可擴(kuò)展的經(jīng)濟(jì)型射頻頻譜監(jiān)控和管理
一、介紹
隨著頻譜分析和管理擴(kuò)展到了更新和更有挑戰(zhàn)的新領(lǐng)域,傳統(tǒng)的臺式頻譜分析儀的短板越來越顯現(xiàn):難以適應(yīng)如今極其注重外場應(yīng)用的模式。
此外,傳統(tǒng)頻譜儀由于把所有的功能集于一身,使得其成本居高不下,這導(dǎo)致了傳統(tǒng)頻譜儀在如今外場部署的應(yīng)用場合實(shí)用性很差,因?yàn)檫@樣的應(yīng)用是需要大量的經(jīng)濟(jì)型分析儀以監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備或者信號情報(bào)。
這份白皮書展示了一個(gè)全新的方案應(yīng)對這些挑戰(zhàn),這套方案最大化了便攜式頻譜儀的能力,有可擴(kuò)展的開源軟件,可用筆記本電腦通過API非常容易的,完全控制分析儀,不但降低了總體的成本,還最大化了靈活性。
二、外場射頻頻譜管理的趨勢和驅(qū)動(dòng)因素
人們對于高性能頻譜分析儀的需求已經(jīng)早就不局限于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室或已知的可控環(huán)境中了。從寬泛的工業(yè)領(lǐng)域到非常專業(yè)的一些應(yīng)用領(lǐng)域,高端的頻譜分析儀都已經(jīng)變得是必需品,用以支持各種外場測試的遠(yuǎn)程控制部署。
通訊設(shè)施
全球無線設(shè)備和應(yīng)用的激增使得無線頻譜分配和管理面臨重大挑戰(zhàn),容量和帶寬的需求與日俱增,而同時(shí)設(shè)備和設(shè)備之間留的頻率間隔越來越小。隨著通信和商用無線系統(tǒng)越來越多樣和擁擠,想要取得成功,能監(jiān)控管理、解決問題并保護(hù)射頻頻譜的能力就顯得尤為重要。
要實(shí)現(xiàn)這些目的,可以用兩種不同的方案用來實(shí)現(xiàn)射頻頻譜分析和管理。第一種方案是靠外場工程師/技術(shù)員,去發(fā)現(xiàn)和分析信號以支持安裝,監(jiān)控和故障排查等。
第二種方案是在外場部署可遠(yuǎn)程控制的經(jīng)濟(jì)型信號檢測系統(tǒng),向控制中心回傳數(shù)據(jù)、分析和報(bào)警。在通信建設(shè)中,由于所需的設(shè)備數(shù)量多,所以這些檢測系統(tǒng)必須要足夠的經(jīng)濟(jì)性,并且必須設(shè)計(jì)成可以遠(yuǎn)程的完全控制,如重起,系統(tǒng)恢復(fù)和軟件升級,而不是需要專門有技術(shù)人員在外場支持。
質(zhì)量保證和客戶外場服務(wù)
使用頻譜資源的系統(tǒng)的增多,會(huì)對其他的無線應(yīng)用產(chǎn)生干擾,這將要求設(shè)備生產(chǎn)商、安裝商和服務(wù)人員在各種外場環(huán)境都需要有能力去發(fā)現(xiàn)、分析、診斷和修正信號問題或者干擾問題。而質(zhì)量工程師在進(jìn)行供應(yīng)商拜訪時(shí),如果需要自己去評估不同生產(chǎn)線產(chǎn)品的信號性能時(shí),便攜式頻譜儀就會(huì)顯得非常重要。
客戶服務(wù)和質(zhì)量保證部分也經(jīng)常需要將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程的從外場采集到集控中心,用以進(jìn)行額外的實(shí)時(shí)分析,或者將射頻數(shù)據(jù)記錄到外場計(jì)算機(jī)的硬盤方便后面進(jìn)行歸納或者系統(tǒng)級的趨勢分析。質(zhì)量保證或客戶服務(wù)中,網(wǎng)絡(luò)控制的能力并能集成外場分析儀和后端分析資源,這不僅對解決即時(shí)的問題很重要,而且對識別潛在的問題,避免大規(guī)模糾正措施造成的經(jīng)濟(jì)損失也非常重要。
