射頻流盤(pán)在信號監測中的應用

隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)的發(fā)展、數據總線(xiàn)帶寬和存儲介質(zhì)讀取速度的提高，目前有越來(lái)越多的技術(shù)手段可以將一段頻譜信息實(shí)時(shí)、無(wú)失真、連續的的記錄下來(lái)，通常稱(chēng)作射頻流盤(pán)(RF Streaming)。監測人員可以采用頻譜分析、數字信號處理、統計分析、解調、解碼等方法對記錄信號進(jìn)行后分析，也可以模擬現場(chǎng)電磁環(huán)境把記錄信號用信號源重新發(fā)射出來(lái)。

本文詳細介紹射頻流盤(pán)的概念和系統結構，討論射頻流盤(pán)在監測領(lǐng)域的部分應用，分析選擇流盤(pán)系統時(shí)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(pán)和分析方案。

1、什么是射頻流盤(pán)

流盤(pán)是將儀器設備采集或處理后的數據實(shí)時(shí)、連續的傳輸到存儲設備記錄。數據采集前端是傳感器、數據采集器或者頻譜分析儀等測試儀表。采集和記錄的數據是實(shí)時(shí)采樣點(diǎn)或者經(jīng)過(guò)處理的IQ數據。兩種記錄數據區別如表1所示：

表1、實(shí)時(shí)采樣點(diǎn)和IQ數據區別

從上表可以看出，實(shí)時(shí)采樣點(diǎn)適合記錄基帶和低速信號，IQ樣本點(diǎn)適合記錄有載波調制的射頻信號。去除載波的IQ數據，既有利于壓縮數據量減少存儲樣本，又有利于后期信號分析和回放。射頻流盤(pán)和回放系統通常記錄IQ數據，系統結構如圖1所示：

圖1、射頻流盤(pán)系統結構

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、數據采集和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(zhì)量，又有利于系統維護。信號分析儀輸出的IQ數據通常是12位或者14位ADC的采樣結果，不能直接寫(xiě)入磁盤(pán)陣列(RAID)，需要通過(guò)FPGA組成的控制電路實(shí)現信號變換、同步和路由，然后通過(guò)RAID控制器接口寫(xiě)入磁盤(pán)陣列。記錄的頻譜數據可以通過(guò)相反的過(guò)程，由信號源重新發(fā)射出來(lái)，或者復制到工作站后使用專(zhuān)用的軟件回放分析。

2、射頻流盤(pán)在監測領(lǐng)域的應用討論

射頻流盤(pán)擴展了信號監測和分析的方法。傳統的掃頻、步進(jìn)FFT監測接收機僅能實(shí)時(shí)監測和記錄少量處理后的結果，后期能分析的數據和方法非常少。而射頻流盤(pán)能夠監測和保存所有中頻電路數字化后的信息，不僅可以復現當時(shí)的監測結果，還支持解調、解碼、搜索、相關(guān)、統計等方法對長(cháng)時(shí)間頻譜信息進(jìn)行不同維度的分析。射頻流盤(pán)在信號監測領(lǐng)域的應用包括：

2.1、信號記錄和舉證

對于監測接收機和頻譜儀測量的信號，監測人員通常利用經(jīng)驗來(lái)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(luò )(trace)或頻譜截圖(screen)。但是符合相似頻譜包絡(luò )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(pán)記錄了射頻信號數字化后的所有信息，不僅可以從頻域上復現和分析干擾信號，配合解調、解碼等技術(shù)手段，還可以分析出干擾信號發(fā)射參數、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(shù)手段對模擬信號進(jìn)行偵聽(tīng)。但是由于調制方式復雜多樣、信源和信道編碼、加密等原因，數字信號很難被偵聽(tīng)。射頻流盤(pán)開(kāi)辟了監測信號后分析的應用。無(wú)線(xiàn)電監測人員可以使用各種信號分析軟件對流盤(pán)數據進(jìn)行解調、解碼分析的嘗試，也可以把記錄內容轉給專(zhuān)業(yè)單位對信息進(jìn)行解析。

以記錄的未知數字調制信號為例，使用矢量信號分析軟件(Vector Signal Analyzer)，自動(dòng)或者手動(dòng)設置調制方式、符號速率、濾波器等參數，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、數字信號處理分析

射頻流盤(pán)記錄的IQ數據支持Matlab、VSA等數字信號處理軟件進(jìn)行分析?？梢栽陬l域上對記錄信號重新進(jìn)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，以及增加數字濾波器。也可以使用短時(shí)傅里葉變換、時(shí)頻分析、小波變換等能表征時(shí)域和頻域信息的方法對信號進(jìn)行分析。

