航空航天和國防應用中的射頻干擾信號流化、分析與回放

理想狀態(tài)下，接收機將使用磚墻式濾波器，放大器和混頻器將永不失真，命令中心始終協(xié)調頻譜運行，“堵塞”是一個(gè)僅會(huì )在早餐和舉行音樂(lè )會(huì )時(shí)出現的術(shù)語(yǔ)。此時(shí)，干擾將會(huì )出現。

干擾分為有意干擾和無(wú)意干擾兩類(lèi)。無(wú)意干擾是射頻環(huán)境的一部分: 手機、無(wú)線(xiàn)鏈路、無(wú)繩電話(huà)、地面電視、醫療電子設備等都會(huì )產(chǎn)生無(wú)意干擾。有意干擾是專(zhuān)門(mén)創(chuàng )建的信號，目的是破壞目標接收機的運行。我們重點(diǎn)關(guān)注有意干擾，最終目標是抵制多余信號。建議的解決方案包括四步:
● 捕獲現場(chǎng)信號
● 在實(shí)驗室進(jìn)行分析
● 仿真并回放信號
● 開(kāi)發(fā)解決方案

由于此類(lèi)干擾都是間歇的瞬時(shí)信號，捕獲信號可能需要數秒、數分鐘或數小時(shí)的數據。為了確保完整的分析圖，捕獲數據必須是無(wú)間隙的連續信號。

應用安捷倫和 X-COM Systems 的商用現貨 (COTS) 硬件和軟件組件即可實(shí)現上述目標。該系統可加快篩選和深入分析 TB 級數據的速度，并且能夠在捕獲、分析、仿真和回放整個(gè)流程中保持最初的信號保真度。所有組件均為商用現貨產(chǎn)品，因此該解決方案能夠提供可追蹤的性能，可以輕松針對傳統應用重新部署。

問(wèn)題

通常，發(fā)射有意干擾具有明確的目的: 中斷通信、阻塞雷達系統、欺騙或破壞目標接收機。此類(lèi)干擾屬于間歇或瞬時(shí)信號，通常很難發(fā)現或確定來(lái)源。

在此情形下，我們需要捕獲和分析包含干擾信號的整個(gè)頻譜數據集合。這需要采集數秒、數分鐘乃至數小時(shí)的頻譜數據，并將占用幾GB 乃至幾 TB 的磁盤(pán)空間。

大多數情況下， 存儲容量可能是最容易解決的問(wèn)題，連續采集高保真數據的難度更大。捕獲并存儲海量無(wú)間隙數據后，接下來(lái)的挑戰是如何篩選出一個(gè)或多個(gè)干擾事件。提取每個(gè)事件有用的信號信息— 時(shí)域、頻域和調制域，我們可以獲得深入的分析。

解決方案

解決方案的設計理念是“捕獲干擾即信息”。提取信號信息的速度越快、精度越高，您就能更好地理解干擾信號對目標系統的影響，進(jìn)而更快地制定和部署應對措施。

此解決方案的方框圖如圖 1 所示。如上所述，該系統可以執行捕獲、分析、仿真和回放等重要步驟。

圖 1. 將捕獲的干擾數據轉換為有用信息的系統方框圖流程

信號捕獲和分析

信號捕獲和分析使用三個(gè)硬件元件: 信號分析儀、數據記錄儀和外部數據包。如圖 2 左側和中間圖片所示。

Agilent X 系列信號分析儀:圖中顯示的 PXA 是安捷倫旗艦級信號分析儀產(chǎn)品。取決于性能要求，用戶(hù)也可使用 MXA 或 EXA。使用 X 系列分析儀作為前端下變頻器和中頻數字化儀可以從開(kāi)始即確保最高的信號保真度。

X-COM IQC-2110 數據記錄器:輸入記錄器的是信號分析儀的數字 I/Q樣本流。IQC-2110 對 I/Q 數據進(jìn)行格式化，使用外部標記事件為其添加標簽，并添加時(shí)間和 GPS 標識，然后發(fā)送至數據包。

