寬帶信號(hào)和數(shù)據(jù)記錄儀利用新技術(shù)

寬帶記錄儀利用各種學(xué)科的新技術(shù)來(lái)跟上信息流量通道數(shù)量的爆炸式增長(zhǎng)和帶寬的增加。幸運(yùn)的是，其中許多技術(shù)都是由龐大的全球市場(chǎng)力量驅(qū)動(dòng)的，這些市場(chǎng)力量滿足了我們星球?qū)B接和存儲(chǔ)的永不滿足的需求。由于速度或容量要求沒(méi)有可察覺(jué)的上限，寬帶記錄儀將繼續(xù)在重要軍事和航空航天系統(tǒng)的部署和開(kāi)發(fā)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

保持軍事作戰(zhàn)基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)勢(shì)的無(wú)情競(jìng)賽意味著增加在傳感器、目標(biāo)、設(shè)備和平臺(tái)之間流動(dòng)的高速信號(hào)的復(fù)雜性、數(shù)量和容量。然而，與以往任何時(shí)候相比，對(duì)敵人的成功結(jié)果在很大程度上取決于及時(shí)利用從攔截這些信號(hào)中收集的信息。由于這兩種相互沖突的趨勢(shì)，必須有新的解決方案和策略來(lái)盡可能高效地捕獲、分類(lèi)、解密和解碼這種不斷增長(zhǎng)的信號(hào)景觀。

這項(xiàng)工作中一類(lèi)必不可少的工具是寬帶記錄儀，它可以捕獲模擬和數(shù)字信號(hào)，并可以使它們可用于即時(shí)戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)，詳細(xì)分析和解密，升級(jí)設(shè)備以應(yīng)對(duì)新威脅以及開(kāi)發(fā)新設(shè)備。將組件和技術(shù)的進(jìn)步集成到可部署的儀器中，以便在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)最佳性能、易用性和操作，需要徹底了解這些元素以及它們?nèi)绾蜗嗷プ饔谩?/p>

工作中的寬帶錄音機(jī)

任務(wù)記錄儀是在各種環(huán)境和操作條件下捕獲實(shí)時(shí)信號(hào)的系統(tǒng)，具有許多不同的配置。它們廣泛部署在幾乎所有軍事平臺(tái)上，主要用于收集感興趣的信號(hào)以傳輸?shù)搅硪粋€(gè)平臺(tái)，或卸載數(shù)據(jù)以便在任務(wù)完成后進(jìn)行分析。

例如，情報(bào)收集任務(wù)可以使用無(wú)人平臺(tái)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)或熱點(diǎn)進(jìn)行光譜調(diào)查。對(duì)錄音的分析可以提供關(guān)于正在使用哪些類(lèi)型的無(wú)線電和衛(wèi)星鏈路的大量信息，并可能識(shí)別地面平臺(tái)。解碼和解密這些信號(hào)可以產(chǎn)生有價(jià)值的情報(bào)和通信模式。

機(jī)載記錄儀還可以捕獲從地面、海上和其他機(jī)載平臺(tái)照亮飛機(jī)的雷達(dá)特征。由于這些信號(hào)被記錄下來(lái)，它們可以快速分類(lèi)成已知的特征，供飛行員立即使用，或者轉(zhuǎn)發(fā)到地面站進(jìn)行進(jìn)一步的分析和分類(lèi)。新的未知雷達(dá)可以進(jìn)行調(diào)查、編目，然后添加到已知特征庫(kù)中。

當(dāng)對(duì)手開(kāi)發(fā)出新的信號(hào)加密和反檢測(cè)技術(shù)來(lái)阻止現(xiàn)有設(shè)備提取信息時(shí)，必須設(shè)計(jì)新的接收器。捕獲這些新信號(hào)后，一些記錄儀可以在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)時(shí)回放。通過(guò)按需再現(xiàn)，這些信號(hào)可以在開(kāi)發(fā)新的或增強(qiáng)的接收器或雷達(dá)期間迭代用于測(cè)試。

最后，記錄的通信和雷達(dá)信號(hào)可用于設(shè)計(jì)精心設(shè)計(jì)的對(duì)策，例如偽裝、干擾和欺騙。通常，這些新設(shè)計(jì)可以通過(guò)空中交付，以更新軍事裝備，以便針對(duì)特定平臺(tái)的敵方裝備采取自動(dòng)和實(shí)時(shí)電子對(duì)抗措施。

