射頻流盤在信號監(jiān)測中的應用

 隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展、數(shù)據(jù)總線帶寬和存儲介質讀取速度的提高，目前有越來越多的技術手段可以將一段頻譜信息實時、無失真、連續(xù)的的記錄下來，通常稱作射頻流盤(RF Streaming)。監(jiān)測人員可以采用頻譜分析、數(shù)字信號處理、統(tǒng)計分析、解調、解碼等方法對記錄信號進行后分析，也可以模擬現(xiàn)場電磁環(huán)境把記錄信號用信號源重新發(fā)射出來。

本文詳細介紹射頻流盤的概念和系統(tǒng)結構，討論射頻流盤在監(jiān)測領域的部分應用，分析選擇流盤系統(tǒng)時需要考慮的因素，最后介紹是德科技和X-COM提供的成熟射頻流盤和分析方案。

1、什么是射頻流盤

流盤是將儀器設備采集或處理后的數(shù)據(jù)實時、連續(xù)的傳輸?shù)酱鎯υO備記錄。數(shù)據(jù)采集前端是傳感器、數(shù)據(jù)采集器或者頻譜分析儀等測試儀表。采集和記錄的數(shù)據(jù)是實時采樣點或者經過處理的IQ數(shù)據(jù)。兩種記錄數(shù)據(jù)區(qū)別如表1所示：

表1、實時采樣點和IQ數(shù)據(jù)區(qū)別

從上表可以看出，實時采樣點適合記錄基帶和低速信號，IQ樣本點適合記錄有載波調制的射頻信號。去除載波的IQ數(shù)據(jù)，既有利于壓縮數(shù)據(jù)量減少存儲樣本，又有利于后期信號分析和回放。射頻流盤和回放系統(tǒng)通常記錄IQ數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結構如圖1所示：

圖1、射頻流盤系統(tǒng)結構

信號記錄通路射頻變換包括預選濾波、下變頻、中頻濾波、信號調理、數(shù)據(jù)采集和IQ解調，建議使用通用的信號分析儀，既可以保證采集和存儲信號的質量，又有利于系統(tǒng)維護。信號分析儀輸出的IQ數(shù)據(jù)通常是12位或者14位ADC的采樣結果，不能直接寫入磁盤陣列(RAID)，需要通過FPGA組成的控制電路實現(xiàn)信號變換、同步和路由，然后通過RAID控制器接口寫入磁盤陣列。記錄的頻譜數(shù)據(jù)可以通過相反的過程，由信號源重新發(fā)射出來，或者復制到工作站后使用專用的軟件回放分析。

2、射頻流盤在監(jiān)測領域的應用討論

射頻流盤擴展了信號監(jiān)測和分析的方法。傳統(tǒng)的掃頻、步進FFT監(jiān)測接收機僅能實時監(jiān)測和記錄少量處理后的結果，后期能分析的數(shù)據(jù)和方法非常少。而射頻流盤能夠監(jiān)測和保存所有中頻電路數(shù)字化后的信息，不僅可以復現(xiàn)當時的監(jiān)測結果，還支持解調、解碼、搜索、相關、統(tǒng)計等方法對長時間頻譜信息進行不同維度的分析。射頻流盤在信號監(jiān)測領域的應用包括：

2.1、信號記錄和舉證

對于監(jiān)測接收機和頻譜儀測量的信號，監(jiān)測人員通常利用經驗來判斷是正常信號還是干擾信號，對干擾信號僅能記錄頻譜包絡(trace)或頻譜截圖(screen)。但是符合相似頻譜包絡和頻譜截圖的發(fā)射信號可能有很多，記錄的信息作為干擾信號舉證并不充分。

射頻流盤記錄了射頻信號數(shù)字化后的所有信息，不僅可以從頻域上復現(xiàn)和分析干擾信號，配合解調、解碼等技術手段，還可以分析出干擾信號發(fā)射參數(shù)、傳遞內容，作為干擾信號的舉證充分完整。

2.2、信號解調和解碼分析

目前有比較完備的技術手段對模擬信號進行偵聽。但是由于調制方式復雜多樣、信源和信道編碼、加密等原因，數(shù)字信號很難被偵聽。射頻流盤開辟了監(jiān)測信號后分析的應用。無線電監(jiān)測人員可以使用各種信號分析軟件對流盤數(shù)據(jù)進行解調、解碼分析的嘗試，也可以把記錄內容轉給專業(yè)單位對信息進行解析。

以記錄的未知數(shù)字調制信號為例，使用矢量信號分析軟件(Vector Signal Analyzer)，自動或者手動設置調制方式、符號速率、濾波器等參數(shù)，能夠恢復出信號的比特流。采用合適的解碼器或協(xié)議分析儀，可以從比特流中恢復出傳遞信息。

2.3、數(shù)字信號處理分析

射頻流盤記錄的IQ數(shù)據(jù)支持Matlab、VSA等數(shù)字信號處理軟件進行分析?？梢栽陬l域上對記錄信號重新進行分析，例如信號的回放中更改分辨率帶寬(RBW)、參考電平、檢波方式等設置，以及增加數(shù)字濾波器。也可以使用短時傅里葉變換、時頻分析、小波變換等能表征時域和頻域信息的方法對信號進行分析。

