频谱监测中的宽带瞬态信号截获技术.doc

监测检测Monitoring & Detection频谱监测中的宽带瞬态信号截获技术 国家无线电监测中心李明摘 要本文以在奥运会期间使用N6820E（名为“黑鸟”的应用软件，硬件名称为E3238S） 对宽带瞬态信号的截获为例，论述了N6820E对瞬态信号截获技术，包括对瞬态信号 的搜索、识别、判决、记忆捕获等，讨论了截获概率对瞬态信号的影响以及无线电 频谱中瞬态信号的种类与特点。结束的信号，在数学上瞬态信号的频谱为连续谱。在工程上瞬态信号通常是指在时间上（时域）和频 谱上（频域）不连续出现的或突发的信号，具有短 时、非平稳、能量集中等特点，工程上瞬态信号的 频谱既可能是连续谱，也可能是离散谱。瞬态信号分为有用信号和无用（干扰）信号。 有用的瞬态信号是指为了达到某种目的或效果，有 意使无线电信号在时间或频谱上不连续。如军事领 域的跳频通信信号，为了降低被敌方截获的概率， 提高通信的保密度，发射频率是跳变的，而信号在 时间上是连续稳定的；在移动通信领域，为了提高 系统的用户容量而采用的时分多址技术，使得信号 在时域上呈现不连续性。有用信号还可分为是正常 指配频率的和非指配频率的（非指配的也称为干 扰）信号。无用（干扰）的瞬态信号分为两类：一类是由 于工作频率以外其他有用瞬态信号引起的，比如谐 波干扰、交调干扰、互调干扰、邻信道干扰、邻系 统干扰以及不规范操作误发干扰等；另外一类是由 于电路的缺陷、故障、设计原理的不完善以及不可 控制因素或自然界产生的，比如毛刺、振铃、电网 中的冲击、浪涌、火花放电、爆炸、闪电、核磁脉 冲、宇宙射电等。1 引言 无线电技术的不断发展和广泛应用，使得无线电信号在信号类型、存在方式上日趋复杂和多样。 在军事领域，捷变频雷达、复杂调制雷达和跳频通 信技术已经得到广泛应用；在民用通信领域，G S M、 Bluetooth、RFID以及TD-SCDMA等瞬态（时分）信号 已逐步渗透到社会生活的各个角落。无线电技术的 发展和应用，使得无线信号的种类日益增多，频谱 变得越来越拥挤，信号特征也越来越复杂。在无线电监测中，对于瞬态信号的发现和截获 一直是监测人员关注的难点。特别是在现代无线电 工程中，瞬态信号表现出类型复杂、频率多变、功 率未知等特点，提高对未知突发信号的搜索截获概 率技术以及有效的识别判决技术是分析测量瞬态信 号的关键技术。在北京奥运会期间，以无线系统为依托的指 挥、调度、安保、通信、协调及比赛用频数量巨 大，给频谱保障工作带来了巨大的挑战与考验，无 线电监测的任务十分艰巨。经过实践和探索，我们 在使用N6820E对宽带瞬态信号的截获方面，进行了 一些探索，获得了一些经验。2 瞬态信号的种类与特点3 常用的瞬态信号测量技术瞬态信号是指持续时间短，具有明显开始和（1）时域法监测检测Monitoring & Detection示波器是最常用的电子测量仪器之一。随着数字技术的发展，数字存储示波器的应用也越来越广 泛，目前最先进的数字存储示波器采样频率可以达 到40G H z，带宽达到13G H z，同时可以将信号存储起 来，事后进行分析处理，使信号重新出现，在观测 单次瞬态信号时（如电路毛刺、浪涌、爆炸、核磁 脉冲）应用非常广泛，技术也非常成熟。但是8位的采样位数理论上的动态范围为64d B， 提高采样的频率和增加幅度分析的动态范围仍然是 示波器在分析瞬态信号时需要解决的问题。（2）频域法频谱分析仪也是最常用的电子测量仪器之一。 扫频式的频谱分析仪采用超外差结构，分析的频率 范围可以从3H z到300G H z，动态范围可以达到100d B120d B以上。主要用于信号的频率、功率、带宽、 信噪比、杂散、谐波以及干扰查找。特别是全数 字中频技术的应用，提高了扫描式频谱分析仪的测 量速度，扩展了测量功能。对于固定标准的瞬态信 号，例如G S M、T D-SCDM A等通信信号，可以通过 增加选件完成捕获测量。同时扫频式频谱仪的最大 保持、外触发、门触发功能一直是无线电监测人员 用于捕获瞬态信号的重要功能。