頻譜監(jiān)測中的寬帶瞬態(tài)信號截獲技術(shù)

1、監(jiān)測檢測monitoring & detection頻譜監(jiān)測中的寬帶瞬態(tài)信號截獲技術(shù) 國家無線電監(jiān)測中心李明摘 要本文以在奧運會期間使用n6820e（名為“黑鳥”的應(yīng)用軟件，硬件名稱為e3238s） 對寬帶瞬態(tài)信號的截獲為例，論述了n6820e對瞬態(tài)信號截獲技術(shù)，包括對瞬態(tài)信號 的搜索、識別、判決、記憶捕獲等，討論了截獲概率對瞬態(tài)信號的影響以及無線電 頻譜中瞬態(tài)信號的種類與特點。結(jié)束的信號，在數(shù)學上瞬態(tài)信號的頻譜為連續(xù)譜。在工程上瞬態(tài)信號通常是指在時間上（時域）和頻 譜上（頻域）不連續(xù)出現(xiàn)的或突發(fā)的信號，具有短 時、非平穩(wěn)、能量集中等特點，工程上瞬態(tài)信號的 頻譜既可能是連續(xù)譜，也可能是離散譜。

2、瞬態(tài)信號分為有用信號和無用（干擾）信號。 有用的瞬態(tài)信號是指為了達到某種目的或效果，有 意使無線電信號在時間或頻譜上不連續(xù)。如軍事領(lǐng) 域的跳頻通信信號，為了降低被敵方截獲的概率， 提高通信的保密度，發(fā)射頻率是跳變的，而信號在 時間上是連續(xù)穩(wěn)定的；在移動通信領(lǐng)域，為了提高 系統(tǒng)的用戶容量而采用的時分多址技術(shù)，使得信號 在時域上呈現(xiàn)不連續(xù)性。有用信號還可分為是正常 指配頻率的和非指配頻率的（非指配的也稱為干 擾）信號。無用（干擾）的瞬態(tài)信號分為兩類：一類是由 于工作頻率以外其他有用瞬態(tài)信號引起的，比如諧 波干擾、交調(diào)干擾、互調(diào)干擾、鄰信道干擾、鄰系 統(tǒng)干擾以及不規(guī)范操作誤發(fā)干擾等；另外一類是由 于

3、電路的缺陷、故障、設(shè)計原理的不完善以及不可 控制因素或自然界產(chǎn)生的，比如毛刺、振鈴、電網(wǎng) 中的沖擊、浪涌、火花放電、爆炸、閃電、核磁脈 沖、宇宙射電等。1 引言 無線電技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得無線電信號在信號類型、存在方式上日趨復(fù)雜和多樣。 在軍事領(lǐng)域，捷變頻雷達、復(fù)雜調(diào)制雷達和跳頻通 信技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用；在民用通信領(lǐng)域，g s m、 bluetooth、rfid以及td-scdma等瞬態(tài)（時分）信號 已逐步滲透到社會生活的各個角落。無線電技術(shù)的 發(fā)展和應(yīng)用，使得無線信號的種類日益增多，頻譜 變得越來越擁擠，信號特征也越來越復(fù)雜。在無線電監(jiān)測中，對于瞬態(tài)信號的發(fā)現(xiàn)和截獲 一直是監(jiān)測人

4、員關(guān)注的難點。特別是在現(xiàn)代無線電 工程中，瞬態(tài)信號表現(xiàn)出類型復(fù)雜、頻率多變、功 率未知等特點，提高對未知突發(fā)信號的搜索截獲概 率技術(shù)以及有效的識別判決技術(shù)是分析測量瞬態(tài)信 號的關(guān)鍵技術(shù)。在北京奧運會期間，以無線系統(tǒng)為依托的指 揮、調(diào)度、安保、通信、協(xié)調(diào)及比賽用頻數(shù)量巨 大，給頻譜保障工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)與考驗，無 線電監(jiān)測的任務(wù)十分艱巨。經(jīng)過實踐和探索，我們 在使用n6820e對寬帶瞬態(tài)信號的截獲方面，進行了 一些探索，獲得了一些經(jīng)驗。2 瞬態(tài)信號的種類與特點3 常用的瞬態(tài)信號測量技術(shù)瞬態(tài)信號是指持續(xù)時間短，具有明顯開始和（1）時域法監(jiān)測檢測monitoring & detection示波器是