業(yè)務(wù)要求

為了在如此廣泛的應(yīng)用中成功運(yùn)行，寬帶記錄儀的環(huán)境要求可能很難滿足。任務(wù)記錄儀的極端溫度范圍從阿拉斯加飛機(jī)的-40oC到在沙漠中運(yùn)行的無(wú)人駕駛地面車(chē)輛的+80oC。許多平臺(tái)上的沖擊和振動(dòng)水平對(duì)旋轉(zhuǎn)介質(zhì)磁驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，因?yàn)樗鼈兙哂忻舾械?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械結(jié)構(gòu)，使磁頭與盤(pán)片保持接觸。

為了在潮濕、真菌、海拔、鹽霧和沙子等具有挑戰(zhàn)性的條件下保持運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員必須小心密封記錄儀，以保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電子設(shè)備。電磁輻射提出了雙刃劍的要求：首先，記錄儀不得輻射可能干擾平臺(tái)上其他設(shè)備的能量。其次，記錄儀必須不受外部來(lái)源的干擾，例如大功率雷達(dá)脈沖和電力線上的瞬變。在擁擠的設(shè)備隔間中，這種能力變得更加重要。

某些記錄儀必須根據(jù)硬件門(mén)或觸發(fā)器捕獲信號(hào)，例如雷達(dá)系統(tǒng)記錄儀可能需要捕獲重復(fù)的雷達(dá)脈沖并跳過(guò)它們之間的間隔。不同位置的多個(gè)記錄儀可能需要以相同的采樣時(shí)鐘開(kāi)始捕獲數(shù)據(jù)，以根據(jù)接收信號(hào)的相對(duì)相位通過(guò)三角測(cè)量計(jì)算衛(wèi)星的位置。最好的解決方案通常是每個(gè)記錄器中的GPS接收器，與記錄軟件和硬件完全集成。越來(lái)越多的應(yīng)用需要對(duì)每個(gè)記錄進(jìn)行精確的時(shí)間戳，通常解析為特定的采樣時(shí)鐘。

在許多情況下，記錄儀位于后艙或機(jī)翼艙內(nèi)，必須由駕駛艙的飛行員或世界另一端的操作員通過(guò)衛(wèi)星鏈路進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。也許對(duì)這些記錄儀的最基本要求是底線：它們必須在所有條件下以所需的速率在指定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)連續(xù)捕獲數(shù)據(jù)，并且絕對(duì)零數(shù)據(jù)丟失。

固態(tài)硬盤(pán)

與旋轉(zhuǎn)介質(zhì)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器相比，固態(tài)硬盤(pán) （SSD） 在尺寸、重量和功耗 （SWaP） 方面顯著降低，盡管它們的高原始價(jià)格使其在經(jīng)濟(jì)上僅適用于高端軍事應(yīng)用。然而，現(xiàn)在，受到巨大的商業(yè)市場(chǎng)的啟發(fā)，經(jīng)過(guò)十多年不斷發(fā)展的新技術(shù)，成本現(xiàn)在與硬盤(pán)相比非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。與此同時(shí)，密度、速度和容量也在穩(wěn)步提高。圖 1 比較了當(dāng)前可用的典型高端硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和 SSD 的基本屬性。與兩種類(lèi)型之間的早期成本/容量比不同，這兩種類(lèi)型相差100倍以上，現(xiàn)在它剛剛超過(guò)6倍，并且正在下降。

圖1：與用于寬帶軍用或航空航天錄像機(jī)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器相比，SSD 具有許多性能和環(huán)境優(yōu)勢(shì)。獲勝屬性用復(fù)選標(biāo)記。

SSD 的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它們對(duì)沖擊和振動(dòng)的免疫力：在較舊的系統(tǒng)中，需要極端的保護(hù)措施來(lái)將這些影響與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器隔離開(kāi)來(lái)，這使得系統(tǒng)體積龐大且維護(hù)成本高昂，因此 SSD 自然是一個(gè)立即有吸引力的替代方案。

高帶寬模擬和數(shù)字輸入將記錄速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單個(gè)驅(qū)動(dòng)器的能力，迫使使用 RAID ［獨(dú)立磁盤(pán)冗余陣列］ 控制器來(lái)聚合多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的速度。最新一代 SSD 提供的數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的速度，從而減少了 RAID 陣列中的 SSD 數(shù)量，以滿足有保證的記錄速率。

