宽带信号和数据记录仪利用新技术

宽带记录仪利用各种学科的新技术来跟上信息流量通道数量的爆炸式增长和带宽的增加。幸运的是，其中许多技术都是由庞大的全球市场力量驱动的，这些市场力量满足了我们星球对连接和存储的永不满足的需求。由于速度或容量要求没有可察觉的上限，宽带记录仪将继续在重要军事和航空航天系统的部署和开发中发挥关键作用。

保持军事作战基础设施优势的无情竞赛意味着增加在传感器、目标、设备和平台之间流动的高速信号的复杂性、数量和容量。然而，与以往任何时候相比，对敌人的成功结果在很大程度上取决于及时利用从拦截这些信号中收集的信息。由于这两种相互冲突的趋势，必须有新的解决方案和策略来尽可能高效地捕获、分类、解密和解码这种不断增长的信号景观。

这项工作中一类必不可少的工具是宽带记录仪，它可以捕获模拟和数字信号，并可以使它们可用于即时战术行动，详细分析和解密，升级设备以应对新威胁以及开发新设备。将组件和技术的进步集成到可部署的仪器中，以便在恶劣环境中实现最佳性能、易用性和操作，需要彻底了解这些元素以及它们如何相互作用。

工作中的宽带录音机

任务记录仪是在各种环境和操作条件下捕获实时信号的系统，具有许多不同的配置。它们广泛部署在几乎所有军事平台上，主要用于收集感兴趣的信号以传输到另一个平台，或卸载数据以便在任务完成后进行分析。

例如，情报收集任务可以使用无人平台对战场或热点进行光谱调查。对录音的分析可以提供关于正在使用哪些类型的无线电和卫星链路的大量信息，并可能识别地面平台。解码和解密这些信号可以产生有价值的情报和通信模式。

机载记录仪还可以捕获从地面、海上和其他机载平台照亮飞机的雷达特征。由于这些信号被记录下来，它们可以快速分类成已知的特征，供飞行员立即使用，或者转发到地面站进行进一步的分析和分类。新的未知雷达可以进行调查、编目，然后添加到已知特征库中。

当对手开发出新的信号加密和反检测技术来阻止现有设备提取信息时，必须设计新的接收器。捕获这些新信号后，一些记录仪可以在实验室中实时回放。通过按需再现，这些信号可以在开发新的或增强的接收器或雷达期间迭代用于测试。

最后，记录的通信和雷达信号可用于设计精心设计的对策，例如伪装、干扰和欺骗。通常，这些新设计可以通过空中交付，以更新军事装备，以便针对特定平台的敌方装备采取自动和实时电子对抗措施。

业务要求

为了在如此广泛的应用中成功运行，宽带记录仪的环境要求可能很难满足。任务记录仪的极端温度范围从阿拉斯加飞机的-40ºC到在沙漠中运行的无人驾驶地面车辆的+80ºC。许多平台上的冲击和振动水平对旋转介质磁驱动器构成了严重威胁，因为它们具有敏感的机械结构，使磁头与盘片保持接触。

为了在潮湿、真菌、海拔、盐雾和沙子等具有挑战性的条件下保持运行，设计人员必须小心密封记录仪，以保护内部结构和电子设备。电磁辐射提出了双刃剑的要求：首先，记录仪不得辐射可能干扰平台上其他设备的能量。其次，记录仪必须不受外部来源的干扰，例如大功率雷达脉冲和电力线上的瞬变。在拥挤的设备隔间中，这种能力变得更加重要。

某些记录仪必须根据硬件门或触发器捕获信号，例如雷达系统记录仪可能需要捕获重复的雷达脉冲并跳过它们之间的间隔。不同位置的多个记录仪可能需要以相同的采样时钟开始捕获数据，以根据接收信号的相对相位通过三角测量计算卫星的位置。最好的解决方案通常是每个记录器中的GPS接收器，与记录软件和硬件完全集成。越来越多的应用需要对每个记录进行精确的时间戳，通常解析为特定的采样时钟。