（3）矢量信号分析法矢量信号分析仪将扫描式外差结构、高速A D C 技术和D S P技术相结合，能提高频率分辨率与测量 速度，主要用于频谱测量、数字解调测量和先进的 时域分析，特别适用于复杂信号的测量，如突发信 号、瞬态信号、通信调制分析、视频、广播、声纳 等。时域捕获与存储技术提供了强大的测量能力， 可以记录一段数据，在记录期间不丢失任何数据； 回放数据时，可以选择任意时间段、任意频段进行 频谱测量、解调测量。因此，矢量信号分析仪又称 为动态信号分析仪或实时信号分析仪。数字中频类的矢量信号分析仪和实时频谱仪 虽然增加了最大保持功能以及瀑布图功能、捕获回 放时的触发及门功能等，但在搜索范围、测量分辨 率、显示分辨率、触发门限的设置以及触发模板的 选取和判决方法上都存在限制，不能完成现代无线 电监测中对瞬态信号的侦测。以前缺乏有效的工具，只能按上述3种方法分别进行发现、捕获、分析和识别。在北京奥运会预演时，我们购置了E3238S（黑鸟），利用软件N6820E 进行了这方面的实践。4 N6820E的瞬态截获技术 在实际监测当中，由于信号的格式、类型以及存在方式非常复杂，特别是瞬态干扰信号出现的频 率、幅度以及出现的时间、持续时间都难以及时掌 握，这制约了瞬态截获技术的使用效果。例如，F F T 点数、测量分辨率与显示分辨率的矛盾、模板如何 获取、判决条件适用范围等。下面我们来详细分析 各种因素对判决信号的影响。（1）FFT点数黑鸟与数字中频类的频谱仪原理类似，采用超 外差结构，中频采用A D C技术，然后进行F F T运算。 但实现上有两点不同，一是黑鸟将采样数据经过光 总线传输到D S P，光总线的传递速率为2G B/s，而数 字中频类的频谱仪是采用电总线，最高仪器电总线 的速率为400M500M B/s。如果采样率为100M/s，14位的A D C，则需要1.6G B/s的总线速度。另一个不 同是黑鸟采用6个CPU进行DSP处理，而数字中频类的 频谱仪通常只有一个DSP模块工作。黑鸟在实时带宽内的F F T点数为4万点，扫描搜 索模式下最大的测量点数为8百万个点。点数少会影 响捕获频谱细节的能力。例如在100M H z的频律范围 内，如果RBW取1kHz条件，则需要十万个频率点数； 如果RBW取100Hz条件，则需要1百万个FFT点数。FFT 点数之间的距离决定了测量频率的分辨率，点数少 会造成分辨率下降导致信号的丢失。（2）截获概率由于瞬态干扰信号引起的因素非常多，而且如果瞬 态信号出现的频率是未知的，再加上功率未知、出现的 时间未知，监测这类信号是非常困难的，需要高截获概 率技术来解决。截获概率与搜索的频率范围、分辨率带 宽、接收机的本地噪声、搜索速度、数据传输速度以及 判决方法有关，是以上这些因素的综合结果。黑鸟系统在分辨宽带140H z，接收机本地噪声为-120d B m，可以完成150M H z/s的搜索。另外，黑鸟 具备的多种判决方法可以提高对瞬态信号的截获概 率，其中包括四种能量判决方法：电平判决、电磁环中国无线电 2009年第5期图1 四种能量判决方法图2 四种信号判决方法图3 黑鸟的多窗口显示功能图4 信号的频谱分布图5 测向频谱图监测检测Monitoring & Detection境背景判决、噪声自适应判决、用户定义判决（见图1）；以及四种信号判决方法：频谱形状相关判决、 峰值判决、调制类型判决和模板判决（见图2）。标点处的频谱细节。第二、三、四条灰色曲线分别为100M H z、10M H z、1M H z频率范围下的频谱结果， 从三个结果中我们可以看到十字光标点处周围的频 谱情况，因此不丢失任何频谱细节。5 奥运会频谱监测应用案例（1）宽带瞬态信号的截获2008年7月15日，我们在水立方西侧进行场馆电 磁环境排查时，黑鸟发现了一个宽带频率扫描信号， 而且出现的时间是不连续的。在8月2日奥运会开幕式 彩排时，黑鸟又发现了这个信号。经过测量，这个信 号占用的频率范围为137MHz150MHz，是奥运会重点 保障频率，信号的频谱分布如图4所示。（3）显示分辨率所有测量仪器的显示分辨率均为640点或1024 点。