射頻模擬量 I/O

世界必須共享一個(gè)單一的無(wú)線電頻譜，努力支持不斷增長(zhǎng)的流量，迫使政府嚴(yán)格監(jiān)管和分配數(shù)千個(gè)頻段用于特定用途，代表攔截和記錄關(guān)鍵信息的幾乎無(wú)限數(shù)量的目標(biāo)。使用每個(gè)寶貴的頻段來(lái)獲得最大的信息帶寬、可靠的性能和足夠的安全性，需要在信號(hào)路徑的兩端使用復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)和經(jīng)濟(jì)各個(gè)層面對(duì)數(shù)據(jù)的永不滿足的需求只能通過(guò)寬帶調(diào)制方案來(lái)滿足。這種需求推動(dòng)了對(duì)快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的需求，以捕獲和生成這些寬帶信號(hào)，以跟上通信、雷達(dá)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的巨大市場(chǎng)。

為了在任務(wù)期間捕獲盡可能多的RF頻譜，寬帶信號(hào)記錄儀必須以高采樣率（通常至少是信號(hào)帶寬的兩倍）對(duì)天線信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。一些以6.4 GHz采樣速率工作的新型單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可以數(shù)字化近3 GHz的帶寬，在前端的一些RF調(diào)諧器的幫助下，可以很好地覆蓋大多數(shù)關(guān)鍵的無(wú)線電頻段。

一些寬帶記錄儀必須以全帶寬捕獲所有數(shù)字化信息，以便以后可以在實(shí)驗(yàn)室中嘗試從未知信號(hào)類(lèi)型中提取信息。在這種情況下，記錄器必須能夠每秒連續(xù)記錄千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，可能持續(xù)數(shù)小時(shí)或數(shù)天。在其他情況下，DSP技術(shù)可以使用DDC（數(shù)字下變頻器）、解碼器和解調(diào)器，從寬帶ADC數(shù)字輸出流中提取捕獲頻譜內(nèi)已知無(wú)線電信道的信息。這種技術(shù)降低了記錄和后續(xù)下游處理的數(shù)據(jù)速率。對(duì)于回放，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）反轉(zhuǎn)這些信號(hào)處理操作，從磁盤(pán)獲取記錄的數(shù)字樣本，并以原始信號(hào)頻率提供模擬輸出。

寬帶記錄器供應(yīng)商通常利用ADC和DAC板級(jí)產(chǎn)品，為不同的模擬接口提供模塊化解決方案，以滿足各種應(yīng)用的需求。其中大多數(shù)具有FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列），因?yàn)樗鼈兙哂杏糜诟咚俨⑿蠰VDS的可配置I/O端口，并且還具有千兆串行鏈路，以滿足每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的特定要求。FPGA 還可以實(shí)現(xiàn)所記錄信號(hào)的關(guān)鍵時(shí)序、觸發(fā)、選通、同步和時(shí)間戳。最重要的是，它們?yōu)橄到y(tǒng)內(nèi)存提供寬帶 PCIe 接口，供 RAID 控制器訪問(wèn)，支持 8 或 16 通道的 PCIe Gen.3 鏈路。

高速數(shù)字 I/O

許多錄音機(jī)還必須存儲(chǔ)和播放以各種不同格式和協(xié)議到達(dá)的高速數(shù)字流。以太網(wǎng)因其廣泛采用和低成本的硬件基礎(chǔ)設(shè)施（包括光纖和銅質(zhì)接口、電纜、路由器、主機(jī)適配器和交換機(jī)）而在這一應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。現(xiàn)在，幾乎每個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都有一個(gè)或多個(gè) 1GbE 端口，但更高性能的系統(tǒng)現(xiàn)在正在遷移到 10、40 和 100GbE 端口。

通過(guò)利用商用以太網(wǎng)適配器，寬帶錄像機(jī)可以支持?jǐn)?shù)十種不同的接口。光適配器適用于具有不同波長(zhǎng)、數(shù)據(jù)速率、距離跨度、電纜類(lèi)型和光纖連接器的單模和多模光纖。幸運(yùn)的是，這些適配器中的大多數(shù)都提供 PCIe 接口以及適用于所有流行操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序。

對(duì)于其他數(shù)字I/O接口，具有靈活I(lǐng)/O收發(fā)器和狀態(tài)機(jī)的FPGA提供可配置邏輯，以支持串行和并行接口，包括SerialFPDP、SerialRIO、Infiniband、LVDS和其他自定義協(xié)議?？焖?PCIe 接口將數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)內(nèi)存。

