無線電監(jiān)測技術(shù)的演練與實(shí)踐探討

柴穩(wěn)平

（平?jīng)鍪袩o線電監(jiān)測站，甘肅 平?jīng)?744000）

0 引言

在無線多媒體通信需求迅速增長的今天，由于無線頻譜資源的稀缺性，已成為當(dāng)今世界的重要資源之一。有別于傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)，多媒體通信通常需要更大的無線電頻譜用于高速數(shù)據(jù)傳輸。另外，廣泛使用無線多媒體傳輸會(huì)導(dǎo)致頻譜嚴(yán)重短缺或產(chǎn)生有害干擾。所以需要一種靈活的頻譜監(jiān)測系統(tǒng)來測量無線電信號(hào)。但通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、部署和功能更新提出了更高的要求。比如，為滿足移動(dòng)通信業(yè)務(wù)不斷增長的需求，無線通信的新技術(shù)或新業(yè)務(wù)將在監(jiān)控系統(tǒng)部署完成后，不斷引入市場。監(jiān)控技術(shù)應(yīng)該具有對先進(jìn)無線通信網(wǎng)輻射的無線電信號(hào)進(jìn)行分析和測量的能力[1]。

1 無線電監(jiān)測技術(shù)概述

軟件無線電（SDR）是一種創(chuàng)新的可重構(gòu)和可重編程技術(shù)。在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，混頻器、濾波器、調(diào)/解調(diào)器等重要組成部分都是在硬件上實(shí)現(xiàn)的。使用SDR技術(shù)，這些組件可以通過通用計(jì)算機(jī)上的軟件來完成。軟件無線電的可重構(gòu)能力能夠滿足先進(jìn)的頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對無線電信號(hào)監(jiān)測和分析的嚴(yán)格要求。

本文的目的是為了更好地理解如何構(gòu)建一個(gè)具有可重構(gòu)和可擴(kuò)展能力的無線監(jiān)測系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)。本文嘗試采用軟件無線電技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)由一個(gè)控制中心和若干個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測站組成的頻譜監(jiān)測系統(tǒng)原型。在控制中心，安裝了一個(gè)名為GNU Radio的開源軟件平臺(tái)來執(zhí)行無線電監(jiān)測的核心任務(wù)，如信號(hào)分析和解調(diào)，以及測量結(jié)果的顯示。在遠(yuǎn)程站點(diǎn)，部署了一些先進(jìn)的、低成本的軟件無線電設(shè)備，如Realtek RTL2832U和USRP（通用軟件無線電外設(shè)）產(chǎn)品作為主要的檢測接收機(jī)。軟件無線電設(shè)備用于檢測無線電信號(hào)，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將其數(shù)字化。從軟件無線電設(shè)備采集的復(fù)雜數(shù)據(jù)（i和q）可以通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心，也可以通過USB接口發(fā)送到附近的測量服務(wù)器。本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了一些用于無線電監(jiān)測的關(guān)鍵測量工具，如FFT（快速傅里葉變換）分析儀和瀑布顯示等。利用該監(jiān)測系統(tǒng)，我們完成了一些無線電視和調(diào)頻監(jiān)測的測量任務(wù)[2]。

2 頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的任務(wù)和需求

頻譜管理的主要目標(biāo)是最大限度地提高頻譜使用效率，減少干擾，清除未經(jīng)授權(quán)使用的無線電頻譜。頻譜監(jiān)測作為頻譜管理過程中的耳目，為頻譜管理提供了必要的手段。這一過程至少包括通過頻譜監(jiān)測系統(tǒng)測量無線電波并確定其主要參數(shù)，如頻率和帶寬。頻譜監(jiān)測的關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)包括頻率、帶寬、占用率、場強(qiáng)和調(diào)制方案。通過測量數(shù)據(jù)與頻譜數(shù)據(jù)庫的對比，頻譜調(diào)整器可以顯示出侵權(quán)、差異和非法站點(diǎn)。為了消除未經(jīng)授權(quán)的電臺(tái)和干擾，強(qiáng)制執(zhí)行和清除。

頻譜監(jiān)管機(jī)構(gòu)最重要的職責(zé)之一是防止授權(quán)用戶的頻譜使用可能發(fā)生干擾。干擾可能來自非法站點(diǎn)或授權(quán)站點(diǎn)的非故意排放。要解決無線電干擾，首先要找出干擾所涉及的發(fā)射機(jī)。頻譜監(jiān)測系統(tǒng)可以進(jìn)行一定的測量，以識(shí)別和定位干擾源。當(dāng)發(fā)現(xiàn)源時(shí)，監(jiān)控組織將采取適當(dāng)?shù)膹?qiáng)制措施以排除干擾。