5、最常用的電子測量儀器之一。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字存儲示波器的應(yīng)用也越來越廣 泛，目前最先進的數(shù)字存儲示波器采樣頻率可以達 到40g h z，帶寬達到13g h z，同時可以將信號存儲起 來，事后進行分析處理，使信號重新出現(xiàn)，在觀測 單次瞬態(tài)信號時（如電路毛刺、浪涌、爆炸、核磁 脈沖）應(yīng)用非常廣泛，技術(shù)也非常成熟。但是8位的采樣位數(shù)理論上的動態(tài)范圍為64d b， 提高采樣的頻率和增加幅度分析的動態(tài)范圍仍然是 示波器在分析瞬態(tài)信號時需要解決的問題。（2）頻域法頻譜分析儀也是最常用的電子測量儀器之一。 掃頻式的頻譜分析儀采用超外差結(jié)構(gòu)，分析的頻率 范圍可以從3h z到300g h z，動態(tài)范圍可以

6、達到100d b120d b以上。主要用于信號的頻率、功率、帶寬、 信噪比、雜散、諧波以及干擾查找。特別是全數(shù) 字中頻技術(shù)的應(yīng)用，提高了掃描式頻譜分析儀的測 量速度，擴展了測量功能。對于固定標準的瞬態(tài)信 號，例如g s m、t d-scdm a等通信信號，可以通過 增加選件完成捕獲測量。同時掃頻式頻譜儀的最大 保持、外觸發(fā)、門觸發(fā)功能一直是無線電監(jiān)測人員 用于捕獲瞬態(tài)信號的重要功能。（3）矢量信號分析法矢量信號分析儀將掃描式外差結(jié)構(gòu)、高速a d c 技術(shù)和d s p技術(shù)相結(jié)合，能提高頻率分辨率與測量 速度，主要用于頻譜測量、數(shù)字解調(diào)測量和先進的 時域分析，特別適用于復(fù)雜信號的測量，如突發(fā)信 號

7、、瞬態(tài)信號、通信調(diào)制分析、視頻、廣播、聲納 等。時域捕獲與存儲技術(shù)提供了強大的測量能力， 可以記錄一段數(shù)據(jù)，在記錄期間不丟失任何數(shù)據(jù)； 回放數(shù)據(jù)時，可以選擇任意時間段、任意頻段進行 頻譜測量、解調(diào)測量。因此，矢量信號分析儀又稱 為動態(tài)信號分析儀或?qū)崟r信號分析儀。數(shù)字中頻類的矢量信號分析儀和實時頻譜儀 雖然增加了最大保持功能以及瀑布圖功能、捕獲回 放時的觸發(fā)及門功能等，但在搜索范圍、測量分辨 率、顯示分辨率、觸發(fā)門限的設(shè)置以及觸發(fā)模板的 選取和判決方法上都存在限制，不能完成現(xiàn)代無線 電監(jiān)測中對瞬態(tài)信號的偵測。以前缺乏有效的工具，只能按上述3種方法分別進行發(fā)現(xiàn)、捕獲、分析和識別。在北京奧運會預(yù)演時

8、，我們購置了e3238s（黑鳥），利用軟件n6820e 進行了這方面的實踐。4 n6820e的瞬態(tài)截獲技術(shù) 在實際監(jiān)測當中，由于信號的格式、類型以及存在方式非常復(fù)雜，特別是瞬態(tài)干擾信號出現(xiàn)的頻 率、幅度以及出現(xiàn)的時間、持續(xù)時間都難以及時掌 握，這制約了瞬態(tài)截獲技術(shù)的使用效果。例如，f f t 點數(shù)、測量分辨率與顯示分辨率的矛盾、模板如何 獲取、判決條件適用范圍等。下面我們來詳細分析 各種因素對判決信號的影響。（1）fft點數(shù)黑鳥與數(shù)字中頻類的頻譜儀原理類似，采用超 外差結(jié)構(gòu)，中頻采用a d c技術(shù)，然后進行f f t運算。 但實現(xiàn)上有兩點不同，一是黑鳥將采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過光 總線傳輸?shù)絛 s p，光