2.4、信號統計分析

對于頻譜利用率、信號出現概率和頻次、信號相關(guān)性、時(shí)分信號周期等需要長(cháng)時(shí)間觀(guān)測和計算的統計信息，監測接收機和頻譜儀無(wú)法直接測量，使用掃頻記錄的信號包絡(luò )進(jìn)行分析也有很大的測量誤差。借助射頻流盤(pán)專(zhuān)用的回放、搜索、統計分析軟件和Matlab等工具，可以準確的解決信號時(shí)域和統計分析問(wèn)題。

3、選擇射頻流盤(pán)系統時(shí)需要考慮的因素

射頻流盤(pán)是一套系統，包含射頻變換器、數據采集器、數據記錄儀、數據回放和分析軟件等。選擇射頻流盤(pán)系統需要考慮的因素主要包括：

3.1、記錄信號質(zhì)量

為保證對記錄信號進(jìn)行準確的分析以及解調、解碼，射頻流盤(pán)記錄信號的質(zhì)量至關(guān)重要。記錄信號質(zhì)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(xiàn)性相移需要經(jīng)過(guò)校準，以保證信號下變頻過(guò)程中不失真。中頻電路主要包括信號調理、數模變換器(ADC)和IQ解調器。目前流盤(pán)系統的ADC通常是12bit或14bit，ADC的采樣位數越高，量化誤差和量化噪聲越小，系統動(dòng)態(tài)范圍越大。無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR，Spurious Free Dynamic Range)是衡量?jì)刹糠蛛娐肪C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(pán)系統在200MHz記錄帶寬內SFDR通常>75dBc。

3.2、頻率范圍和帶寬

射頻流盤(pán)系統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(pán)的帶寬與ADC的性能、數據總線(xiàn)帶寬、磁盤(pán)陣列讀寫(xiě)速度等相關(guān)。目前最大記錄帶寬超過(guò)100MHz方案在市面上有多款可供選擇。

3.3、記錄時(shí)間

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

射頻流盤(pán)可以設置頻譜模板觸發(fā)、環(huán)境電平觸發(fā)、時(shí)間限定電平觸發(fā)、數據幀觸發(fā)等觸發(fā)條件開(kāi)啟，從而只記錄感興趣的信號，減少數據量。

3.4、附屬信息

射頻流盤(pán)除了記錄頻段IQ數據，還可以記錄GPS位置和時(shí)間、Marker、系統配置等信息，后續的分析中可以調用這些附屬信息進(jìn)行地圖映射、信號歸類(lèi)、統計處理等工作。

3.5、數據回放和分析軟件

對流盤(pán)記錄數據的分析為監測工作提供更多有價(jià)值的信息。首先要求記錄數據格式開(kāi)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(pán)方案需要提供軟件工具對記錄數據進(jìn)行回放、搜索、截取保存等操作。

4、是德科技射頻流盤(pán)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是目前高性能射頻流盤(pán)系統的典型代表。整套系統不僅硬件指標出色，而且配套的Spectro-X、89601B信號回放分析軟件功能強大。系統射頻前端是N9040B高性能信號分析儀，分析帶寬(1GHz)、實(shí)時(shí)頻譜帶寬(510MHz)、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(78dBc)、相位噪聲等指標在行業(yè)內全面領(lǐng)先。IQC5000B信號記錄儀在國外信號監測、國防和安全領(lǐng)域有廣泛的應用，部分指標如表2所示：

表2、IQC5000B射頻流盤(pán)記錄設備指標

系統硬件設備如下圖2所示，整套系統連接配置簡(jiǎn)單，流盤(pán)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(wú)需外部控制電腦。流盤(pán)記錄數據通過(guò)PCIe Gen 2總線(xiàn)傳輸到N9040B或外部工作站進(jìn)行分析。

圖2、N9040B +IQC5000B射頻流盤(pán)系統

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(luò )、瀑布圖的回放分析，以及信號搜索、截取和部分數字信號處理功能。IQC5000B記錄數據格式為.xdat文件，提供Matlab接口函數類(lèi)。圖3是使用Matlab對IQC5000B記錄頻譜進(jìn)行時(shí)頻分析的結果繪圖。

圖3、xdat數據時(shí)頻分析繪圖

5、總結

射頻流盤(pán)擴展了信號監測和分析的技術(shù)手段。與寬帶實(shí)時(shí)頻譜功能配合，射頻流盤(pán)非常適合記錄分析瞬變和跳變干擾，統計信號周期和持續時(shí)間等信息。某些干擾信號，信號監測現場(chǎng)可能沒(méi)有處理手段或處理能力進(jìn)行分析，采用射頻流盤(pán)的方式可以對信號進(jìn)行事后分析、解調解碼等工作。射頻流盤(pán)作為新的技術(shù)工具，在信號監測工作中還有很多應用值得深入探索和研究。