基于Agilent E3238/6820E的無線電頻譜監(jiān)測系統(tǒng)

邵 凌，鄧江安

（中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

0 引言

近年來由于通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種通信新體制、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，通信信號具有形式多樣、快速、多變，無規(guī)律，軍用民用信號混雜，信號強(qiáng)度高低參差不齊等多重特點(diǎn)，導(dǎo)致對環(huán)境信號的探測和復(fù)雜信號的處理非常困難。當(dāng)前的無線電監(jiān)測設(shè)備往往功能單一，當(dāng)工作的頻段不同，調(diào)制方式不同，波形結(jié)構(gòu)不同，通信協(xié)議不同，數(shù)字信息的編碼方式、加密方式不同時(shí)，就無法滿足監(jiān)測任務(wù)。研究開發(fā)一種工作頻段寬、波形適應(yīng)能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性好，既能適應(yīng)通信信號，又能適應(yīng)衛(wèi)星地球站及雷達(dá)信號，還能適應(yīng)導(dǎo)航信號的多功能設(shè)備系統(tǒng)是無線電頻譜管理的必然要求?；谲浖o線電技術(shù)的Agilent E3238/6820E頻譜監(jiān)測設(shè)備具備可重構(gòu)性、靈活性和模塊化等特點(diǎn)，提供了解決這一問題的最佳途徑。

1 軟件無線電簡要介紹

由于計(jì)算機(jī)與數(shù)字信號處理技術(shù)的高度發(fā)展和軍事通信的迫切需要，在無線通信領(lǐng)域產(chǎn)生了一種突破性的新技術(shù)——軟件無線電。近些年來，軟件無線電已成為人們研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

軟件無線電的概念是由MITRE公司的資深科學(xué)家——Jeo Mitola在1992年5月的美國電信會議上首次明確提出的[1，2]?！败浖o線電”是側(cè)重形容一種嶄新的實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的概念，是數(shù)字無線電技術(shù)的高級形式和抽象化;集無線電臺和計(jì)算機(jī)于一體，采用標(biāo)準(zhǔn)的開放式總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì);具有可編程功能、重組能力，實(shí)現(xiàn)多信道、多模式工作;使用寬帶智能天線，具有多頻段射頻變換能力;能在不同無線信道之間、各種網(wǎng)絡(luò)之間用作無線網(wǎng)關(guān)，并可靈活地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)功能;適應(yīng)不同無線電環(huán)境，具有傳輸安全和信息保密性。

軟件無線電，概括起來就是兩個(gè)盡可能:盡可能地將寬帶模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器靠近天線;盡可能地通過可編程的DSP器件，用軟件來實(shí)現(xiàn)電臺的各種功能。軟件無線電的基本思想就是將硬件作為其通用的基本平臺，把盡可能多的無線及個(gè)人通信的功能用軟件來實(shí)現(xiàn)，從而將無線通信新系統(tǒng)、新產(chǎn)品的開發(fā)逐步轉(zhuǎn)移到軟件上來[2]。其最終目的是使通信系統(tǒng)擺脫硬件布線結(jié)構(gòu)的束縛，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對通用和穩(wěn)定的情況下，通過軟件來實(shí)現(xiàn)各種功能，使得系統(tǒng)的改進(jìn)和升級都非常方便、代價(jià)小，同時(shí)不同系統(tǒng)間很容易互連與兼容[3－5]。

軟件無線電采用一種基于寬帶A/D、D/A器件、高速DSP芯片、以軟件為核心的嶄新體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示[6－8]。

圖1 軟件無線電體系結(jié)構(gòu)

其主要特點(diǎn)是:

①軟件無線電在射頻或中頻對接收信號進(jìn)行數(shù)字化，通過軟件編程靈活方便地實(shí)現(xiàn)各種寬帶數(shù)字濾波、直接數(shù)字頻率合成、數(shù)字下變頻、調(diào)制解調(diào)、差錯(cuò)編碼、信道均衡、信令控制、信源編碼及加密解密等功能;

②軟件無線電的高度可編程性和結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和開放性，使新業(yè)務(wù)、新技術(shù)的引入十分方便、經(jīng)濟(jì)，往往只需更新版本、加載新的軟件模塊或個(gè)別硬件模塊即可實(shí)現(xiàn)。因此，軟件無線電具有高度靈活性和很好的適應(yīng)性，具有較長的生命周期[9，10]。

