美國車載式頻譜測量系統(tǒng)研究

梁　驍，羅士偉

（國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，哈爾濱　150010）

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美國車載式頻譜測量系統(tǒng)研究

梁驍，羅士偉

（國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，哈爾濱150010）

摘要：美國車載式頻譜測量系統(tǒng)（RSMS）是世界上具有代表性的無線電監(jiān)測車產(chǎn)品之一，本文將對其主要技術(shù)性能與應(yīng)用進行介紹。

關(guān)鍵詞：RSMS；技術(shù)性能；應(yīng)用

1　引言

無線電監(jiān)測車是無線電管理工作中重要的技術(shù)手段，美國在這方面的研發(fā)工作起步很早，發(fā)展到今天已形成具有世界先進水平的一套完整、成熟的產(chǎn)品體系，即車載式無線電頻譜測量系統(tǒng)（Radio Spectrum Measurement System，RSMS）。國家電信和信息管理局（NTIA）是美國重要的無線電監(jiān)管機構(gòu)，也是RSMS的研發(fā)與使用單位。下面將對NTIA的基本情況以及RSMS的搭載平臺、系統(tǒng)布局、設(shè)備配置、監(jiān)測能力、實際應(yīng)用等要點進行研究和介紹。

2　NTIA簡介

國家電信與信息管理局（NTIA）成立于1978年，隸屬于美國商務(wù)部，主要負責(zé)美國聯(lián)邦政府的電信管理工作，其部分職責(zé)是建立并完善頻譜應(yīng)用相關(guān)政策，并為不同機構(gòu)和部門提供指導(dǎo)以確保他們的電信活動符合這些政策[1]。NTIA收集聯(lián)邦政府的無線電頻譜數(shù)據(jù)，用來支持以下方面的頻譜分析工作：頻譜資源評估，電磁兼容分析，涉及政府無線電系統(tǒng)的干擾解決以及聯(lián)邦政府使用的新無線電系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)審等。針對上述監(jiān)管職責(zé)和工作需求，NTIA下屬的電信科學(xué)研究院（ITS）研發(fā)了車載式無線電頻譜測量系統(tǒng)（RSMS），并利用其開展無線電監(jiān)測工作。

NTIA的無線電監(jiān)測工作主要由下屬的頻譜管理辦公室（OSM）和ITS承擔(dān)。其中，OSM主要負責(zé)管理美國聯(lián)邦政府機構(gòu)的無線電頻譜使用；ITS是NTIA的設(shè)計研發(fā)與項目建設(shè)中心，RSMS的行政管理權(quán)歸其所有[2]。上述兩個機構(gòu)在無線電監(jiān)測方面一直開展著卓有成效的合作，雙方通過磋商來安排具體的監(jiān)測工作。ITS負責(zé)實際監(jiān)測操作，為OSM提供測量數(shù)據(jù)；OSM則依靠這些數(shù)據(jù)對政府部門使用的無線電系統(tǒng)進行跟蹤監(jiān)測和長期監(jiān)督，并對頻譜使用情況進行分析。

3　RSMS研究與介紹

3.1RSMS承擔(dān)的職責(zé)與任務(wù)

RSMS作為NTIA重要的無線電監(jiān)測工具，負責(zé)為聯(lián)邦頻譜管理者、國會及行政部門提供無線電頻譜數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析結(jié)果和相關(guān)報告[3]。RSMS承擔(dān)的具體任務(wù)是：

⊙ 通過對30MHz-20GHz頻段進行寬帶頻譜測量，來監(jiān)測美國無線電頻譜的使用情況。

⊙ 對獨立發(fā)射器（包括雷達、通信鏈路、導(dǎo)航發(fā)射器等）的無線電發(fā)射特征進行測量，以確保其遵守監(jiān)管規(guī)則。

⊙ 測量政府用戶與非政府用戶的發(fā)射器（接收器）之間的電磁兼容情況。OSM依據(jù)測量結(jié)果開展頻譜劃分工作，以提高頻譜利用率、降低未來發(fā)生無線電干擾的幾率。