監(jiān)視系統(tǒng)通常用于核實(shí)執(zhí)照持有人是否根據(jù)無線電規(guī)則發(fā)送了信號(hào)。該驗(yàn)證通常要求對發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻譜進(jìn)行詳細(xì)的測量，包括頻率、輻射級、場強(qiáng)、帶寬、調(diào)制方式以及頻譜占用情況。這種測量方法可為特定分析提供必要的信息，以驗(yàn)證與特定頻率分配記錄中聲明的特性是否一致。執(zhí)照持有人常常通過移動(dòng)發(fā)射器的位置、增大發(fā)射器的功率或增大發(fā)射器的頻譜帶寬來濫用頻譜。該光譜的誤用會(huì)大大增加干擾的可能性[3]。

光譜監(jiān)測數(shù)據(jù)也可以用來確定無線電信號(hào)接收不良的原因。無線電接收是一種與服務(wù)質(zhì)量密切相關(guān)的信號(hào)處理技術(shù)，其應(yīng)用范圍很廣。頻率監(jiān)管者經(jīng)常會(huì)收到大量的用戶投訴或詢問他們的收音機(jī)接收不好。其中最常見的投訴可能與無線電視服務(wù)有關(guān)。近幾年，為了提高頻譜利用率和視頻質(zhì)量，電視行業(yè)已經(jīng)數(shù)字化。常規(guī)6MHz帶寬的模擬電視頻道只能播放一個(gè)視頻節(jié)目。如果采用數(shù)字技術(shù)，同樣的帶寬可以容納三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)的數(shù)字視頻或高清電視節(jié)目。所以滿足服務(wù)質(zhì)量或者體驗(yàn)質(zhì)量對廣電公司來說是一大挑戰(zhàn)。光譜監(jiān)測系統(tǒng)提供了一種有用的工具來確定低頻的真正原因。

頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分了解通信業(yè)務(wù)對頻譜的長期需求，新調(diào)制方案的特點(diǎn)和數(shù)字信號(hào)處理的先進(jìn)技術(shù)。鑒于無線通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，必須努力避免新建成的系統(tǒng)在發(fā)射不久就過時(shí)。所以對無線電信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)性和擴(kuò)展性分析是設(shè)計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)的首要條件。

3 軟件無線電技術(shù)

3.1 概念分析

軟件無線電技術(shù)是在米托拉1992年的工作基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。自20世紀(jì)90年代以來，軟件無線電產(chǎn)品的研究和開發(fā)投入了相當(dāng)大的努力。近年來，軟件無線電設(shè)備的價(jià)格已經(jīng)迅速下降到一個(gè)相當(dāng)?shù)偷乃?。一個(gè)廣泛使用的軟件無線電監(jiān)測設(shè)備，可以發(fā)送和接收高達(dá)6千兆赫的無線電頻率，成本不到1000美元。如果只需要接收器功能，軟件無線電設(shè)備的價(jià)格可以低至20美元。除了價(jià)格合理的硬件之外，開發(fā)良好的軟件平臺(tái)，如GNU無線電，促進(jìn)了SDR技術(shù)的應(yīng)用。

軟件無線電是硬件和軟件的集合，其中大多數(shù)無線電功能是通過可編程軟件或固件來實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)一樣，實(shí)用的軟件無線電由模擬射頻（射頻）硬件組成，也稱為射頻前端。該模擬模塊一般包括天線、低噪聲（或功率）放大器、混頻器和濾波器。對于軟件無線電接收機(jī)，模擬模塊最重要的特點(diǎn)之一是將射頻信號(hào)調(diào)諧到合適的中頻信號(hào)，在那里可以進(jìn)行具有合理采樣率的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。數(shù)字子系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)字處理（即解碼和解調(diào)）和一些高層協(xié)議（如多址接入和解密）。在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字硬件的可能方法包括通用處理器、FPGA、ASIC或通用計(jì)算機(jī)。該軟件框架為通信服務(wù)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)提供了基本功能和庫。

GNU無線電是一個(gè)開源軟件開發(fā)工具包，它提供了信號(hào)處理運(yùn)行時(shí)間和處理塊。它允許設(shè)計(jì)者使用軟件定義的模塊來控制現(xiàn)成的、低成本的外部射頻硬件和商品處理器，從而容易地實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界的無線電系統(tǒng)。GNU Radio還提供了一個(gè)名為GNU Radio Companion （GRC）的GUI（圖形用戶界面）開發(fā)環(huán)境，以幫助開發(fā)信號(hào)處理塊和創(chuàng)建包含無線應(yīng)用程序的流程圖。為了提高運(yùn)行時(shí)的速度，信號(hào)處理塊的實(shí)際操作用c++代碼實(shí)現(xiàn)。軟件無線電設(shè)備由GNU無線電模塊通過USB或網(wǎng)絡(luò)接口控制。GRC還提供了一些測量工具來支持信號(hào)分析，如頻域FFT接收器、時(shí)域示波器接收器、頻譜使用的瀑布顯示和星座圖（數(shù)字通信）。GRC開發(fā)環(huán)境采用了QT GUI和WX GUI兩種類型。在接收到波形之后，軟件定義的無線電可以將波形解調(diào)為位流進(jìn)行進(jìn)一步的處理，即音頻或視頻播放。GRC的可重構(gòu)性和靈活性使我們能夠構(gòu)建無線電監(jiān)測系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)。

