av avståndet mellan FFT-binsen. En PFFB-implementering (Polyphase FFT Filter Bank) är begränsad till kanalstrukturer med lika avstånd.

Lösning

Novator Solutions samarbetar med RFEL för att ta fram en kostnadseffektiv men flexibel flerkanalsmottagare för övervakning av smalbandskommunikation och spektrumövervakning. Den möjliggör parallell bearbetning av upp till 1024 kanaler i en enda mottagare.
Den egenutvecklade kanaliseringslösningen är jämförbar med en funktionell parallell DDC-blockimplementering. Den ger full tillgång till att konfigurera varje kanal individuellt. Konfigurationsparametrarna per kanal inkluderar DDC på/av, centerfrekvens med en sub-Hertz (<1Hz)
inställningsupplösning, samplingsfrekvens, förstärkning och val av koefficient för FIR-utgångsfilter. Alla konfigurationsparametrar kan ändras under körning.

Bild: Kanaliserade signaler av intresse

Avvägningar

Det finns en avvägning mellan den ingående bandbredden och antalet tillgängliga kanaler. Några exempel från verkligheten som har realiserats med Novator Solutions flerkanalsmottagare och intelligenta RF-spektruminspelare:

  1. HUGIN 200: FPGA-mål: Kintex-7 410T; Ingångsbandbredd: 4x80MHz;
    Tillgängliga kanaler: 512
  2. HUGIN 2000: FPGA-mål: Kintex-7 410T; Ingångsbandbredd: 200MHz;
    Tillgängliga kanaler: 1024
  3. ODEN 3001: FPGA-mål: Kintex Ultrascale KU-060; Bandbredd för ingång:
    200MHz/765MHz; Tillgängliga kanaler: 1024/128

Den andra teoretiska avvägningen är den maximala samplingsfrekvensen för den aggregerade utsignalen. Varje DDC decimeras internt i två steg, först en grov decimering och sedan en fin decimering. På grund av den valda konstruktionen kan den aggregerade grova frekvensen inte överstiga masterklockfrekvensen. Den minsta garanterade aggregerade utmatningsfrekvensen är således ½ masterklockfrekvensen och den högsta masterklockfrekvensen. Även om det finns lite mer komplexitet i det nedan är siffrorna för tidigare nämnda tre exempel:

  1. HUGIN 200: IF samplingsfrekvens: 100MS/s; Masterklockfrekvens 250MHz;
    Aggregerad utgångshastighet: 125MHz - 250MHz
  2. HUGIN 2000: IF samplingsfrekvens: 200MS/s; Master klockfrekvens 250MHz;
    Aggregerad utgångshastighet: 125MHz - 250MHz
  3. ODEN 3001: IF samplingsfrekvens: 800MS/s; Masterklockfrekvens 256 MHz;
    Aggregerad utgångshastighet: 128MHz - 256MHz

Slutsats

Smalbandiga kommunikationssignaler ligger vanligen i intervallet kHz till låga MHz. För att upptäcka svaga signaler krävs god dynamisk prestanda, varför ingångsbandbredden ofta är begränsad till 80-200 MHz. Vi kan dra slutsatsen att båda dessa avvägningar har liten eller ingen praktisk betydelse för smalbandskommunikation. Tack vare flexibiliteten i kombination med de enastående prestanda kan den här flerkanalsmottagaren användas i krävande applikationer som smalbandig COMINT, ITU-spektrumhantering eller satellitkommunikation där det krävs samtidig övervakning av många kommunikationskanaler. Slutligen ger den resurseffektiva implementeringen en lägre kostnad per kanal jämfört med traditionella lösningar.