⊙ 解決涉及到聯(lián)邦政府無線電系統(tǒng)的無線電干擾問題。

3.2RSMS介紹

RSMS是獨立的、由計算機控制的可移動無線電接收系統(tǒng)。NTIA當(dāng)前使用的RSMS為第三代產(chǎn)品，稱為RSMS-3，具備先進的頻譜測量與分析能力，主要測量頻段為30MHz-20GHz，典型的現(xiàn)場測量工作頻段為100MHz-18GHz。RSMS可在全自動、半自動、全手動的工作模式下對以下無線電發(fā)射器所發(fā)射的信號進行測量和分析：大功率雷達、移動無線電臺及其基站、導(dǎo)航信標(biāo)及轉(zhuǎn)發(fā)器、點對點微波通信鏈路、地球站發(fā)射機、低功率發(fā)射設(shè)備等[4]。

（1）測量系統(tǒng)的搭載平臺。為了能夠在不同地理環(huán)境下開展現(xiàn)場監(jiān)測，ITS將測量系統(tǒng)設(shè)計的輕巧、便攜，以便于將其裝載在高性能雪佛蘭卡車上；若有遠距離快速部署需求，則可用運輸機運送RSMS。如圖1所示。

圖1 RSMS

（2）內(nèi)部布局。如圖2所示，在車輛后軸部位，橫向設(shè)置了四個標(biāo)準(zhǔn)高度的設(shè)備機柜，這些機柜將箱狀設(shè)備艙分成前后兩部分。前部為工作區(qū)域，監(jiān)測者可在這里操作設(shè)備；而后部區(qū)域則提供了面向機柜背面的通道；機柜下部設(shè)有用來保存機密資料的保險柜；車廂內(nèi)裝有兩個伸縮式天線桿，并由一臺發(fā)電機和兩個空調(diào)來平衡大天線桿所在那側(cè)的重量；車廂內(nèi)的測量隔間十分密閉且沒有窗戶，與外界隔離的獨立空間為監(jiān)測系統(tǒng)提供了良好的無線電頻譜測量環(huán)境；可伸縮的天線桿能將天線升到離地面八米多的高度。這些設(shè)計保證了RSMS具備良好的信號接收與測量能力。

（3）系統(tǒng)配置。RSMS裝配了兩套獨立的頻譜測量系統(tǒng)（見圖3中的左右兩列機柜），分別適用于測量頻譜的高頻及低頻部分。高頻系統(tǒng)用于測量1GHz-19.7GHz，天線的射頻前端位于大天線桿頂部。測量時，天線會從裝在車廂后部的大天線桿上升起，射頻前端會起到減少過載線路損耗的作用；低頻系統(tǒng)工作在100MHz-1GHz，天線的射頻前端位于操作室內(nèi)。在進行頻譜測量時，天線會從裝在車廂前部的天線桿上升起。

圖2 RSMS結(jié)構(gòu)圖

圖3 RSMS的設(shè)備機柜

圖4 RSMS現(xiàn)場測量情景

兩套系統(tǒng)使用獨立的天線、射頻前端、天線桿、頻譜儀和計算機，但共同使用進行特殊監(jiān)測、分析和檢修的輔助設(shè)備。輔助設(shè)備包含脈沖序列分析儀、調(diào)制解調(diào)器、調(diào)制域分析儀、旋轉(zhuǎn)控制器、信號發(fā)生器、電源、低噪聲放大器等。

（4）天線配置。全向天線和斜極化雙錐天線是RSMS進行現(xiàn)場測量時最常用的，這些天線可對不同的信號極化方式作出良好響應(yīng)。

RSMS配備了測量0.1-1GHz斜極化對數(shù)周期天線，以及測量0.5-20GHz，1-12GHz，2-8GHz，8-20GHz的全向斜極化雙錐天線。RSMS通常還攜帶一副覆蓋0.1GHz-20GHz的寬帶天線作為補充。除對數(shù)周期天線和全向天線外，RSMS也裝備了多種寬帶背腔螺旋天線，覆蓋頻段范圍分別為1-12GHz，8-18GHz，0.4-2GHz。這些天線適用于測向，也可用作現(xiàn)場測量的輔助天線。圖4為RSMS在洛杉磯進行現(xiàn)場測量時的場景，從中可以看到一些天線。