政府、管理機(jī)構(gòu)和隱蔽的頻譜管理應(yīng)用
大多國家都會(huì)把無線頻譜資源視為國家財(cái)產(chǎn),事實(shí)上國際電信聯(lián)盟(ITU)法指出“ 每個(gè)政府有規(guī)劃其電信的主權(quán)”。政府負(fù)責(zé)分配、調(diào)整和監(jiān)控?zé)o線頻譜的使用;識別和解決干擾;不同頻譜資源使用者之間的調(diào)解;優(yōu)化可用頻譜的整體使用并協(xié)調(diào)同其他國家在邊界上的頻譜問題。
如今全球化并日益擁擠的無線環(huán)境,有效的政府頻譜管制對于國際性頻譜管理的成功尤為重要,但也是非常有難度的。政府需要有外場頻譜分析和遠(yuǎn)程控制部署的卓越能力,去捕獲違規(guī)信號,解決爭議,預(yù)見問題。
政府頻譜管制中包含一個(gè)重要的專門領(lǐng)域,就是部署一些隱蔽檢測點(diǎn)用以獲取外場的信號信息。對于這些應(yīng)用,頻譜分析系統(tǒng)需要在硬件上有遠(yuǎn)程控制的靈活性,整個(gè)系統(tǒng)需要很好的可擴(kuò)展性。根據(jù)部署方案,遠(yuǎn)程的隱蔽信號分析系統(tǒng)可能需要單獨(dú)的長時(shí)間運(yùn)行,并且對軟件根據(jù)每個(gè)獨(dú)特的環(huán)境而定義的參數(shù)給出響應(yīng)。例如,一個(gè)遠(yuǎn)程頻譜分析系統(tǒng)可能需要在某些特定頻點(diǎn)上做掃描去判斷信號,然后根據(jù)指定的條件去做射頻記錄或者數(shù)據(jù)采集。有些隱蔽檢測方案甚至需要遠(yuǎn)程控制軟件去識別一些相關(guān)的頻點(diǎn)、調(diào)制和/或信號活動(dòng),以觸發(fā)遠(yuǎn)程計(jì)算平臺的記錄或分析工作。
射頻數(shù)據(jù)采集和射頻數(shù)據(jù)記錄
以上所有應(yīng)用領(lǐng)域,連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和射頻數(shù)據(jù)記錄功能都非常重要。這里值得專門提起是因?yàn)楫?dāng)你考慮頻譜分析儀的可擴(kuò)展性時(shí),向硬盤實(shí)時(shí)采集射頻數(shù)據(jù)的功能就是一個(gè)非常重要的因素。根據(jù)頻譜的特性、所需采集或者記錄的數(shù)據(jù)大小,遠(yuǎn)程系統(tǒng)的配置將會(huì)需要完全不同的硬件性能。
實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)和數(shù)字化I/Q數(shù)據(jù)對頻譜儀來說是非常有挑戰(zhàn)的,遠(yuǎn)程系統(tǒng)需要有能力傳輸足夠高速率的數(shù)據(jù)以支持連續(xù)的采集。此外,需要在本地存儲的數(shù)據(jù)量會(huì)決定存儲器的大小和類型,連續(xù)將數(shù)據(jù)采集到控制中心的需求,將會(huì)影響遠(yuǎn)程計(jì)算以及網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范。接下來的部分我們會(huì)討論到,這種取決于應(yīng)用的硬件規(guī)范各式各樣,傳統(tǒng)的臺式頻譜儀很難適配這樣的情形。
三、傳統(tǒng)的臺式頻譜儀的局限性
昂貴&可擴(kuò)展性有限