將軟件無線電應(yīng)用于無線電監(jiān)測系統(tǒng)中，利用軟件無線電的平臺通用性及靈活性使無線電監(jiān)測系統(tǒng)能適應(yīng)多種標(biāo)準(zhǔn)，并易于升級，適應(yīng)新的標(biāo)準(zhǔn)，大大增強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)的使用范圍。當(dāng)前由于管理體制和采購方式等方面的原因，各單位因?yàn)楣ぷ鱾?cè)重點(diǎn)的不同，購置設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在差異，資源無法有效整合，形成一個(gè)個(gè)“煙囪”，使用軟件無線電可有效解決此問題。

2 Agilent E3238/6820E頻譜監(jiān)測設(shè)備介紹

Agilent E3238/6820E是基于軟件無線電的信號監(jiān)測系統(tǒng)，它是一個(gè)全數(shù)字化的射頻信號監(jiān)測、分析、處理和記錄系統(tǒng)（或稱全綜合系統(tǒng)），也是一部真正意義的軟件接收機(jī)。

2.1 Agilent E3238/6820E系統(tǒng)的功能原理

E3238/6820E系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的監(jiān)測接收系統(tǒng)有很大不同E3238/6820E系統(tǒng)的硬件部分采用可按用戶需求組合設(shè)置的“模塊”式結(jié)構(gòu)，但硬件部分根據(jù)用戶需求有“最小”配置的“入門”級別要求。如圖2所示E3238/6820E系統(tǒng)的硬件部分主要由調(diào)節(jié)器（如E2730B）與ADC（即模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如E1439D）組合（Agilent定義為模塊組合）、DSP處理器（如9821A）以及VXI主機(jī)箱（如E8408A）等要件模塊構(gòu)成。

圖2 E3238/6820E系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.1.1 調(diào)節(jié)器

調(diào)節(jié)器主要完成射頻轉(zhuǎn)換部分的功能，其主要任務(wù)是接收預(yù)放大（功率放大）、RF信號與IF信號之間的變換。目前Agilent提供的選件為:監(jiān)測VHF、UHF信號可選E2730B或E2731B，其中E2730B提供覆蓋20～2700MHz頻帶，E2731B提供覆蓋20～6000MHz頻帶。也可選用帶FY7或H70選件的E4440A（PSA）監(jiān)測HF/μWave信號。上述選件在系統(tǒng)中起到射頻放大和轉(zhuǎn)換的作用，E3238/6820E系統(tǒng)射頻轉(zhuǎn)換模塊與下續(xù)的ADC模塊形成組合配置，并為ADC模塊提供36MHz帶寬信號。

2.1.2 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器承擔(dān)對調(diào)節(jié)器提供的基帶信號進(jìn)行實(shí)時(shí)A/D轉(zhuǎn)換（即模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換）。3238/6820E系統(tǒng)將調(diào)節(jié)器與ADC模塊定義為組合關(guān)系說ADC模塊是系統(tǒng)必備的選件。Agilent提供的ADC模塊選件為E1439D，該模塊可直接對36MHz帶寬進(jìn)行高速A/D轉(zhuǎn)換，并通過兩條FPDP光纖線纜與后續(xù)的DSP模塊相連接。E1439D ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊具備較高的采樣率與分辨率，以便在恢復(fù)時(shí)降低失真。除此之外，E1439D還具備大的線性動(dòng)態(tài)范圍，以減少互調(diào)失真，使接收的弱信號在強(qiáng)干擾信號中仍能被檢測出來。

2.1.3 DSP 模塊

眾所周知，無線電技術(shù)的實(shí)質(zhì)是算法技術(shù)，無論是工程還是技術(shù)過程中都始終充斥著各類算法、計(jì)算和模型變換。以往由于數(shù)值電路和工藝的限制，數(shù)字電路的工作速率遠(yuǎn)不及無線電技術(shù)涉及的基帶頻率和相應(yīng)的射頻電路頻率。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，特別是高速DSP技術(shù)和高速ADC技術(shù)的發(fā)展，為無線電技術(shù)內(nèi)涵的算法技術(shù)和數(shù)值計(jì)算處理技術(shù)，提供了遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)模擬技術(shù)的支撐平臺。應(yīng)用DSP技術(shù)不僅可改善無線電系統(tǒng)的性能，打破不同體制的局限，還可最大限度地改善無線電系統(tǒng)的一致性和可重復(fù)性，最大程度地克服傳統(tǒng)系統(tǒng)的不確定性[3]。

DSP技術(shù)是無線電技術(shù)內(nèi)涵中的算法技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的程序算法的結(jié)合點(diǎn)。利用DSP可以高速、接近實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)無線電電路技術(shù)（含各類基帶、不同頻率和不同形式的信號）各種功能，許多需要復(fù)雜電路甚至難以實(shí)現(xiàn)的功能都可通過DSP實(shí)現(xiàn)。因此，DSP技術(shù)是軟件無線電技術(shù)的核心技術(shù)和基本平臺[4]。