X-COM 數據包:該設備可采用 2、4、8、12 或 16 TB 的容量配置。

結合解決方案中的軟件組件，您可以執行不同的后期處理活動(dòng)。

X-COM Spectro-X 信號分析軟件: 主要功能包括預處理大型數據集和定位可疑信號。Spectro-X 包含搜索引擎， 可以識別和“ 標記”(fingerprint) 波形，并具有“剪切和保存”功能，支持在 89600 矢量信號分析 (VSA) 軟件中回放信號。

Agilent 89600 VSA 軟件: 安捷倫業(yè)界領(lǐng)先的信號分析 (VSA) 軟件提供多個(gè)觀(guān)測復雜信號的方法，內置功能支持超過(guò) 70 類(lèi)標準和信號，可實(shí)現比特級調制分析。

圖 2. COTS 硬件和軟件組合能夠確保高保真捕獲、分析、仿真和回放

信號仿真和回放

該系統包括信號生成軟件、基帶發(fā)生器和矢量信號發(fā)生器，用于信號仿真和回放。如圖 2 中底部和右側圖片所示。
X-COM 射頻編輯器: 該軟件可用于創(chuàng )建包含記錄文件的信號情景。該軟件的功能包括波形剪切、縫合、轉換、過(guò)濾和循環(huán)。生成的波形可下載至 CPG-2110 進(jìn)行回放。

X-COM CPG-2110 連續回放發(fā)生器: 該基帶發(fā)生器用于驅動(dòng)矢量信號發(fā)生器的 I 和 Q 調制輸入。安捷倫矢量信號發(fā)生器: 示例型號包括 PSG、EXG 和新型 MXG。矢量信號發(fā)生器對 I/Q 調制進(jìn)行上變頻轉換，并作為空中信號源。

結果: 信號捕獲和分析

圖 3. 直觀(guān)觀(guān)察捕獲的頻譜數據, 發(fā)現四個(gè)需要關(guān)注的區域。

下面我們通過(guò)實(shí)際干擾案例簡(jiǎn)要介紹該解決方案的功能。首先，使用 PXA 信號分析儀采集數據，并將 40 MHz 寬的捕獲數據流化，輸入IQC-2110 記錄器和 2-TB 數據包。持續無(wú)隙捕獲數據 10 分鐘，生成 120 GB的數據。

干擾信息

使用 Spectro-X 可直觀(guān)查看捕獲的數據，以尋找需要關(guān)注的干擾信號。全部 600 秒捕獲數據的幅度/時(shí)間測量概覽圖顯示有四個(gè)不同時(shí)間段可能存在我們需要關(guān)注的活動(dòng)(圖 3)。

快速分析約 400 秒至 500 秒時(shí)段可知信號為 802.11b Wi-Fi 傳輸信號。此外，Spectro-X 的搜索工具發(fā)現其余三個(gè)包含大量活動(dòng)的時(shí)段: 50 秒至 140 秒、230 秒至 350 秒和 510 秒至540 秒。頻域分析提供以下信息:
● 時(shí)段 1: 約 50 秒至 140 秒，共包括137000 個(gè)載波信號。
● 時(shí)段 2: 在一臺 IEEE 802.11g 發(fā)射機運行的約 230 秒至 350 秒之間，概圖清晰顯示存在未知信號。未知信號持續約五秒時(shí)間。
● 時(shí)段 3: 約 510 秒至 540 秒，有 20000個(gè)任意載波信號。

圖 4. 在頻譜圖 (上圖) 中, 疑似干擾信號侵入了有序載波信號。

如圖 4 所示，關(guān)注時(shí)段 2 頻譜圖和持續頻譜格式的視圖。頻譜圖 (上圖) 顯示，有序載波信號頻譜中插入了兩個(gè)猝發(fā)干擾。

Spectro-X 的“標準搜索”功能可用于識別有序載波 (本例中載波確認為 802.11g 信號)。如圖 5 所示，搜索參數包括置信限制 (本例中設為 40%)、可選標準類(lèi)型 (此處設為802.11a/g) 以及關(guān)注的捕獲數據時(shí)間范圍 (設為 250 秒至 300 秒)。