傳統(tǒng)的臺式頻譜分析儀將用戶所需的所有功能設(shè)計(jì)在一個(gè)機(jī)箱內(nèi),這意味著這樣的頻譜儀集成了客戶定制的FPGA以及其他的支持功能部分如顯示器,CPU、內(nèi)存、數(shù)據(jù)存儲器和輸入/輸出接口等。帶來的結(jié)果就是這樣一套完整的頻譜分析儀通常都會(huì)在$15,000 到$40,000的價(jià)格。
除了價(jià)格昂貴之外,傳統(tǒng)臺式頻譜儀在硬件可擴(kuò)展性上也不好,一旦初始配置選定了,臺式頻譜儀系統(tǒng)通常就很難去再加存儲器、升級CPU、更改網(wǎng)絡(luò)接口或其他的硬件變更。
設(shè)計(jì)未迎合便攜性或應(yīng)用靈活性
傳統(tǒng)的高性能頻譜儀已經(jīng)逐漸演化成只在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用了,所以它們更適合在固定的地方配備,而不適合作為外場應(yīng)用。傳統(tǒng)的高端頻譜儀在典型的實(shí)驗(yàn)室和固定測試方案配置中,一般配有專用的計(jì)算機(jī)資源和專門的特殊軟件程序以優(yōu)化在控制設(shè)置內(nèi)的端到端流程。
如果用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,將所有的功能都設(shè)計(jì)在一個(gè)箱子里面并且能達(dá)到便攜和外場應(yīng)用的靈活性的話,那將在性能,特點(diǎn)和實(shí)用性上做折中考慮。比如,大多便攜式和手持式頻譜儀只有有限的預(yù)配置測量選項(xiàng),而非真正的可完全設(shè)置的頻譜分析系統(tǒng)。
此外,這些簡化版的傳統(tǒng)臺式分析儀缺少可配置性、網(wǎng)絡(luò)能力和軟件適應(yīng)性去支持外場分析和頻譜管理的動(dòng)態(tài)特性。這些弊端在做干擾診斷、頻譜資源規(guī)劃、射頻采集以及專門的隱蔽信號監(jiān)控應(yīng)用中就會(huì)顯得尤為突出。
通常按照傳統(tǒng)臺式頻譜儀的方案設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)還是比較貴的,而且缺少如今在外場分析中所需的性能和靈活性。
更糟糕的是,隨著外場頻譜管理需求的不斷變化和不停出現(xiàn)的新挑戰(zhàn),這些昂貴的功能固化的臺式頻譜儀就很有可能需要更換或者升級,去應(yīng)對新的通信協(xié)議和應(yīng)用需求。
四、Signal Hound:一個(gè)開放的射頻頻譜分析系統(tǒng)方案
建筑哲學(xué):優(yōu)化而非復(fù)制
在傳統(tǒng)臺式頻譜儀設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上,通過改變基礎(chǔ)設(shè)計(jì)架構(gòu)并做整體系統(tǒng)優(yōu)化,Signal Hound從根本上改變了高性能頻譜儀分析系統(tǒng)的高成本和靈活性。
USB3.0接口將一個(gè)小巧的高性能頻譜儀連接到主機(jī)上,通過靈活頻譜分析軟件,這套開放的解決方案使得整個(gè)系統(tǒng)可為專門的應(yīng)用做各種所需的優(yōu)化。
正如后面部分要討論的那樣,這使得所有的系統(tǒng)配置都會(huì)在性能,特點(diǎn)和成本上得到最大平衡,并且軟件、硬件都很容易升級以適應(yīng)新的需求,而不需要從新替換整個(gè)系統(tǒng)。
性能
對于任何頻譜儀的首先要求是可以處理所需的頻率范圍,分辨率帶寬,掃描速度和能完成測試或者分析任務(wù)的所需精度,這是必要條件。