9、總線的傳遞速率為2g b/s，而數(shù) 字中頻類的頻譜儀是采用電總線，最高儀器電總線 的速率為400m500m b/s。如果采樣率為100m/s，14位的a d c，則需要1.6g b/s的總線速度。另一個不 同是黑鳥采用6個cpu進行dsp處理，而數(shù)字中頻類的 頻譜儀通常只有一個dsp模塊工作。黑鳥在實時帶寬內(nèi)的f f t點數(shù)為4萬點，掃描搜 索模式下最大的測量點數(shù)為8百萬個點。點數(shù)少會影 響捕獲頻譜細節(jié)的能力。例如在100m h z的頻律范圍 內(nèi)，如果rbw取1khz條件，則需要十萬個頻率點數(shù)； 如果rbw取100hz條件，則需要1百萬個fft點數(shù)。fft 點數(shù)之間的距離決定了測量頻率的分辨率

10、，點數(shù)少 會造成分辨率下降導致信號的丟失。（2）截獲概率由于瞬態(tài)干擾信號引起的因素非常多，而且如果瞬 態(tài)信號出現(xiàn)的頻率是未知的，再加上功率未知、出現(xiàn)的 時間未知，監(jiān)測這類信號是非常困難的，需要高截獲概 率技術(shù)來解決。截獲概率與搜索的頻率范圍、分辨率帶 寬、接收機的本地噪聲、搜索速度、數(shù)據(jù)傳輸速度以及 判決方法有關(guān)，是以上這些因素的綜合結(jié)果。黑鳥系統(tǒng)在分辨寬帶140h z，接收機本地噪聲為-120d b m，可以完成150m h z/s的搜索。另外，黑鳥 具備的多種判決方法可以提高對瞬態(tài)信號的截獲概 率，其中包括四種能量判決方法：電平判決、電磁環(huán)中國無線電 2009年第5期圖1 四種能量判決方法

11、圖2 四種信號判決方法圖3 黑鳥的多窗口顯示功能圖4 信號的頻譜分布圖5 測向頻譜圖監(jiān)測檢測monitoring & detection境背景判決、噪聲自適應(yīng)判決、用戶定義判決（見圖1）；以及四種信號判決方法：頻譜形狀相關(guān)判決、 峰值判決、調(diào)制類型判決和模板判決（見圖2）。標點處的頻譜細節(jié)。第二、三、四條灰色曲線分別為100m h z、10m h z、1m h z頻率范圍下的頻譜結(jié)果， 從三個結(jié)果中我們可以看到十字光標點處周圍的頻 譜情況，因此不丟失任何頻譜細節(jié)。5 奧運會頻譜監(jiān)測應(yīng)用案例（1）寬帶瞬態(tài)信號的截獲2008年7月15日，我們在水立方西側(cè)進行場館電 磁環(huán)境排查時，黑鳥發(fā)現(xiàn)了一個寬帶

12、頻率掃描信號， 而且出現(xiàn)的時間是不連續(xù)的。在8月2日奧運會開幕式 彩排時，黑鳥又發(fā)現(xiàn)了這個信號。經(jīng)過測量，這個信 號占用的頻率范圍為137mhz150mhz，是奧運會重點 保障頻率，信號的頻譜分布如圖4所示。（3）顯示分辨率所有測量儀器的顯示分辨率均為640點或1024 點。如果判決模板是在顯示器上獲取的，即使是逐 點定義，模板的頻率分辨率最多1024點，而f f t點數(shù) 是上萬點，因此不能實現(xiàn)逐點的比較，沒有解決顯 示分辨率和測量分辨率之間的矛盾。黑鳥采用多d s p技術(shù)、z o o m功能和多窗口顯示 的功能，解決了8百萬個測量點數(shù)顯示的問題，如 圖3所示。利用寬帶測向機交叉測向定位，我們