2.4、信號統(tǒng)計分析

對于頻譜利用率、信號出現(xiàn)概率和頻次、信號相關性、時分信號周期等需要長時間觀測和計算的統(tǒng)計信息，監(jiān)測接收機和頻譜儀無法直接測量，使用掃頻記錄的信號包絡進行分析也有很大的測量誤差。借助射頻流盤專用的回放、搜索、統(tǒng)計分析軟件和Matlab等工具，可以準確的解決信號時域和統(tǒng)計分析問題。

3、選擇射頻流盤系統(tǒng)時需要考慮的因素

射頻流盤是一套系統(tǒng)，包含射頻變換器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)回放和分析軟件等。選擇射頻流盤系統(tǒng)需要考慮的因素主要包括：

3.1、記錄信號質量

為保證對記錄信號進行準確的分析以及解調、解碼，射頻流盤記錄信號的質量至關重要。記錄信號質量主要由射頻電路和中頻電路的性能決定。射頻前端的帶內平坦度和線性相移需要經過校準，以保證信號下變頻過程中不失真。中頻電路主要包括信號調理、數(shù)模變換器(ADC)和IQ解調器。目前流盤系統(tǒng)的ADC通常是12bit或14bit，ADC的采樣位數(shù)越高，量化誤差和量化噪聲越小，系統(tǒng)動態(tài)范圍越大。無雜散動態(tài)范圍(SFDR，Spurious Free Dynamic Range)是衡量兩部分電路綜合性能的指標，SFDR指帶內最大信號的RMS幅度與次最大噪聲成分或諧波失真成分的RMS值之比，常以dBc表示 。14bit ADC的射頻流盤系統(tǒng)在200MHz記錄帶寬內SFDR通常>75dBc。

3.2、頻率范圍和帶寬

射頻流盤系統(tǒng)頻率范圍由前端下變頻器或信號分析儀的頻率范圍決定，目前可以覆蓋短波、超短波、微波。射頻流盤的帶寬與ADC的性能、數(shù)據(jù)總線帶寬、磁盤陣列讀寫速度等相關。目前最大記錄帶寬超過100MHz方案在市面上有多款可供選擇。

3.3、記錄時間

射頻流盤記錄時間與記錄帶寬和存儲容量直接相關。以100MHz記錄帶寬為例，IQ采樣率通常為2.5倍，存儲每個樣本點2Byte(12或14bit ADC)，記錄信息速率是500MB/s，1TB硬盤可以記錄33分鐘。

射頻流盤可以設置頻譜模板觸發(fā)、環(huán)境電平觸發(fā)、時間限定電平觸發(fā)、數(shù)據(jù)幀觸發(fā)等觸發(fā)條件開啟，從而只記錄感興趣的信號，減少數(shù)據(jù)量。

3.4、附屬信息

射頻流盤除了記錄頻段IQ數(shù)據(jù)，還可以記錄GPS位置和時間、Marker、系統(tǒng)配置等信息，后續(xù)的分析中可以調用這些附屬信息進行地圖映射、信號歸類、統(tǒng)計處理等工作。

3.5、數(shù)據(jù)回放和分析軟件

對流盤記錄數(shù)據(jù)的分析為監(jiān)測工作提供更多有價值的信息。首先要求記錄數(shù)據(jù)格式開放，可以被Matlab、VSA等信號分析軟件和解調解碼軟件調用。其次射頻流盤方案需要提供軟件工具對記錄數(shù)據(jù)進行回放、搜索、截取保存等操作。

4、是德科技射頻流盤方案

是德科技N9040B信號分析儀和X-COM公司IQC5000B信號記錄儀組成的系統(tǒng)是目前高性能射頻流盤系統(tǒng)的典型代表。整套系統(tǒng)不僅硬件指標出色，而且配套的Spectro-X、89601B信號回放分析軟件功能強大。系統(tǒng)射頻前端是N9040B高性能信號分析儀，分析帶寬(1GHz)、實時頻譜帶寬(510MHz)、無雜散動態(tài)范圍(78dBc)、相位噪聲等指標在行業(yè)內全面領先。IQC5000B信號記錄儀在國外信號監(jiān)測、國防和安全領域有廣泛的應用，部分指標如表2所示：

表2、IQC5000B射頻流盤記錄設備指標

系統(tǒng)硬件設備如下圖2所示，整套系統(tǒng)連接配置簡單，流盤控制軟件和信號回放分析軟件都可以安裝在N9040B信號分析儀上，無需外部控制電腦。流盤記錄數(shù)據(jù)通過PCIe Gen 2總線傳輸?shù)絅9040B或外部工作站進行分析。

圖2、N9040B +IQC5000B射頻流盤系統(tǒng)

Spectro-X是X-COM公司提供用于信號回放分析的軟件，支持頻譜、IQ包絡、瀑布圖的回放分析，以及信號搜索、截取和部分數(shù)字信號處理功能。IQC5000B記錄數(shù)據(jù)格式為.xdat文件，提供Matlab接口函數(shù)類。圖3是使用Matlab對IQC5000B記錄頻譜進行時頻分析的結果繪圖。

圖3、xdat數(shù)據(jù)時頻分析繪圖

5、總結

射頻流盤擴展了信號監(jiān)測和分析的技術手段。與寬帶實時頻譜功能配合，射頻流盤非常適合記錄分析瞬變和跳變干擾，統(tǒng)計信號周期和持續(xù)時間等信息。某些干擾信號，信號監(jiān)測現(xiàn)場可能沒有處理手段或處理能力進行分析，采用射頻流盤的方式可以對信號進行事后分析、解調解碼等工作。射頻流盤作為新的技術工具，在信號監(jiān)測工作中還有很多應用值得深入探索和研究。