（5）操作軟件DA。ITS專為RSMS研發(fā)了名為“數(shù)據(jù)捕獲”的操作軟件，英文簡稱DA（Data Acquisition）。該軟件有四個子程序，分別為接收機算法子程序、頻譜分析子程序、射頻前端子程序和核準(zhǔn)子程序，監(jiān)測者通過它們來控制測量系統(tǒng)的各項功能。

（6）常用測量算法。由于發(fā)射器的特性十分多樣，人們對相關(guān)數(shù)據(jù)的需求又很大，因此，ITS有針對性的研發(fā)出許多不同類型的測量算法。將這些測量算法與DA子程序結(jié)合起來，就可組成不同的測量系統(tǒng)。不過，由于所有的算法都基于對感興趣頻段進行掃描或者對頻譜進行一系列的離散步進測量，故而可將算法分為掃描算法和步進算法。

在頻譜測量中，掃描算法通常用來測量高性能連續(xù)發(fā)射機對頻段的占用情況，如移動無線電臺和電視發(fā)射機；步進算法則用來測量小功率發(fā)射機對頻段的占用情況，如無線電定位設(shè)備等。

3.3RSMS應(yīng)用實例

ITS使用RSMS在美國多地開展過現(xiàn)場測量（寬帶頻譜測量）工作[5]。現(xiàn)場測量的目的是摸清目標(biāo)地區(qū)內(nèi)感興趣頻段的頻譜利用情況。監(jiān)測者需根據(jù)所測頻段的特點設(shè)置好監(jiān)測系統(tǒng)的各項配置，選擇合適的測量算法。測量獲得的數(shù)據(jù)主要用于分析頻譜占用情況，找到那些未被占用的頻段以及分析外部噪聲與熱噪聲對測量的影響。RSMS通常要在一個地點進行為期兩周的測試，才能得到充分的數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)會在計算機控制下進行每天24小時連續(xù)監(jiān)測。

圖5 RSMS現(xiàn)場測量138-162MHz頻段結(jié)果

圖5為138MHz-162MHz頻率占用度測量結(jié)果。圖中三條線分別標(biāo)記了每個截收信號的最大、最小和平均電平值的情況，圖上紅框里則標(biāo)注了監(jiān)測頻段所對應(yīng)的業(yè)務(wù)類型：軍用陸地移動無線電業(yè)務(wù)、業(yè)余業(yè)務(wù)和商業(yè)陸地移動無線電業(yè)務(wù)。

圖6為902MHz-928MHz測量結(jié)果，由于測量對象為軍用雷達，因此監(jiān)測者選擇步進算法進行測量，并輔以正波峰檢波器。

圖6 RSMS現(xiàn)場測量902MHz-928MHz頻段結(jié)果

圖7為2300MHz-2500MHz測量結(jié)果，由于測量對象為微波發(fā)射器，因此監(jiān)測者選擇掃描算法，并使用了最大保持檢波器。

圖7 RSMS現(xiàn)場測量2300MHz-2500MHz頻段結(jié)果

圖8 RSMS現(xiàn)場測量2500MHz-2700MHz頻段

圖8為2500MHz-2700MHz測量結(jié)果。針對該頻段業(yè)務(wù)（多路微波分配業(yè)務(wù)、教育電視固定服務(wù)、個人點對點通信業(yè)務(wù)）特點，監(jiān)測者使用高增益拋物面天線并結(jié)合掃描算法進行測量，同時使用了最大保持檢波器。圖中藍色線條表示了天線在360度旋轉(zhuǎn)時測量系統(tǒng)所截收信號的最大電平值。

通過上述圖示可看出RSMS具備比較強大的監(jiān)測能力，此外，RSMS也能執(zhí)行其他測量任務(wù)。

（1）測量擴展發(fā)射頻譜。測量獨立發(fā)射機（尤其是雷達）的輻射和發(fā)射頻譜，是RSMS的一大強項。高靈敏度與交互式射頻前端衰減的結(jié)合，讓RSMS能夠在幾千兆赫茲的頻段范圍內(nèi)對無線電發(fā)射機的頻譜進行常規(guī)測量。