第一代的BB60A在市場備受好評,現(xiàn)在Signal Hound BB系列進(jìn)入了第二代,在實(shí)際中的應(yīng)用也證明了BB系列完全勝任。新的BB60C產(chǎn)品比BB60A做的更好:SFDR典型值提高了20dB,拉平了全頻段噪底,提供了溫度擴(kuò)展型號(-40℃到+65℃),并將I/Q數(shù)據(jù)帶寬擴(kuò)展到從250KHz到27MHz可變。BB60C提供了27MHz的瞬時(shí)帶寬和24GHz/s的掃描速度。
通過75%的快速傅里葉變化(FFT)重疊,整個(gè)27M的瞬時(shí)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)無縫頻譜分析,這意味著每個(gè)數(shù)字采樣點(diǎn)將被包含在4次FFT中,這種工作模式下,只要信號幅度足夠,落在瞬時(shí)帶寬內(nèi)的任意短的信號都會(huì)被顯示出來。如果需要顯示最大幅度,這個(gè)信號必須能持續(xù)完成一次FFT,對于631KHz分辨率帶寬,這將需要4us,這樣即使1us的脈沖,幅度顯示上也就衰減2到3dB而已。
對于一些困難的外場頻譜分析應(yīng)用,比如間歇性的干擾搜索來說,這樣的系統(tǒng)就會(huì)是一個(gè)很好的選擇。傳統(tǒng)的頻譜儀只能顯示出落在RBW內(nèi)的干擾信號,使得識別和量化干擾非常困難。一個(gè)實(shí)時(shí)頻譜儀如BB60C,可以同時(shí)處理數(shù)以千種的分辨率帶寬,使得干擾搜索變得簡單。識別和分析跳頻的擴(kuò)頻信號對于傳統(tǒng)頻譜儀來說也是一個(gè)挑戰(zhàn),因?yàn)閭鹘y(tǒng)頻譜儀只能捕捉跳頻信號中的一小部分。BB60C能同時(shí)分析整個(gè)從902MHz到928MHz的ISM頻段,也能在約4ms內(nèi)完成從2400MHz到2475MHz的掃描,這將大大簡化跳頻信號的分析過程。這可從下面的BB60C接收到的藍(lán)牙信號圖中看出。
經(jīng)濟(jì)性
這套方案的第二個(gè)重要目標(biāo)就是提供一套經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)總體方案,以打破傳統(tǒng)臺式頻譜分析儀的價(jià)格障礙,從而為更多的外場應(yīng)用創(chuàng)造新的機(jī)會(huì),部署更經(jīng)濟(jì)性的遠(yuǎn)程方案。
將BB60C連上電腦,用電腦完成信號處理的功能,這種模塊化的方案消除了傳統(tǒng)頻譜儀里面的一大塊成本(和利潤)。傳統(tǒng)頻譜儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是依賴于儀器中定制的FPGA去完成信號處理的,這塊大大增加了成本。那些性能足以完成信號處理任務(wù)需求的FPGA每個(gè)需要$250-$1000的成本,而放在系統(tǒng)內(nèi)至少要增值400%,這將會(huì)使得臺式頻譜儀每臺增加$4000的價(jià)格。額外的硬件外設(shè)也會(huì)增加整體成本,比如顯示器,電源,處理器,鍵盤和內(nèi)部存儲器。在系統(tǒng)成本中,廠家還需要分?jǐn)偸炀欶PGA工程師們的高昂費(fèi)用,去開發(fā)、支持和升級信號處理算法。
所有這些因素使得傳統(tǒng)臺式頻譜儀的價(jià)格高達(dá)$15,000- $40,000的范圍,然而依然需要與計(jì)算機(jī)接口去實(shí)現(xiàn)和報(bào)告自動(dòng)測試任務(wù)。與此相反,Signal Hound的方案低于$3,000,包含了成熟的API和開源的頻譜分析軟件。只要用合適的Windows版的PC,安裝上應(yīng)用軟件,就是一套完整的方案用以部署。
可用性和便攜性