在许多情况下，记录仪位于后舱或机翼舱内，必须由驾驶舱的飞行员或世界另一端的操作员通过卫星链路进行远程控制。也许对这些记录仪的最基本要求是底线：它们必须在所有条件下以所需的速率在指定的持续时间内连续捕获数据，并且绝对零数据丢失。

固态硬盘

与旋转介质硬盘驱动器相比，固态硬盘 （SSD） 在尺寸、重量和功耗 （SWaP） 方面显著降低，尽管它们的高原始价格使其在经济上仅适用于高端军事应用。然而，现在，受到巨大的商业市场的启发，经过十多年不断发展的新技术，成本现在与硬盘相比非常具有竞争力。与此同时，密度、速度和容量也在稳步提高。图 1 比较了当前可用的典型高端硬盘驱动器和 SSD 的基本属性。与两种类型之间的早期成本/容量比不同，这两种类型相差100倍以上，现在它刚刚超过6倍，并且正在下降。

图1：与用于宽带军用或航空航天录像机的旋转驱动器相比，SSD 具有许多性能和环境优势。获胜属性用复选标记。

SSD 的另一个关键优势是它们对冲击和振动的免疫力：在较旧的系统中，需要极端的保护措施来将这些影响与旋转驱动器隔离开来，这使得系统体积庞大且维护成本高昂，因此 SSD 自然是一个立即有吸引力的替代方案。

高带宽模拟和数字输入将记录速率远远超出单个驱动器的能力，迫使使用 RAID ［独立磁盘冗余阵列］ 控制器来聚合多个驱动器的速度。最新一代 SSD 提供的数据读/写速度远远超过旋转驱动器的速度，从而减少了 RAID 阵列中的 SSD 数量，以满足有保证的记录速率。

射频模拟量 I/O

世界必须共享一个单一的无线电频谱，努力支持不断增长的流量，迫使政府严格监管和分配数千个频段用于特定用途，代表拦截和记录关键信息的几乎无限数量的目标。使用每个宝贵的频段来获得最大的信息带宽、可靠的性能和足够的安全性，需要在信号路径的两端使用复杂的数字信号处理技术。扩频技术和经济各个层面对数据的永不满足的需求只能通过宽带调制方案来满足。这种需求推动了对快速数据转换器的需求，以捕获和生成这些宽带信号，以跟上通信、雷达和无线网络的巨大市场。

为了在任务期间捕获尽可能多的RF频谱，宽带信号记录仪必须以高采样率（通常至少是信号带宽的两倍）对天线信号进行数字化处理。一些以6.4 GHz采样速率工作的新型单片模数转换器（ADC）可以数字化近3 GHz的带宽，在前端的一些RF调谐器的帮助下，可以很好地覆盖大多数关键的无线电频段。

一些宽带记录仪必须以全带宽捕获所有数字化信息，以便以后可以在实验室中尝试从未知信号类型中提取信息。在这种情况下，记录器必须能够每秒连续记录千兆字节的数据，可能持续数小时或数天。在其他情况下，DSP技术可以使用DDC（数字下变频器）、解码器和解调器，从宽带ADC数字输出流中提取捕获频谱内已知无线电信道的信息。这种技术降低了记录和后续下游处理的数据速率。对于回放，数模转换器（DAC）反转这些信号处理操作，从磁盘获取记录的数字样本，并以原始信号频率提供模拟输出。

宽带记录器供应商通常利用ADC和DAC板级产品，为不同的模拟接口提供模块化解决方案，以满足各种应用的需求。其中大多数具有FPGA（现场可编程门阵列），因为它们具有用于高速并行LVDS的可配置I/O端口，并且还具有千兆串行链路，以满足每个数据转换器的特定要求。FPGA 还可以实现所记录信号的关键时序、触发、选通、同步和时间戳。最重要的是，它们为系统内存提供宽带 PCIe 接口，供 RAID 控制器访问，支持 8 或 16 通道的 PCIe Gen.3 链路。