E3238/6820E系統(tǒng)采用E9821A DSP模塊，負(fù)責(zé)對ADC模塊提供的數(shù)字信號進(jìn)行處理和后續(xù)傳遞。Agilent在E3238/6820E系統(tǒng)中采用了并行DSP處理技術(shù)，用戶最多可選裝高達(dá)4個(gè)E9821A DSP模塊，每個(gè)DSP模塊有4個(gè)位置可選配連接多達(dá)3個(gè)雙G4處理器或3個(gè)多通道數(shù)字下變頻器（DDC）組合?？捎纱双@得更高的處理能力和更多的信號通道。通過使用兩個(gè)E9821A DSP模塊，還可創(chuàng)建延遲存儲器，以擴(kuò)展系統(tǒng)功能。在DSP內(nèi)可完成判斷閥限、高速分辨和判別等功能。

由于ADC模塊形成的數(shù)據(jù)流的速率很高，且考慮到使用環(huán)境和連接方便，ADC模塊與DSP模塊間的數(shù)據(jù)傳遞采用光連接方式。

2.1.4 VXI總線系統(tǒng)

E3238/6820E系統(tǒng)采用VXI總線系統(tǒng)作為系統(tǒng)機(jī)械和電氣的連接支撐平臺。VXI總線系統(tǒng)或者其子系統(tǒng)由一個(gè)VXIbus主機(jī)箱、若干VXIbus器件、一個(gè)VXIbus資源管理器和主控制器組成，零槽模塊完成系統(tǒng)背板管理，包括提供時(shí)鐘源和背板總線仲裁等，也可以同時(shí)具有其他的儀器功能。資源管理器在系統(tǒng)上電或者復(fù)位時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行配置，以使系統(tǒng)用戶能夠從一個(gè)確定的狀態(tài)開始系統(tǒng)操作。在系統(tǒng)正常工作后，資源管理器就不再起作用。主機(jī)箱容納VXIbus儀器，并為其提供通信背板、供電和冷卻等。

VXIbus規(guī)范是一個(gè)開放的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，其主要目標(biāo)是使VXIbus器件之間、VXIbus器件與其他標(biāo)準(zhǔn)的器件（如計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)終端）之間能夠以明確的方式開放地通信，使系統(tǒng)體積更小;通過使用高帶寬的吞吐量，為開發(fā)者提供高性能的測試設(shè)備采用通用的接口來實(shí)現(xiàn)相似的儀器功能，達(dá)到使系統(tǒng)集成軟件成本進(jìn)一步降低的目的[5]。

2.2 Agilent E3238/6820E信號監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)

Agilent E3238/6820E系統(tǒng)充分運(yùn)用了軟件無線電技術(shù)。與模擬接收機(jī)和一般數(shù)字接收機(jī)相比濾波器的種類和數(shù)量不受限制，可隨用戶需要而設(shè)置;解調(diào)器完全是軟件定義的，利用優(yōu)化濾波和積分解調(diào)技術(shù)在接收機(jī)內(nèi)的DSP上實(shí)現(xiàn)，升級換代容易，并且具有很強(qiáng)的信號解調(diào)和識別能力。具體特點(diǎn)如下:

①覆蓋頻帶寬。該系統(tǒng)通過不同的前端選件可覆蓋HF、VHF/UHF至微波頻段。

②超寬帶超高速全數(shù)字掃描。該系統(tǒng)E1439D數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）選件可對36MHz帶寬實(shí)現(xiàn)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此最大限度地減少了掃描重復(fù)時(shí)間，最高掃描速度達(dá)10GHz/s。

③掃描參數(shù)重復(fù)性和一致性好（遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)掃描方式），這是得益于寬頻帶 ADC和DSP技術(shù)應(yīng)用。

④可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)超寬頻帶全景射頻顯示、分析可最大概率地發(fā)現(xiàn)未知發(fā)射源。

⑤接收靈敏度、均衡性和線形程度好。

取證過程中的“全過程”錄音錄像促進(jìn)了監(jiān)察機(jī)關(guān)的工作順利開展，對錄音和錄像的擇選，以及未按要求錄音錄像的都要進(jìn)行科學(xué)合理的處置，同時(shí)，對錄音錄像的保管、移送、調(diào)取與播放都要進(jìn)行一定的規(guī)制。

⑥末端處理功能強(qiáng)。具備時(shí)間快照及基帶重放功能。

⑦在36MHz掃描間隔內(nèi)的任意位置可同時(shí)記錄350 kHz的窄帶信號。配置E9821A模塊后，每個(gè)模塊可提供96個(gè)NBR記錄通道（用戶可配置多個(gè)E9821A模塊）。