（2）方向掃描。這種特殊的測量程序用于判斷在特定位置上，所測量信號（包括那些通過非常規(guī)途徑傳輸?shù)男盘枺┑目山邮涨闆r。測量時，RSMS拋物面天線會在地平線上360度旋轉(zhuǎn)并記錄下所接收的信號強度。這些數(shù)據(jù)形式的結(jié)果表明了在所有方向上信號的可接收程度，并可描繪出任何存在的視距傳輸外的傳播路徑。

（3）測量發(fā)射機的性能。RSMS能夠測量和記錄多種發(fā)射機所發(fā)信號的特征。測量中，可將某個接收到的信號挑出來，對其監(jiān)測并進行細節(jié)分析。這些特殊的測量和分析可用于判斷已知發(fā)射源的空間輻射特性或用來確認未知發(fā)射源。可測得的發(fā)射機特性包含：調(diào)諧頻率、波束掃描方式、波束掃描間隔、輻射天線模式、調(diào)制類型、脈沖寬帶、脈沖重復(fù)速率、脈沖抖動、脈沖交錯和脈沖間隔調(diào)制。

3.4RSMS未來發(fā)展

隨著無線電技術(shù)的快速發(fā)展，NTIA對RSMS無線電監(jiān)測能力的要求也不斷提高。為了給聯(lián)邦政府提供在頻譜管理、使用評估和無線電干擾解決等方面更直接、更有效的支撐，ITS正在實施第四代RSMS項目，即RSMS-4（如圖9所示），它裝備了更先進的設(shè)備、采用了更先進的測量技術(shù)，具備更強的分析能力。RSMS-4擁有新的寬帶頻譜測量與校準(zhǔn)功能，可對新出現(xiàn)的無線電技術(shù)進行監(jiān)測評估。同時，也加強了信號識別、發(fā)射源測向、遠程控制等功能。

RSMS-4的投入使用將會增強美國聯(lián)邦政府在更寬頻段、更高頻率相關(guān)監(jiān)測方面的技術(shù)能力。同時，由于所使用的商業(yè)化專業(yè)測量設(shè)備可通過計算機接口進行本地或遠程配置，因此，新測量功能將會更容易滿足用戶的測量需求。另外，車載電源系統(tǒng)會更安靜，測量系統(tǒng)所處環(huán)境將更適合開展監(jiān)測工作，尤其是對小信號進行測量。

圖9 RSMS-4

4　結(jié)束語

根據(jù)上文的研究和介紹，可將RSMS的發(fā)展特點總結(jié)如下：經(jīng)過長期的積累和改進，RSMS各方面的測量功能都比較完善，能夠較好的滿足美國無線電監(jiān)測需求；NTIA不但擁有獨立研制RSMS的能力，而且能夠為車載系統(tǒng)開發(fā)相應(yīng)的操作控制軟件，可見其技術(shù)能力相當(dāng)完備、強大；在RSMS的未來發(fā)展上，NTIA有著非常清晰的思路，其緊緊抓住了美國所面臨的無線電監(jiān)測挑戰(zhàn)，做到了應(yīng)用與預(yù)研的緊密銜接和深度結(jié)合。上述內(nèi)容值得我國無線電管理部門思考和借鑒。

參考文獻

[1]NTIA官方網(wǎng)站：http://www.ntia.doc.gov/offices,2015.10.11

[2]NTIA官方網(wǎng)站：http://www.ntia.doc.gov/category/institute-telecommu nication-sciences

[3]ITS官方網(wǎng)站：http://www.its.bldrdoc.gov/programs/rsms/rsms-home.aspx

[4]NTIA官方文檔，Radio Spectrum Measurement System,Appendix A

[5]Frank Sanders,Broadband Spectrum Survey Measurenments:Approachers and Results,For the International Symposium on,Advanced Radio Technologies,2008

The Study about RSMS

Liang Xiao,Luo Shiwei
(Harbin Station of the State Radio Monitoring Center,Harbin,150010)

Abstract:RSMS is a representative radio monitoring vehicle in the world,this article introduces its technical performance and practical application.

Keywords:RSMS;technical performance;practical application

作者簡介：梁驍，2009年入職國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，從事無線電監(jiān)測工作。羅士偉，2012年入職國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，從事無線電監(jiān)測工作。

中圖分類號：TN98文獻標(biāo)示碼：A文章編碼：1672-7274（2016）03-0062-05

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.03.018