Messtechnik für kritische Infrastrukturen Signale von Navigationssatelliten mit 9-GHz-ADC überwachen

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

GPS-Störsender, illegale Uplinks, Galileo-Interferenzen: Die Bedrohungen für Satellitenkommunikation nehmen ständig zu. Moderne Überwachungssysteme müssen daher Signale in Echtzeit über mehrere Frequenzbänder erfassen und analysieren.

Satellitenüberwachungssysteme verfolgen klare Ziele: die kontinuierliche Erfassung von Kommunikations- und Navigationssignalen, Sicherstellung der Verbindungsqualität, Störungserkennung und die Überwachung der Einhaltung von Frequenzvorschriften. Die Systemarchitektur basiert dabei auf drei Kernsegmenten, die nahtlos zusammenarbeiten müssen. Das Weltraumsegment umfasst Satelliten mit Transpondern und Antennen, die in genau definierten Frequenzbändern arbeiten. Das Bodensegment besteht aus Überwachungsstationen mit Großantennen, HF-Frontends und modernen Breitband-Digitizern. Das Nutzersegment schließlich beinhaltet die Software und Hardware für die komplexe Datenanalyse und Visualisierung der erfassten Informationen.

Frequenzbänder und die kritische Abtaststrategie

Die Komplexität der Satellitenüberwachung wird durch die Vielzahl der verwendeten Frequenzbänder und ihre spezifischen Anforderungen deutlich. Satellitendienste nutzen bidirektionale Systeme mit sorgfältig getrennten Uplink- und Downlink-Subbändern, um gegenseitige Störungen zu minimieren. Dabei werden Downlinks aufgrund der geringeren atmosphärischen Dämpfung typischerweise in den unteren Frequenzbereichen positioniert, während Uplinks die höheren Frequenzen belegen, um bessere Datenraten zu ermöglichen.

Für das L-Band zwischen 1,0 und 1,7 GHz sind Mindest-Abtastraten von etwa 2 GSPS (Gigasamples per Second) erforderlich, um das Signal vollständig in der ersten Nyquist-Zone zu erfassen. Das S-Band von 2,0 bis 4,0 GHz erfordert bereits 4 GSPS, während das C-Band zwischen 4,0 und 8,0 GHz sogar 8 GSPS benötigt. Diese hohen Abtastraten sind entscheidend, da falsch gewählte Parameter dazu führen können, dass sich das Signal über mehrere Nyquist-Zonen erstreckt und damit gefährliches Aliasing verursacht.

Ein praktisches Beispiel verdeutlicht das: Galileo verwendet innerhalb des L-Bands eigene E-Bezeichnungen anstelle der von anderen Satellitendiensten verwendeten L-Benennung. Die scheinbar kleine Abweichung kann bei der Frequenzplanung zu erheblichen Problemen führen, wenn sie nicht entsprechend berücksichtigt wird.

Breitband-A/D-Wandler ermöglichen direkte Abtastung

Moderne Überwachungsstationen setzen auf Breitband-Digitizer der neuesten Generation, die analoge HF-Signale direkt in digitale Datenströme umwandeln können. Ein Beispiel ist der ADQ35-WB von Teledyne SP Devices, der mit seiner 12-Bit-Auflösung und einer nutzbaren Eingangsbandbreite von bis zu 9 GHz die direkte Abtastung von L- und S-Band-Signalen ohne aufwendige Frequenzmischung ermöglicht. Diese direkte Abtastung reduziert nicht nur die Systemkomplexität erheblich, sondern minimiert auch den Kalibrierungsaufwand, der bei herkömmlichen Systemen mit Mischstufen oft erheblich ist.

Bei dem ADQ35-WB handelt es sich um einen Dual-Channel-Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler, der wahlweise einen Kanal mit 10 GSPS oder zwei Kanäle mit jeweils 5 GSPS abtasten kann. Das Besondere: Mit seiner nutzbaren Bandbreite bis 9 GHz digitalisiert er Satellitensignale direkt ohne vorgeschaltete Mischstufen. Ein integrierter AMD Kintex Ultrascale FPGA ermöglicht Echtzeit-Signalverarbeitung bereits im Digitizer, während eine nachgeschaltete 10-Bit-Komprimierung die Datenübertragung mit bis zu 14 GBit/s zu angeschlossenen GPUs optimiert.

Die Signalqualität wird durch externe rauscharme Verstärker und präzise Anti-Aliasing-Filter gewährleistet, die eine hohe Signaltreue sicherstellen und Spektralumkehr während der Analog-Digital-Wandlung verhindern. Die Wahl der Abtastrate wirkt sich dabei direkt auf die Datenintegrität und die Effizienz der nachgelagerten Verarbeitung aus. Wird beispielsweise das L-Band mit 5 GSPS abgetastet, liegt das Signal vollständig in der ersten Nyquist-Zone. Eine Abtastung des S-Bands mit 4 GSPS beschränkt das Signal auf die zweite Nyquist-Zone, bietet aber noch ausreichende Schutzbänder.

FPGA-Vorverarbeitung bewältigt Datenflut

Die schiere Menge der erzeugten Rohdaten stellt Entwickler vor Problemen. Bei 10 Mrd. Abtastwerten pro Sekunde und zwei Bytes pro Abtastwert erzeugt ein einzelner Kanal bereits etwa 20 Gigabyte pro Sekunde. Diese enormen Datenvolumen können praktische Übertragungs- und Speichergrenzen schnell übersteigen und machen innovative Lösungsansätze erforderlich.