高速数字 I/O

许多录音机还必须存储和播放以各种不同格式和协议到达的高速数字流。以太网因其广泛采用和低成本的硬件基础设施（包括光纤和铜质接口、电缆、路由器、主机适配器和交换机）而在这一应用领域占据主导地位。现在，几乎每个计算机系统都有一个或多个 1GbE 端口，但更高性能的系统现在正在迁移到 10、40 和 100GbE 端口。

通过利用商用以太网适配器，宽带录像机可以支持数十种不同的接口。光适配器适用于具有不同波长、数据速率、距离跨度、电缆类型和光纤连接器的单模和多模光纤。幸运的是，这些适配器中的大多数都提供 PCIe 接口以及适用于所有流行操作系统的驱动程序。

对于其他数字I/O接口，具有灵活I/O收发器和状态机的FPGA提供可配置逻辑，以支持串行和并行接口，包括SerialFPDP、SerialRIO、Infiniband、LVDS和其他自定义协议。快速 PCIe 接口将数据传送到系统内存。

宽带记录仪系统组件

宽带记录系统受益于为数据服务器市场开发的大量新技术，包括RAID控制器和服务器级计算机。RAID 控制器使用 SAS 或 SATA 端口组合多个磁盘驱动器，通过 PCIe 接口将它们连接到系统。它们执行两项对宽带录音机至关重要的功能。

首先，通过在每个连接的驱动器上进行条带化读取和写入，RAID 控制器聚合每个驱动器的各个访问速度。借助新的固态硬盘，每个固态硬盘的读/写速率为 500 MB/秒，使用 PCIe Gen 3 x 8 接口的 16 端口 RAID 控制器可以维持阵列 6.4 GB/秒的保证读/写速率。其次，RAID 控制器还可以聚合驱动器的容量以延长记录时间。在上面的示例中，使用 16 个 4 TB 驱动器，总容量超过 48 TB，以 6.4 GB/秒的录制速率提供超过两个小时的录制时间。

如果没有强大的 PCIe 系统环境，这些新的 RAID 控制器和快速数据采集板将毫无用处。服务器级 PC 具有将 CPU 和快速 SDRAM 系统内存连接到多个 PCIe 插槽和外围设备的芯片组。最新的芯片组支持英特尔酷睿 i9 CPU、具有 3600 MHz 传输速率的四通道 DDR4 SDRAM 以及多达 16 个通道的多个 PCIe Gen 3 端口。

录音软件和用户界面

数据采集板使用内部 DMA（直接存储器访问）控制器将数据通过 PCIe 移动到系统内存中的缓冲区中。初始化后，这些硬件引擎将负责完成传输，而不会产生 CPU 开销。同样，RAID 控制器使用自己的 DMA 控制器跨 PCIe 从系统内存中获取数据，然后跨磁盘阵列对数据写入进行条带化。

图3：模拟或数字接口模块和 RAID 控制器中的硬件 DMA 引擎利用服务器级 PC 中的新芯片组提供的系统内存缓冲区之间的快速 PCIe 数据链路。CPU 监督这些传输，但从未实际接触数据，以便保持实时性能。

尽管 CPU 从不“接触”上述方案中的数据，但系统 CPU 必须在记录开始之前通过在系统内存中设置数据缓冲区的数量和大小来协调传输，然后在记录期间监视每个 DMA 操作的进度。

虽然概念简单，但选择适当的传输参数对于实现有保证的实时操作至关重要，这主要是因为系统延迟。出现此类延迟的原因是 DMA 数据包的突发传输性质以及无数系统进程的优先级经常冲突。每个记录系统都需要根据通道数、保证记录速率、RAID 阵列的特性以及系统 PC 的架构和芯片组进行优化配置。

审核编辑：郭婷