寬帶記錄儀系統(tǒng)組件

寬帶記錄系統(tǒng)受益于為數(shù)據(jù)服務(wù)器市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的大量新技術(shù)，包括RAID控制器和服務(wù)器級(jí)計(jì)算機(jī)。RAID 控制器使用 SAS 或 SATA 端口組合多個(gè)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò) PCIe 接口將它們連接到系統(tǒng)。它們執(zhí)行兩項(xiàng)對(duì)寬帶錄音機(jī)至關(guān)重要的功能。

首先，通過(guò)在每個(gè)連接的驅(qū)動(dòng)器上進(jìn)行條帶化讀取和寫(xiě)入，RAID 控制器聚合每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的各個(gè)訪問(wèn)速度。借助新的固態(tài)硬盤(pán)，每個(gè)固態(tài)硬盤(pán)的讀/寫(xiě)速率為 500 MB/秒，使用 PCIe Gen 3 x 8 接口的 16 端口 RAID 控制器可以維持陣列 6.4 GB/秒的保證讀/寫(xiě)速率。其次，RAID 控制器還可以聚合驅(qū)動(dòng)器的容量以延長(zhǎng)記錄時(shí)間。在上面的示例中，使用 16 個(gè) 4 TB 驅(qū)動(dòng)器，總?cè)萘砍^(guò) 48 TB，以 6.4 GB/秒的錄制速率提供超過(guò)兩個(gè)小時(shí)的錄制時(shí)間。

如果沒(méi)有強(qiáng)大的 PCIe 系統(tǒng)環(huán)境，這些新的 RAID 控制器和快速數(shù)據(jù)采集板將毫無(wú)用處。服務(wù)器級(jí) PC 具有將 CPU 和快速 SDRAM 系統(tǒng)內(nèi)存連接到多個(gè) PCIe 插槽和外圍設(shè)備的芯片組。最新的芯片組支持英特爾酷睿 i9 CPU、具有 3600 MHz 傳輸速率的四通道 DDR4 SDRAM 以及多達(dá) 16 個(gè)通道的多個(gè) PCIe Gen 3 端口。

錄音軟件和用戶(hù)界面

數(shù)據(jù)采集板使用內(nèi)部 DMA（直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)）控制器將數(shù)據(jù)通過(guò) PCIe 移動(dòng)到系統(tǒng)內(nèi)存中的緩沖區(qū)中。初始化后，這些硬件引擎將負(fù)責(zé)完成傳輸，而不會(huì)產(chǎn)生 CPU 開(kāi)銷(xiāo)。同樣，RAID 控制器使用自己的 DMA 控制器跨 PCIe 從系統(tǒng)內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)，然后跨磁盤(pán)陣列對(duì)數(shù)據(jù)寫(xiě)入進(jìn)行條帶化。

圖3：模擬或數(shù)字接口模塊和 RAID 控制器中的硬件 DMA 引擎利用服務(wù)器級(jí) PC 中的新芯片組提供的系統(tǒng)內(nèi)存緩沖區(qū)之間的快速 PCIe 數(shù)據(jù)鏈路。CPU 監(jiān)督這些傳輸，但從未實(shí)際接觸數(shù)據(jù)，以便保持實(shí)時(shí)性能。

盡管 CPU 從不“接觸”上述方案中的數(shù)據(jù)，但系統(tǒng) CPU 必須在記錄開(kāi)始之前通過(guò)在系統(tǒng)內(nèi)存中設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)量和大小來(lái)協(xié)調(diào)傳輸，然后在記錄期間監(jiān)視每個(gè) DMA 操作的進(jìn)度。

雖然概念簡(jiǎn)單，但選擇適當(dāng)?shù)膫鬏?a target="_blank">參數(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)有保證的實(shí)時(shí)操作至關(guān)重要，這主要是因?yàn)橄到y(tǒng)延遲。出現(xiàn)此類(lèi)延遲的原因是 DMA 數(shù)據(jù)包的突發(fā)傳輸性質(zhì)以及無(wú)數(shù)系統(tǒng)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)經(jīng)常沖突。每個(gè)記錄系統(tǒng)都需要根據(jù)通道數(shù)、保證記錄速率、RAID 陣列的特性以及系統(tǒng) PC 的架構(gòu)和芯片組進(jìn)行優(yōu)化配置。

審核編輯：郭婷