如果判决模板是在显示器上获取的，即使是逐 点定义，模板的频率分辨率最多1024点，而F F T点数 是上万点，因此不能实现逐点的比较，没有解决显 示分辨率和测量分辨率之间的矛盾。黑鸟采用多D S P技术、z o o m功能和多窗口显示 的功能，解决了8百万个测量点数显示的问题，如 图3所示。利用宽带测向机交叉测向定位，我们初判信号源在北京东北三环三元桥附近。后经北京市无线电监测 站的移动监测车逼近查找，确定在三元桥附近。查找 发现，是一个寻呼台发射机出现故障产生的。如图5 所示。在149.628M H z采用F F T宽带测向（可同时测300k H z内的所有信号），在测向频谱图中（见图5之左下图）根本看不到宽带扫描信号的频谱，但 测向测出了此信号，见图5之左上图中横方框圈出 的一条较宽的亮线，大约有200k H z左右，示向度在R B W1.1k H z条件下，搜索的频率范围为 1G H z，F F T的点数约为1百万个点，因此第一条灰色 曲线把所有数据挤在1024点内显示，看不到十字光图6 瞬态信号的出现情况图7 瞬态信号的出现情况监测检测Monitoring & Detection为 39.6°。可见对于这个信号的截获需要快速的搜索速度 和极高的分辨带宽。黑鸟是在200M H z带宽下以2k H z 分辨率带宽监测时截获的，在2k H z分辨带宽下，搜 索200M H z带宽，黑鸟用50m s就完成了，此异常信号 频率扫描范围13M H z，每次扫描时间为1秒左右（对 于一个25k H z的信道信号出现不到2m s），出现的间 隔为20秒左右。正如前面所述，黑鸟的FFT点数以及处理速度都 是非常先进的，由于拥有这样一个特性，使得黑鸟 具备了很高的瞬态信号截获概率，从而截获了这样 一个瞬态干扰信号，并给出了信号的相关参数。奥运会结束后对问题进行分析时，又发现在该 频段出现了另外的瞬态信号，如图6所示。由于时间紧张，没有对该信号作进一步的记录分析。 从监测结果可以了解到，在五个左右的频率点都具有同样特性的信号，但是功率不同。利用黑鸟 的信号判决方法中的频谱相关判决技术，先记录其 中一个信号的频谱形状，然后把记录的形状作为判 决条件，结合噪声自适应的能量判决方法，就能够 发现其他频段相同特性的信号，提高此类复杂信号 的截获概率。通常的信号判决采用的是电平判决，这种方 法简单，但是如何选取判决电平缺乏有效的依 据。另外，电平判决只能在频率和功率两个参 数信息上进行判决，当信号的功率发生变化时 或在别的频率上出现，就无法判决是否属于同 一类信号。黑鸟的四种能量判决和四种信号判决方法，可 以在多个信息的参照域上进行判决，从而提高对复 杂信号以及瞬态信号的截获概率。6 结束语现代无线电信号的种类繁多，存在形式也多种多样，特别是瞬态信号具有频率未知、幅度未 知、出现的时间未知、调制方式未知以及持续时 间短等特点。另一方面，数字中频类的矢量信号 分析仪和实时频谱仪在搜索范围、测量分辨率、 显示分辨率、触发门限的设置以及触发模板的选 取和判决方法上都存在一些缺陷，虽然增加了最 大保持功能以及瀑布图功能、捕获回放时的门触 发功能等，都不能一次完成现代无线电工程中存 在的瞬态信号的侦测。安捷伦公司的E3238S（黑鸟）及软件N6820E提 供了测量速度快、分辨率高、宽搜索范围等功能， 其多种信号特征和信号能量判决的方法，更好地满 足了现代无线电工程中无论是军事领域、还是频谱 监测领域对信号的侦测要求。对于E3238S（黑鸟）及软件N6820E，我们使用 的还不够熟练，没有充分发挥出它的全部功能和优 势。今后还需要有信号分析经验的专业技术人员， 结合无线电监测中的实际情况不断地摸索和实践， 从而提高无线电监测的整体水平。图中箭头所指即为该信号。从图中可以看出这个信号在5M H z范围内同时出现频率占用，每次 占用的带宽在变化。无线电监测应继续分析和查 找此信号。（2）未知时分多址信号的截获在8月2日奥运会开幕式彩排时，黑鸟在宽带搜 索时发现了几个瞬态信号，如图7所示。中国无线电 2009年第5期