置信限制可以幫助確定與理想無(wú)線(xiàn)標準相似的信號。置信值與理想無(wú)線(xiàn)標準信號有關(guān)，用于定義參考信號和捕獲信號之間需要的關(guān)聯(lián)度。該數值小于 100%，可以反映干擾信號影響目標信號的嚴重程度。

在本例中，搜索發(fā)現了超過(guò) 92000個(gè)與 802.11g 參考信號相似的信號。

同預期一致，出現嚴重衰減的區域正是出現干擾信號的區域: 如圖6 所示，關(guān)聯(lián)度從 80% 以上降至 50%以下。

圖 5. 利用“標準搜索”對話(huà)框選擇參數, 例如可選無(wú)線(xiàn)
標準和需要的關(guān)聯(lián)度

圖 6. 搜索結果概覽顯示高置信度和低置信度區域

使用頻譜圖顯示查看所有關(guān)聯(lián)度較低的區域 (圖 7)，這樣可以準確找到干擾信號出現的五秒時(shí)段。
接下來(lái)，我們將相關(guān)的 I/Q 數據導出到 89600 VSA 軟件進(jìn)行詳細分析。在干擾信號出現之前，多項關(guān)鍵指標顯示調制質(zhì)量良好 (參見(jiàn)圖8)。干擾信號對調制質(zhì)量產(chǎn)生了重大影響: 干擾信號對傳輸的干擾完全擾亂了信號導頻和凈荷載波 (圖 9)。

案例背景

上述案例發(fā)生在一個(gè)網(wǎng)吧中。案例中的無(wú)意干擾來(lái)自一臺微波爐:員工每次加熱油酥餅或三明治時(shí)，它就會(huì )破壞 Wi-Fi 連通性。盡管本例是一個(gè)相對簡(jiǎn)單的情景，但建議的步驟適用于其他包含干擾的情景: 例如無(wú)線(xiàn)通信、遙測鏈路、飛行區間運行、信號情報(SIGINT)、信號互操作性等。該流程也適用于三種最常見(jiàn)的使用情景: 記錄威脅并在實(shí)驗室回放、在實(shí)驗室記錄并在實(shí)驗室回放、在實(shí)驗室創(chuàng )建并在現場(chǎng)回放。

圖 7. Spectro-X 60-μs (從頂部至底部) 的頻譜圖顯示干擾擾亂了
802.11g 信號的參考序列 (3-11 μs) 和凈荷 (11 μs 及以上)。

圖 8.干擾信號出現之前: OFDM 星座圖 (左上角)、EVM 圖 (右上角) 和
頻譜圖 (左下角) 均顯示正常。

圖 9. 干擾信號出現后: OFDM 星座圖 (左上角)完全散亂, EVM 圖
(右上角) 出現異常, 頻譜圖 (左下角) 出現大的尖峰。

結論

各類(lèi)干擾都可能影響關(guān)鍵國防系統。擁有射頻診斷工具對設計人員至關(guān)重要，這可以幫助他們發(fā)現電磁頻譜中的真實(shí)情況。為了開(kāi)發(fā)成功的干擾抑制戰略和解決方案，提取有用的射頻診斷信息是第一步。

如前所述，安捷倫和 X-COM 通力合作，推出了性能出眾的測量與分析系統，可以確保在廣泛頻率范圍和長(cháng)時(shí)間無(wú)間隙數據捕獲中保持高信號保真度。捕獲信號后，我們可以搜索信號以尋找特定干擾類(lèi)型，并展開(kāi)詳細分析。我們還可以應用軟件處理信號，以仿真其他干擾情景。此外，重新播放完整的干擾記錄可用于仿真電磁環(huán)境 (EME) 和測試互操作性。