BB60C小巧的設(shè)計(jì)便于攜帶,凈重僅僅0.5kg,尺寸219mm x 81mm x 30mm。由于其通過USB3.0接口從電腦取電,也不需要額外的電源和電源線,極大的降低了空間和配件要求。
BB60C正是為靈活部署而設(shè)計(jì)的,典型的應(yīng)用場景可以將它和相連的PC放到一個(gè)IP67型(防水防塵)的機(jī)箱內(nèi),安裝到桿子上或屋檐下,也可將PC機(jī)和BB60C放到大廈的閣樓里、小空間、或配線箱里。如果是一個(gè)流動(dòng)的外場技術(shù)員使用,也可以將系統(tǒng)包裹到一個(gè)結(jié)實(shí)的公文包類的包裝中,方便很快地搭起系統(tǒng),在任何地點(diǎn)都可以使用,或簡單的把BB60C扎扣在電腦或者平板的背面。
連接
系統(tǒng)可以通過PC機(jī)的以太網(wǎng)口連接到網(wǎng)絡(luò)上或者后端資源,用以支持全范圍的通信,數(shù)據(jù)上傳、軟件更新和其他系統(tǒng)管理任務(wù)。給BB60C配任何一個(gè)帶有Intel vPro技術(shù)的計(jì)算機(jī),不管是高性能的臺式計(jì)算機(jī)還是緊湊的NUC,整個(gè)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理,包括開機(jī)和系統(tǒng)運(yùn)行。Intel的vPro技術(shù)讓以太網(wǎng)口一直上電,即使計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)了,這使得下面的功能可以通過網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行:
· 遠(yuǎn)程重啟計(jì)算機(jī)--開機(jī)或者關(guān)機(jī)
· 遠(yuǎn)程管理軟件升級(包括重啟操作)
· 計(jì)算機(jī)或者BB60C死機(jī)或鎖定時(shí)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)
擴(kuò)展性
Signal Hound方案中一個(gè)重要的改變格局的地方就是基于windows的開源頻譜分析軟件,這讓工程師能快速的使用起來BB60C的全部功能。
集成軟件支持傳統(tǒng)的控制方式,比如頻率掃寬、中心頻點(diǎn)、起始和截止頻率,分辨率帶寬,視頻帶寬,參考電平,可配置的跡線以及頻標(biāo)。利用OpenGL去平衡現(xiàn)代電腦的GPU加速功能從而豐富地顯示二維和三維的頻譜瀑布圖以及實(shí)時(shí)余輝模式,增加用戶體驗(yàn),讓信號識別變得更簡單。
成熟的API結(jié)合開源的標(biāo)準(zhǔn)頻譜分析軟件,讓用戶能很容易的開發(fā)自己的程序和頻譜儀一起實(shí)現(xiàn)想要的功能,從而可以讓客戶很方便的擴(kuò)展系統(tǒng)能力。詳細(xì)文檔描述的API是用C/C++寫的,可以觸發(fā)后記錄信號、實(shí)時(shí)分析和數(shù)據(jù)采集。編程者可以利用開源軟件來定制開發(fā)程序,也可以完全開發(fā)自己的程序。
五、實(shí)際應(yīng)用中的好處和例子
客戶體驗(yàn)反應(yīng)Signal Hound的模塊化方案主要在兩個(gè)方面有優(yōu)勢:1)降低成本和2)以前不可能達(dá)到的可擴(kuò)展能力。大多用戶都非常喜歡這兩個(gè)好處。
降低頻譜分析成本
