寬帶記錄儀利用各種學科的新技術來跟上信息流量通道數量的爆炸式增長和帶寬的增加。幸運的是，其中許多技術都是由龐大的全球市場力量驅動的，這些市場力量滿足了我們星球對連接和存儲的永不滿足的需求。由于速度或容量要求沒有可察覺的上限，寬帶記錄儀將繼續在重要軍事和航空航天系統的部署和開發中發揮關鍵作用。

保持軍事作戰基礎設施優勢的無情競賽意味著增加在傳感器、目標、設備和平臺之間流動的高速信號的復雜性、數量和容量。然而，與以往任何時候相比，對敵人的成功結果在很大程度上取決于及時利用從攔截這些信號中收集的信息。由于這兩種相互沖突的趨勢，必須有新的解決方案和策略來盡可能高效地捕獲、分類、解密和解碼這種不斷增長的信號景觀。

這項工作中一類必不可少的工具是寬帶記錄儀，它可以捕獲模擬和數字信號，并可以使它們可用于即時戰術行動，詳細分析和解密，升級設備以應對新威脅以及開發新設備。將組件和技術的進步集成到可部署的儀器中，以便在惡劣環境中實現最佳性能、易用性和操作，需要徹底了解這些元素以及它們如何相互作用。

工作中的寬帶錄音機

任務記錄儀是在各種環境和操作條件下捕獲實時信號的系統，具有許多不同的配置。它們廣泛部署在幾乎所有軍事平臺上，主要用于收集感興趣的信號以傳輸到另一個平臺，或卸載數據以便在任務完成后進行分析。

例如，情報收集任務可以使用無人平臺對戰場或熱點進行光譜調查。對錄音的分析可以提供關于正在使用哪些類型的無線電和衛星鏈路的大量信息，并可能識別地面平臺。解碼和解密這些信號可以產生有價值的情報和通信模式。

機載記錄儀還可以捕獲從地面、海上和其他機載平臺照亮飛機的雷達特征。由于這些信號被記錄下來，它們可以快速分類成已知的特征，供飛行員立即使用，或者轉發到地面站進行進一步的分析和分類。新的未知雷達可以進行調查、編目，然后添加到已知特征庫中。

當對手開發出新的信號加密和反檢測技術來阻止現有設備提取信息時，必須設計新的接收器。捕獲這些新信號后，一些記錄儀可以在實驗室中實時回放。通過按需再現，這些信號可以在開發新的或增強的接收器或雷達期間迭代用于測試。

最后，記錄的通信和雷達信號可用于設計精心設計的對策，例如偽裝、干擾和欺騙。通常，這些新設計可以通過空中交付，以更新軍事裝備，以便針對特定平臺的敵方裝備采取自動和實時電子對抗措施。

業務要求

為了在如此廣泛的應用中成功運行，寬帶記錄儀的環境要求可能很難滿足。任務記錄儀的極端溫度范圍從阿拉斯加飛機的-40oC到在沙漠中運行的無人駕駛地面車輛的+80oC。許多平臺上的沖擊和振動水平對旋轉介質磁驅動器構成了嚴重威脅，因為它們具有敏感的機械結構，使磁頭與盤片保持接觸。

為了在潮濕、真菌、海拔、鹽霧和沙子等具有挑戰性的條件下保持運行，設計人員必須小心密封記錄儀，以保護內部結構和電子設備。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上其他設備的能量。其次，記錄儀必須不受外部來源的干擾，例如大功率雷達脈沖和電力線上的瞬變。在擁擠的設備隔間中，這種能力變得更加重要。

某些記錄儀必須根據硬件門或觸發器捕獲信號，例如雷達系統記錄儀可能需要捕獲重復的雷達脈沖并跳過它們之間的間隔。不同位置的多個記錄儀可能需要以相同的采樣時鐘開始捕獲數據，以根據接收信號的相對相位通過三角測量計算衛星的位置。最好的解決方案通常是每個記錄器中的GPS接收器，與記錄軟件和硬件完全集成。越來越多的應用需要對每個記錄進行精確的時間戳，通常解析為特定的采樣時鐘。