⑧信號調(diào)制方式自動(dòng)模式識別?？勺詣?dòng)判定已有的多種調(diào)制方式，并提供相應(yīng)的眼圖顯示。

⑨可多站聯(lián)網(wǎng)并高速完成準(zhǔn)確的信號分析定位。

⑩設(shè)備要求相對簡單。一般臺式PC或便攜PC即可，對系統(tǒng)軟件無特殊要求。

E3238/6820E系統(tǒng)充分發(fā)揮軟件無線電可重構(gòu)性、靈活性和模塊化的特點(diǎn)，在軟件和硬件兩方面都支持系統(tǒng)重構(gòu)，將系統(tǒng)的各個(gè)功能任務(wù)分解為相互獨(dú)立的軟件和硬件模塊，這些模塊通過接口以邏輯的方式連接起來形成所需要的系統(tǒng)功能，通過改變所運(yùn)行的軟件來重新定義系統(tǒng)功能，提供開放的接口，支持今后的新技術(shù)和新功能。

3 在無線頻譜監(jiān)測中的應(yīng)用

利用Agilent E3238/6820E的特點(diǎn)，進(jìn)行多站聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建無線電監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由中心控制站和若干分布于各地的遠(yuǎn)端監(jiān)測站組成，如圖3所示，中心控制端用于對各個(gè)監(jiān)測站的管理與控制，同時(shí)收集、整理以及更新各種數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)端監(jiān)測站可以在無人值守的情況下進(jìn)行信號采集，將信號處理后傳輸至中心控制站。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

遠(yuǎn)端監(jiān)測站采用E3238/6820E系統(tǒng)作為信號接收機(jī)，連接專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并采用二次開發(fā)的方式來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測接收端信號的目的。同時(shí)在專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上安裝GPS模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)位置標(biāo)示和遠(yuǎn)程監(jiān)測及多系統(tǒng)組網(wǎng)監(jiān)測。

①頻譜監(jiān)測

可以按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行場強(qiáng)測量、信號搜索、頻譜記錄和數(shù)據(jù)回放等監(jiān)測任務(wù)。

②頻段掃描和占用度分析

寬頻段掃描頻譜顯示，用于快速掃描和顯示頻譜，搜索信號峰值并保存和打印。掃描結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，通過存入數(shù)據(jù)庫中的信息可進(jìn)行占用度分析。

③無線電測向

具有單頻點(diǎn)時(shí)域測向和多頻點(diǎn)頻域快速傅利葉測向功能，并在電子地圖上顯示信號方向。

④信號解調(diào)和識別

可以對空中各種無線電信號進(jìn)行分析，根據(jù)提取到的信號特征和信息內(nèi)容，確定信號性質(zhì)，可以對音頻進(jìn)行錄音播放。

⑤遠(yuǎn)程監(jiān)測

監(jiān)測接收機(jī)可聯(lián)網(wǎng)，中心控制端通過網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測接收機(jī)進(jìn)行控制，監(jiān)測結(jié)果（實(shí)時(shí)場強(qiáng)、掃描頻譜和音頻）通過網(wǎng)絡(luò)傳送到控制端顯示和播放。

⑥多系統(tǒng)組網(wǎng)監(jiān)測

將區(qū)域內(nèi)的多臺監(jiān)測接收機(jī)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息共享，提高監(jiān)測范圍和準(zhǔn)確度，集中分析多臺監(jiān)測接收機(jī)信息，利用向線交匯的方法對信號源定位，結(jié)合臺站數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和電子地圖，可以迅速得到信號源的相關(guān)信息。

⑦信號測試

可以測量頻率誤差、調(diào)幅深度、調(diào)制頻偏、THD（總諧波失真）以及SINDA（信號、噪聲、失真之和與噪聲、失真之和的比值），測量精度高。

4 結(jié)束語

立足于軟件無線電理論，通過分析其靈活性和可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，并結(jié)合環(huán)境監(jiān)測場景的實(shí)際需要給出了一種基于Agilent E3238/6820E的無線電頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用方案。

提出的環(huán)境監(jiān)測方案充分利Agilent E3238/6820E設(shè)備構(gòu)建軟件無線電平臺進(jìn)行靈活組網(wǎng)，極大地發(fā)揮了其軟件可充配置性，硬件的靈活裁剪性不僅提高了無線電環(huán)境監(jiān)測的效率，且大大降低了監(jiān)測成本，尤其是考慮到實(shí)際測試環(huán)境與無線電信號復(fù)雜多變的特點(diǎn)，能夠快速地根據(jù)工程實(shí)際需要搭建無線電檢測網(wǎng)絡(luò)，具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，在效率與成本方面達(dá)到了較好的平衡，對實(shí)際工程具備一定的指導(dǎo)意義。

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