對于很多公司來說,可以將每臺頻譜儀的成本降低5到10倍已經(jīng)是個(gè)充足的理由去做更換了。用$3K加上計(jì)算機(jī)的錢完成的一套系統(tǒng)對比一個(gè)$15-$40K的傳統(tǒng)臺式頻譜儀,資金付出和投資回報(bào)是非常引人注目的。事實(shí)上,有些公司已經(jīng)開始算這筆賬了,用同樣的資金支出只能買一臺傳統(tǒng)臺式頻譜儀,但是如果買BB60C則可以把他們的整個(gè)實(shí)驗(yàn)室或者產(chǎn)線地板上都鋪滿。作為回報(bào),他們將得到極高的投資回報(bào)率,和不會(huì)過時(shí)的產(chǎn)品,你可以通過升級軟件更新頻譜儀模塊,也可以在任何需要的時(shí)候更改計(jì)算機(jī)配置(硬盤大小,網(wǎng)絡(luò)接口速度等)。
對于遠(yuǎn)程部署方案,經(jīng)濟(jì)的成本使得在外場部署遠(yuǎn)程系統(tǒng)成為可能,傳統(tǒng)臺式頻譜儀的價(jià)格是阻止這種部署的直接原因。這意味著通訊服務(wù)商可以非常經(jīng)濟(jì)的將這種高性能的嵌入式頻譜管理系統(tǒng)放到他們的基礎(chǔ)設(shè)施中,從而消除技術(shù)員開工程車去外場檢測的成本和時(shí)間耽擱,而且同時(shí)提高服務(wù)的可靠性和客戶滿意度。
模塊外的擴(kuò)展性
這套新的開放式頻譜分析系統(tǒng)還在另一個(gè)方向打破了傳統(tǒng)方案,它能提供擴(kuò)展性很強(qiáng)的平臺以設(shè)計(jì)客戶量身定制的頻譜分析應(yīng)用。在自帶的基礎(chǔ)分析軟件的基礎(chǔ)上,一些特殊應(yīng)用的公司可以很容易地將其擴(kuò)展,滿足他們獨(dú)特的需求。由于API有詳盡的文檔,可用C/C++編程,因此熟悉行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件工程師都可以容易地設(shè)計(jì)、部署和維護(hù)何形式的定制功能。
可擴(kuò)展性在如今快速變化的無線通信領(lǐng)域是非常重要的,因?yàn)楝F(xiàn)在的公司部署的遠(yuǎn)程控制方案,需要日后很容易的去遠(yuǎn)程更新軟件以滿足新的需求。
軟件定制對于設(shè)計(jì)特殊的頻譜分析功能,像在外場部署隱蔽信號分析平臺和政府的頻譜監(jiān)控規(guī)劃系統(tǒng)這樣的應(yīng)用,也是很重要的一個(gè)考慮因素。在這些例子中,頻譜分析程序經(jīng)常需要用一些復(fù)雜的算法去發(fā)現(xiàn)、分析和“追捕”那些特殊的感興趣的信號,這就需要在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的軟件非常完善地和頻譜分析功能集成在一起。
六、寫在最后
如今全球分散的、多種多樣的信號管理需求已經(jīng)使得過去傳統(tǒng)型臺式頻譜儀難以勝任,頻譜管理應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室,并正在將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備拋在身后。這些應(yīng)用急需一個(gè)新的頻譜分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
正如Signal Hound BB系列所體現(xiàn)的優(yōu)勢,這個(gè)新的設(shè)計(jì)方案,優(yōu)化了前端的頻譜分析和射頻采集功能,可用標(biāo)準(zhǔn)Windows的PC機(jī)環(huán)境結(jié)合經(jīng)濟(jì)型的頻譜儀模塊,組合成一套非臺式機(jī)式完整的經(jīng)濟(jì)型解決方案。最終可以讓任何現(xiàn)有的頻譜管理應(yīng)用,只需花傳統(tǒng)頻譜儀分析方案中的很小的一部分成本,就能過渡到這套新的方案平臺。