在許多情況下，記錄儀位于后艙或機翼艙內，必須由駕駛艙的飛行員或世界另一端的操作員通過衛星鏈路進行遠程控制。也許對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時間內連續捕獲數據，并且絕對零數據丟失。

固態硬盤

與旋轉介質硬盤驅動器相比，固態硬盤 （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格使其在經濟上僅適用于高端軍事應用。然而，現在，受到巨大的商業市場的啟發，經過十多年不斷發展的新技術，成本現在與硬盤相比非常具有競爭力。與此同時，密度、速度和容量也在穩步提高。圖 1 比較了當前可用的典型高端硬盤驅動器和 SSD 的基本屬性。與兩種類型之間的早期成本/容量比不同，這兩種類型相差100倍以上，現在它剛剛超過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的旋轉驅動器相比，SSD 具有許多性能和環境優勢。獲勝屬性用復選標記。

SSD 的另一個關鍵優勢是它們對沖擊和振動的免疫力：在較舊的系統中，需要極端的保護措施來將這些影響與旋轉驅動器隔離開來，這使得系統體積龐大且維護成本高昂，因此 SSD 自然是一個立即有吸引力的替代方案。

高帶寬模擬和數字輸入將記錄速率遠遠超出單個驅動器的能力，迫使使用 RAID ［獨立磁盤冗余陣列］ 控制器來聚合多個驅動器的速度。最新一代 SSD 提供的數據讀/寫速度遠遠超過旋轉驅動器的速度，從而減少了 RAID 陣列中的 SSD 數量，以滿足有保證的記錄速率。

射頻模擬量 I/O

世界必須共享一個單一的無線電頻譜，努力支持不斷增長的流量，迫使政府嚴格監管和分配數千個頻段用于特定用途，代表攔截和記錄關鍵信息的幾乎無限數量的目標。使用每個寶貴的頻段來獲得最大的信息帶寬、可靠的性能和足夠的安全性，需要在信號路徑的兩端使用復雜的數字信號處理技術。擴頻技術和經濟各個層面對數據的永不滿足的需求只能通過寬帶調制方案來滿足。這種需求推動了對快速數據轉換器的需求，以捕獲和生成這些寬帶信號，以跟上通信、雷達和無線網絡的巨大市場。

為了在任務期間捕獲盡可能多的RF頻譜，寬帶信號記錄儀必須以高采樣率（通常至少是信號帶寬的兩倍）對天線信號進行數字化處理。一些以6.4 GHz采樣速率工作的新型單片模數轉換器（ADC）可以數字化近3 GHz的帶寬，在前端的一些RF調諧器的幫助下，可以很好地覆蓋大多數關鍵的無線電頻段。

一些寬帶記錄儀必須以全帶寬捕獲所有數字化信息，以便以后可以在實驗室中嘗試從未知信號類型中提取信息。在這種情況下，記錄器必須能夠每秒連續記錄千兆字節的數據，可能持續數小時或數天。在其他情況下，DSP技術可以使用DDC（數字下變頻器）、解碼器和解調器，從寬帶ADC數字輸出流中提取捕獲頻譜內已知無線電信道的信息。這種技術降低了記錄和后續下游處理的數據速率。對于回放，數模轉換器（DAC）反轉這些信號處理操作，從磁盤獲取記錄的數字樣本，并以原始信號頻率提供模擬輸出。

寬帶記錄器供應商通常利用ADC和DAC板級產品，為不同的模擬接口提供模塊化解決方案，以滿足各種應用的需求。其中大多數具有FPGA（現場可編程門陣列），因為它們具有用于高速并行LVDS的可配置I/O端口，并且還具有千兆串行鏈路，以滿足每個數據轉換器的特定要求。FPGA 還可以實現所記錄信號的關鍵時序、觸發、選通、同步和時間戳。最重要的是，它們為系統內存提供寬帶 PCIe 接口，供 RAID 控制器訪問，支持 8 或 16 通道的 PCIe Gen.3 鏈路。