13、初判信號源在北京東北三環(huán)三元橋附近。后經(jīng)北京市無線電監(jiān)測 站的移動監(jiān)測車逼近查找，確定在三元橋附近。查找 發(fā)現(xiàn)，是一個尋呼臺發(fā)射機出現(xiàn)故障產(chǎn)生的。如圖5 所示。在149.628m h z采用f f t寬帶測向（可同時測300k h z內(nèi)的所有信號），在測向頻譜圖中（見圖5之左下圖）根本看不到寬帶掃描信號的頻譜，但 測向測出了此信號，見圖5之左上圖中橫方框圈出 的一條較寬的亮線，大約有200k h z左右，示向度在r b w1.1k h z條件下，搜索的頻率范圍為 1g h z，f f t的點數(shù)約為1百萬個點，因此第一條灰色 曲線把所有數(shù)據(jù)擠在1024點內(nèi)顯示，看不到十字光圖6 瞬態(tài)信號的出現(xiàn)情

14、況圖7 瞬態(tài)信號的出現(xiàn)情況監(jiān)測檢測monitoring & detection為 39.6?？梢妼τ谶@個信號的截獲需要快速的搜索速度 和極高的分辨帶寬。黑鳥是在200m h z帶寬下以2k h z 分辨率帶寬監(jiān)測時截獲的，在2k h z分辨帶寬下，搜 索200m h z帶寬，黑鳥用50m s就完成了，此異常信號 頻率掃描范圍13m h z，每次掃描時間為1秒左右（對 于一個25k h z的信道信號出現(xiàn)不到2m s），出現(xiàn)的間 隔為20秒左右。正如前面所述，黑鳥的fft點數(shù)以及處理速度都 是非常先進的，由于擁有這樣一個特性，使得黑鳥 具備了很高的瞬態(tài)信號截獲概率，從而截獲了這樣 一個瞬態(tài)干擾信號

15、，并給出了信號的相關(guān)參數(shù)。奧運會結(jié)束后對問題進行分析時，又發(fā)現(xiàn)在該 頻段出現(xiàn)了另外的瞬態(tài)信號，如圖6所示。由于時間緊張，沒有對該信號作進一步的記錄分析。 從監(jiān)測結(jié)果可以了解到，在五個左右的頻率點都具有同樣特性的信號，但是功率不同。利用黑鳥 的信號判決方法中的頻譜相關(guān)判決技術(shù)，先記錄其 中一個信號的頻譜形狀，然后把記錄的形狀作為判 決條件，結(jié)合噪聲自適應(yīng)的能量判決方法，就能夠 發(fā)現(xiàn)其他頻段相同特性的信號，提高此類復(fù)雜信號 的截獲概率。通常的信號判決采用的是電平判決，這種方 法簡單，但是如何選取判決電平缺乏有效的依 據(jù)。另外，電平判決只能在頻率和功率兩個參 數(shù)信息上進行判決，當信號的功率發(fā)生變化時

16、 或在別的頻率上出現(xiàn)，就無法判決是否屬于同 一類信號。黑鳥的四種能量判決和四種信號判決方法，可 以在多個信息的參照域上進行判決，從而提高對復(fù) 雜信號以及瞬態(tài)信號的截獲概率。6 結(jié)束語現(xiàn)代無線電信號的種類繁多，存在形式也多種多樣，特別是瞬態(tài)信號具有頻率未知、幅度未 知、出現(xiàn)的時間未知、調(diào)制方式未知以及持續(xù)時 間短等特點。另一方面，數(shù)字中頻類的矢量信號 分析儀和實時頻譜儀在搜索范圍、測量分辨率、 顯示分辨率、觸發(fā)門限的設(shè)置以及觸發(fā)模板的選 取和判決方法上都存在一些缺陷，雖然增加了最 大保持功能以及瀑布圖功能、捕獲回放時的門觸 發(fā)功能等，都不能一次完成現(xiàn)代無線電工程中存 在的瞬態(tài)信號的偵測。安捷倫公司的e3238s（黑鳥）及軟件n6820e提 供了測量速度快、分辨率高、寬搜索范圍等功能， 其多種信號特征和信號能量判決的方法，更好地滿 足了現(xiàn)代無線電工程中無論是軍事領(lǐng)域、還是頻譜 監(jiān)測領(lǐng)域?qū)π盘?/p>