3.2 研究方案

本研究采用了與R820T調(diào)諧器集成的RTL2832U接收機(jī)和USRP B200接收機(jī)兩種模型。這兩種型號(hào)的軟件無線電設(shè)備都可以由GNU無線電控制。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)的配置及測量結(jié)果

監(jiān)控調(diào)頻廣播和無線電視廣播業(yè)務(wù)是世界各國頻譜監(jiān)管機(jī)構(gòu)的主要任務(wù)之一。大部分非法電臺(tái)傳送調(diào)頻無線電信號(hào)。在執(zhí)法和審查之前，需要確定非法無線電信號(hào)的參數(shù)。對于無線電視服務(wù)，監(jiān)控的重點(diǎn)是場強(qiáng)或體驗(yàn)質(zhì)量。

調(diào)頻廣播是一種傳統(tǒng)的模擬通信技術(shù)。模擬調(diào)頻廣播由于其設(shè)備成本低、音頻傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。模擬調(diào)頻廣播使用88～108兆赫的頻率范圍，信道帶寬為150千赫。音頻信號(hào)l+r在30赫茲到15千赫茲的基帶范圍內(nèi)傳輸。在l-r信號(hào)的調(diào)制范圍為23～53千赫，使用38千赫的DSB-SC（雙邊帶抑制載波）信號(hào)。一個(gè)19千赫的導(dǎo)頻音也被發(fā)送給接收機(jī)再生38千赫子載波與正確的相位。這些復(fù)合信號(hào)和其他子載波一起調(diào)制調(diào)頻發(fā)射機(jī)。

本文提出的軟件無線電監(jiān)測系統(tǒng)通過TCP/IP技術(shù)作為內(nèi)部網(wǎng)或VPN（虛擬專用網(wǎng)）連接，這樣可以很容易地維護(hù)安全性和傳輸速度。控制中心負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程站點(diǎn)的控制?？刂浦行乃璧脑O(shè)備包括一個(gè)路由器、一個(gè)以太網(wǎng)和幾臺(tái)計(jì)算機(jī)。其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)必須裝備成工作站，供工作人員進(jìn)行監(jiān)測測量。在本研究中，我們采用一臺(tái)通用電腦（筆記型電腦）作為安裝操作系統(tǒng)和GNU Radio的監(jiān)控工作站。測量結(jié)果包括信號(hào)強(qiáng)度，信息流，和視頻內(nèi)容的監(jiān)測信號(hào)顯示在工作站。實(shí)際上，監(jiān)視工作站可以被視為度量客戶端。在實(shí)踐中，控制中心需要一個(gè)頻譜數(shù)據(jù)庫來驗(yàn)證無線電臺(tái)[4-5]。為了簡化，本研究中沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫。

遠(yuǎn)端網(wǎng)站需要的設(shè)備包括路由器，以太網(wǎng)，計(jì)算機(jī)，SDR設(shè)備和接收天線。一般而言，天線應(yīng)該是全向的，適合長期在戶外使用。本軟件無線電設(shè)備/接收機(jī)能檢測天線發(fā)出的RF耦合信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成i/q采樣數(shù)據(jù)。首先，軟件無線電設(shè)備的測量任務(wù)需要重構(gòu)，并且必須由監(jiān)測中心進(jìn)行控制。作為數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器，遠(yuǎn)程站計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)SDR與控制中心工作站之間的數(shù)據(jù)通信。本文采用了RTL2832U和USRPB200兩種不同的軟件無線電接收方式。我們使用Raspberry Pi作為除筆記本外的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器，以簡化監(jiān)視框架。拉斯普貝里皮是一款信用卡大小的電腦，面板，基于linux平臺(tái)。

4 結(jié)語

綜上，通過使用該監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際測量，我們確信軟件無線電的可重構(gòu)能力確實(shí)使我們能夠輕松靈活地調(diào)整監(jiān)測信號(hào)的主要參數(shù)。例如，我們可以通過控制中心的軟件控制來調(diào)整頻道的頻率和帶寬來進(jìn)行調(diào)頻監(jiān)控。我們還可以動(dòng)態(tài)地選擇測量結(jié)果的顯示，即射頻頻譜或基帶頻譜。