Eine FPGA-basierte Vorverarbeitung bietet den entscheidenden Durchbruch. Durch die Integration von Verarbeitungsalgorithmen direkt im Digitizer können die Datenraten bereits vor der Übertragung über PCIe-Verbindungen drastisch reduziert werden. Zwei Technologien sind dabei besonders relevant: Die Bitkomprimierung reduziert die Anzahl der Bits pro Sample und ermöglicht so ein kontinuierliches Streaming innerhalb der PCIe-Bandbreitenbeschränkungen. Noch effektiver ist die digitale Abwärtskonvertierung, die durch FPGA-basierte numerisch gesteuerte Oszillatoren und Filter implementiert wird.

Diese digitale Abwärtskonvertierung übersetzt ausgewählte HF-Kanäle in Basisband- oder Zwischenfrequenzen und reduziert nicht nur die Datenraten erheblich, sondern verbessert gleichzeitig das Signal-Rausch-Verhältnis durch Filterung und kohärente Verarbeitung. Ein praktisches Beispiel zeigt die Effizienz: Die Extraktion einzelner Galileo-Subbänder aus einer breitbandigen L-Band-Erfassung kann die Datenrate auf wenige Gigabyte pro Sekunde reduzieren und liegt damit im komfortablen Bereich moderner GPU-Verarbeitungskapazitäten.

GPU-Beschleunigung für komplexe Echtzeitanalysen

Für Echtzeit- und Fast-Echtzeit-Analysen haben sich PCIe-basierte Architekturen als besonders leistungsfähig erwiesen. Durch Peer-to-Peer-Datenübertragung können aktuelle Digitizer ihre Daten per DMA direkt an GPUs streamen und dabei die Host-CPU sowie den Systemspeicher komplett umgehen. Diese Architektur verringert nicht nur die Latenz erheblich, sondern ermöglicht auch aggregierte Durchsätze, die die theoretischen Grenzen von PCIe Gen5 erreichen und gleichzeitiges Streaming von mehreren Digitizern ermöglichen.

GPUs ergänzen die FPGA-Verarbeitung optimal, indem sie rechenintensive, aber weniger latenzkritische Aufgaben übernehmen. Dazu gehören komplexe Kanalisierungsprozesse, anspruchsvolle Demodulationsalgorithmen und langfristige statistische Analysen, die für die Überwachung der Signalqualität und die Erkennung von Anomalien entscheidend sind. Die Parallelverarbeitungskapazitäten moderner GPUs ermöglichen es, mehrere Satellitensignale gleichzeitig zu analysieren und dabei auch schwächste Störsignale zu identifizieren.

Eine kontinuierliche Langzeitaufzeichnungen

Wenn kontinuierliche Langzeitaufzeichnungen erforderlich sind, wird die Speicherbandbreite schnell zum limitierenden Faktor des gesamten Systems. Moderne Lösungen setzen daher auf RAID-Konfigurationen basierend auf NVMe-SSDs, die über speziell entwickelte PCIe-Trägerplatinen miteinander verbunden sind. Diese Architektur ermöglicht das parallele Schreiben auf mehrere Laufwerke und maximiert so den Gesamtdurchsatz.

Entscheidend ist dabei die Wahl der richtigen SSD-Technologie. Enterprise-Klasse-Laufwerke bieten über lange Zeiträume hinweg konstante Schreibgeschwindigkeiten und ermöglichen Gesamt-Aufzeichnungsraten von mehreren zehn Gigabyte pro Sekunde bei Gesamtkapazitäten im Petabyte-Bereich pro Steckplatz. Consumer-SSDs mögen zunächst kostengünstiger erscheinen, eignen sich jedoch nur für kürzere Aufzeichnungen, da sich ihr Durchsatz dramatisch verschlechtert, sobald die internen SLC-Caches erschöpft sind.

Zukunftssichere Architektur für neue Bedrohungen

Die Kombination aus Breitband-Digitalisierung, FPGA-basierter Vorverarbeitung, GPU-Beschleunigung und skalierbarem PCIe-Speicher ermöglicht es Anwendern moderner Satellitenüberwachungssysteme, eine kosteneffiziente, flexible und präzise Überwachung zu erreichen und damit die Stabilität der Satellitenkommunikation sicherzustellen. Die modulare Architektur ist dabei bewusst zukunftsgerichtet konzipiert, da sie sich entwickelnde Anforderungen wie Multiband-Überwachung, Echtzeit-Interferenzerkennung und großskalige Datenerfassung unterstützt.

Diese Flexibilität macht solche Systeme sowohl für operative Überwachungsnetzwerke als auch für forschungsorientierte Messkampagnen interessant. Angesichts der steigenden Bedrohungen durch GPS-Jamming und illegale Satellitenstörungen werden solche hochleistungsfähigen Überwachungssysteme zunehmend zu einer kritischen Infrastruktur für die moderne Kommunikationsgesellschaft. (heh)

LEO-Satelliten für entlegene Regionen

IoT-Endgeräte kommunizieren über Standard-Mobilfunkprotokolle mit Satellit

(ID:50694190)