高速數字 I/O

許多錄音機還必須存儲和播放以各種不同格式和協議到達的高速數字流。以太網因其廣泛采用和低成本的硬件基礎設施（包括光纖和銅質接口、電纜、路由器、主機適配器和交換機）而在這一應用領域占據主導地位。現在，幾乎每個計算機系統都有一個或多個 1GbE 端口，但更高性能的系統現在正在遷移到 10、40 和 100GbE 端口。

通過利用商用以太網適配器，寬帶錄像機可以支持數十種不同的接口。光適配器適用于具有不同波長、數據速率、距離跨度、電纜類型和光纖連接器的單模和多模光纖。幸運的是，這些適配器中的大多數都提供 PCIe 接口以及適用于所有流行操作系統的驅動程序。

對于其他數字I/O接口，具有靈活I/O收發器和狀態機的FPGA提供可配置邏輯，以支持串行和并行接口，包括SerialFPDP、SerialRIO、Infiniband、LVDS和其他自定義協議。快速 PCIe 接口將數據傳送到系統內存。

寬帶記錄儀系統組件

寬帶記錄系統受益于為數據服務器市場開發的大量新技術，包括RAID控制器和服務器級計算機。RAID 控制器使用 SAS 或 SATA 端口組合多個磁盤驅動器，通過 PCIe 接口將它們連接到系統。它們執行兩項對寬帶錄音機至關重要的功能。

首先，通過在每個連接的驅動器上進行條帶化讀取和寫入，RAID 控制器聚合每個驅動器的各個訪問速度。借助新的固態硬盤，每個固態硬盤的讀/寫速率為 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/寫速率。其次，RAID 控制器還可以聚合驅動器的容量以延長記錄時間。在上面的示例中，使用 16 個 4 TB 驅動器，總容量超過 48 TB，以 6.4 GB/秒的錄制速率提供超過兩個小時的錄制時間。

如果沒有強大的 PCIe 系統環境，這些新的 RAID 控制器和快速數據采集板將毫無用處。服務器級 PC 具有將 CPU 和快速 SDRAM 系統內存連接到多個 PCIe 插槽和外圍設備的芯片組。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 16 個通道的多個 PCIe Gen 3 端口。

錄音軟件和用戶界面

數據采集板使用內部 DMA（直接存儲器訪問）控制器將數據通過 PCIe 移動到系統內存中的緩沖區中。初始化后，這些硬件引擎將負責完成傳輸，而不會產生 CPU 開銷。同樣，RAID 控制器使用自己的 DMA 控制器跨 PCIe 從系統內存中獲取數據，然后跨磁盤陣列對數據寫入進行條帶化。

圖3：模擬或數字接口模塊和 RAID 控制器中的硬件 DMA 引擎利用服務器級 PC 中的新芯片組提供的系統內存緩沖區之間的快速 PCIe 數據鏈路。CPU 監督這些傳輸，但從未實際接觸數據，以便保持實時性能。

盡管 CPU 從不“接觸”上述方案中的數據，但系統 CPU 必須在記錄開始之前通過在系統內存中設置數據緩沖區的數量和大小來協調傳輸，然后在記錄期間監視每個 DMA 操作的進度。

雖然概念簡單，但選擇適當的傳輸參數對于實現有保證的實時操作至關重要，這主要是因為系統延遲。出現此類延遲的原因是 DMA 數據包的突發傳輸性質以及無數系統進程的優先級經常沖突。每個記錄系統都需要根據通道數、保證記錄速率、RAID 陣列的特性以及系統 PC 的架構和芯片組進行優化配置。

審核編輯：郭婷