使用Ettus USRP X440对雷达和EW系统进行原型验证
使用Ettus USRP X440对雷达和EW系统进行原型验证
概述
无论是保障己方平台的生存能力，还是扰乱敌方频谱使用，以电磁(EM)频谱为主导都是任务成功的主要因素。电磁频谱操作(Electromagnetic Spectrum Operation, EMSO)需要使用战术系统来监测敌方的频谱活动、定位其发射器并帮助己方制定行动计划。软件无线电(Software Defined Radio, SDR)有助于灵活评估新EM技术性能，而Ettus USRP X440 SDR则根据航空航天和国防需求开发，并考虑了相位相干性和宽带宽。
内容
- 现代EM系统面临的挑战
- 波束成形和测向的相位相干性
- 宽带生成与采集
- 频率和采样率规划
- 下一步
现代EM系统面临的挑战
电磁频谱既宽阔又拥挤。全球数十亿台商用和军用联网设备都在争夺频谱使用权。面对这样的竞争环境，通信设备需要将运行频率扩展至频谱中频率更高的部分，为设备运行提供所需带宽。虽然这种扩展有利于使用频谱的设备，但却拓宽了设备信号情报接收器的搜索范围，此类接收器旨在最大限度地提高拦截目标信号的概率。跟踪完整的可用频率范围富有挑战性，因为这需要多个无线电或宽带接收器以覆盖连接设备可用的大量频率选项。
无论是引入更宽的带宽系统、认知技术、全数字波束成形还是任何新功能，在系统转移到现场部署之前，必须在诸如软件仿真和实际硬件中对功能进行适当评估和验证。软件无线电(SDR)有助于弥合从实验室实验到战术使用中的差距。
Ettus USRP X440软件无线电的架构与其他USRP设备不同。Ettus USRP X440采用换衡器耦合直接采样架构，可访问板载Xilinx Zynq RFSoC中的DAC和ADC。X440可对高达4 GHz的频率直接采样，也可连接至外部前端以扩展至更高的频率覆盖范围。这些外部前端可针对应用进行优化，如卫星通信(SATCOM)原型验证、SATCOM地面站部署，或毫米波和亚太赫兹6G研究。
图1：Ettus USRP X440软件无线电设备结构框图
X440中没有RF电路，可节省空间，从而在不增加占用空间的情况下集成更多通道。Ettus USRP X440 SDR拥有8个TX通道和8个RX通道。这些通道可通过共享采样时钟实现相位相干，从而使X440适用于测向、雷达研究和原型验证等应用。
波束成形和测向的相位相干性
国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)将测向精度定义为“真实方位角与显示方位角之差的RMS（均方根）值”。 使用SDR（或任何）硬件实现该精度都依赖于通道间的紧密同步和最小的相位偏移。在单个Ettus USRP X440设备中，典型RX相位稳定性小于0.1°RMS。即使在多个设备之间同步通道时，RX相位稳定性仍保持小于1°RMS。这种稳定性为测向提供了卓越的精度。如果需要波束成形，Ettus USRP X440设备中的TX相位稳定性应小于0.5°RMS，设备间的TX相位稳定性应小于1°RMS。请参阅Ettus USRP X440设备规范，了解按主时钟速率列出的完整值列表以及测量方法。
图2：Ettus USRP X440可为波束成形和测向提供最小的通道间相位偏移。
宽带生成与采集
如前所述，宽带技术是检测和记录敌方信号的重要因素，同时也有利于提高己方系统的效率。例如，带宽更宽的雷达系统可实现更高的分辨率，从而能够检测较小的物体或区分间隔较近的物体。这种能力转而增强了识别目标并分类的能力，从而降低了误分类的风险，提高了目标定位的精度。系统带宽较宽通常也具有更高的频率捷变能力，能够在工作频率之间跳变而无需重新调谐。但此类系统难以检测和监控，但也更不易受到干扰或破坏。
在实验室中对宽带功能进行原型验证需要软件无线电硬件本身具有适当的宽带宽。Ettus USRP X440的板载Xilinx RFSoC能够以4 GSps的速度进行采样，从而为整个设备提供3.2 GHz的总瞬时带宽。对于单通道或双通道实现方案，每通道可分配高达1.6 GHz的带宽，对于8通道，每通道可分配400 MHz的带宽。X440的通道分配带宽与之前的USRP型号相比显著增加，因此非常适合宽带雷达和EW应用。
图3：Ettus USRP X440的瞬时带宽远超之前的USRP型号。
频率和采样率规划
对于4 GHz以下的频段（S频段、L频段和HF/VHF/UHF频段），USRP X440可用于直接采样频谱。Ettus USRP X440的架构可充分利用Xilinx RFSoC的全部带宽。但由于X440并未内置IF信号调理功能，因此需要对其进行一定程度的频率规划，以避免造成目标信号失真。Ettus X440 USRP可在大于奈奎斯特频率的频率下进行采样，其中奈奎斯特频率定义为ADC转换器采样率(Fs)的一半。但这种方法会引起混叠效应，奈奎斯特频率(Fs/2)的倍数附近会出现镜像干扰信号。从而在每个奈奎斯特区边界周围形成一个不可用的频率范围，因此应仔细规划以避免目标信号跨越多个奈奎斯特区，以免导致信号失真或干扰信号混叠到测量频谱中。
图4：请谨慎选择主时钟速率，以避免奈奎斯特区边界干扰目标信号。
如需详细了解X440的频率规划和主时钟速率选择，请访问https://kb.ettus.com/About_Sampling_Rates_and_Master_Clock_Rates_for_the_USRP_X440。
雷达系统的常用频段高于Ettus USRP X440自带的4 GHz覆盖范围。例如，许多气象、监视、空中交通管制和国防跟踪雷达的工作频段为C频段、X频段及更高。尽管Ettus USRP X440设备存在频率限制，但非常适合作为中频(Intermediate Frequency, IF)收发仪使用，并与外部RF前端连接，可处理与目标频率之间的上变频和下变频。请注意，应选择接受和提供IF均小于4 GHz的前端，以便Ettus USRP X440可对其进行采样。所选前端还应接受数字控制信号，X440设备前面板的DIO端口可提供此类信号。USRP硬件驱动程序(USRP Hardware Driver, UHD)使用扩展框架，可用于支持USRP通过UHD API控制外部前端。如需详细了解该扩展框架，请访问https://files.ettus.com/manual/page_extension.html。
图5：Ettus USRP X440非常适合与外部上变频器和下变频器搭配使用，以应对更高的频段。
致力于设计航空航天和国防系统新功能的研究人员和系统工程师需要使用灵活、可重配置的硬件，以便在测试概念时将硬件更改需求降至最低。Ettus USRP X440不仅可满足上述需求，还可满足频谱监测和高分辨率雷达的宽带宽要求，并为测向或波束控制提供多通道相位相干性。