随着无线设备、物联网和5G网络的不断增长,射频环境越来越多的人,越来越吵,越来越难以管理,而许多服务都在争夺同样的资源:射频波段。在这种情况下,测量和分析特定位置的射频频谱的能力在许多情况下是极其有用的,为移动服务运营商提供了优化射频使用的手段,防止信道饱和,并在无线通信方面做出更明智的决定。此外,频谱分析由于能够探测和定位恶意或敌对信号的来源,在军事行动中以及在诸如电子战和信号情报等与国防有关的任务中越来越普遍。因此,光谱监测和记录是现代射频工业民用和军用的基本特征。
在本文中,我们首先介绍了频谱分析系统的基本概念和特点,以及需要它们的情况。然后,我们讨论了最先进的软件定义无线电(SDR)与高性能的主机计算机和服务器相结合,如何能够测量和分析超宽带频谱信息,这需要处理和记录大量数据,同时进行并行和低延迟计算。本讨论包括描述在模块化特别提款权和主机系统中实现的现成商业组件,以及处理这些应用程序中所需处理量的可编程燃料元件核心所涉及的高级DSP技术。最后,我们介绍了一些涉及特别提款权的实际频谱监控和记录应用程序,以及这些组件如何能够提高测量系统的性能.
什么是频谱监测,为什么我们需要它?
光谱监测包括连续测量和分析到达接收器天线的电磁信号的频率含量,从而能够获取在时间范围内无法获得的重要信息。通过扫描信号的频率含量,可以获得每一频率的模量和相位数据,从而可以计算重要的信号参数,包括源距离/方向和调制方案。这些特性对电子战技术至关重要,是对抗干扰、干扰、欺骗和其他电子战攻击的第一道防线,为部署反攻和进攻战略提供了手段。
在军事范围之外,频谱监测技术可用于若干民用应用,例如确定频谱的可用性,在EMI/EMC测试中确定射频信号和电磁发射的特征,计算传输模式,以及在关键频带中进行实时噪声/干扰检测。它还可用于检测和定位非法无线电传输,确保适当管理受管制的频谱。现代频谱监测中最大的挑战之一是可靠地处理射频信号随时间的变化,而传统设备不容易做到这一点。需要同时捕获大部分带宽的系统不能依靠简单的基于扫描的频谱分析,因此必须实现某种形式的实时频谱分析器(RSA)。大范围频谱分析可以提供更多关于信号的信息,因为它能够捕捉到频率组件中非常快速的动态变化。
频谱分析仪的实际实现因应用的要求和局限性而大不相同。例如,在移动网络和其他射频服务中,该技术用于实时检查每个频道的频谱使用情况,保护持牌用户免遭恶意信号,防止非法用户的活动,优化频谱使用,并确保遵守监管机构的规定。
另一方面,对于电子战和SIGINT的应用,越来越多的使用rf武器和设备,使对光谱的连续了解成为胜利和失败的区别。这是因为目前的军队几乎把射频收发器应用于每一种设备,包括战术无线电、飞机通信系统、GPS制导导弹和雷达。因此,频谱监测工具可以为电子攻击和防御提供强有力的手段,并为任何电子战努力提供支持。在这些系统中,实时捕获高瞬时带宽可显著增加探测和拦截射频攻击的可能性,并通过同时测量和处理各种频率来提高决策速度。在现代战争装备中,例如无人驾驶飞行器(UAV),使用了大量在非常低的延迟下工作的数据,因此,重要的是更新传统的频谱监测设备,使其具有更大的瞬时带宽,解决这些新的射频技术,并避免过时。
频谱监测及记录系统
为了了解特别提款权如何改进频谱监控应用程序,让我们来讨论一下制造这些强大的多功能无线电设备的基本组件。顾名思义,软件定义的无线电是为将无线电处理模式从模拟域转移到数字域而开发的射频组件。从这个意义上说,特别提款权由两个主要功能块组成:无线电前端(RFA)和数字后端。
RFP负责天线耦合、信号放大、滤波和混合所需的所有模拟操作。因此,它是特别提款权操作的一个关键部分,包含了所有接收(RX)和传输(TX)功能,这些功能是在宽调谐范围(0-18千兆赫)上操作信号所必需的。此外,适当设计RLU是实现高实时带宽的基础,而高即时带宽是实时频谱监控的必要条件。市场上最高带宽的特别提款权可以达到每个无线电链1-3千兆赫,有多达16个无线电频道可利用独立的发援会/ADC模块,使每个频道分别配置具有不同的频谱特性。因此,这些特别提款权可以在任何特定时间覆盖高达16千兆赫的带宽。
另一方面,数字后端负责特别提款权模块的所有DSP功能,包括调制、解调、上/下转换和数据封装。同时,它还可以运行用户定义的特定应用算法,包括频谱监测协议和人工智能(AI)驱动的处理算法。
在最先进的特别提款权,数字后端是由一个高性能的fpg,能够完全重新编程其内部逻辑。这极大地提高了特别提款权的可重构性和灵活性,使之能够在不需要任何硬件修改的情况下,为最新的无线电协议和DSP算法进行升级,同时也使其能够适应当前的不同情况。通过使用基于fpga的数字后端,特别提款权还可以进行大量并行计算,与高性能存储解决方案和主机软件相结合,为频谱监测系统提供了强大的构建模块。
要正确处理频谱监测应用程序,特别提款权设计必须满足若干要求,以符合这些设备预期的性能标准。这些需求之一是实现存储解决方案,这对于向主机系统发送大量数据而不丢包或丢失至关重要。为了实现此功能,存储解决方案必须使用高性能的网络接口卡(NICS),数据速率为10G,40G,100G。市场上流量最高的特别提款权实现基于fpga的Nics,以防止丢包,并防止NvmeSSDS,从而正确处理非常高的数据吞吐量。为了确保最优化的读写操作,SSDS被配置在一个独立磁盘(RAID)的随机数组中。
软件方面,有几种必要的DSP算法和性能标准进行适当的频谱监测。首先,fpGA必须提供与主机网络的高性能连接,其中数据必须以40/100gbps的最多4个链接将数据打包到以太网帧中,用于高数据吞吐量通信。来自ADC通道的数据通过JISD链接发送到FPGA,这使得转换的信号能够快速序列化。通过在数据分组中实现VTAA49标准,支持了高精度时间戳,使人们能够了解接收信号的确切时间,从而可进一步用于频谱监测中的方向查找算法,例如DOA(到达差)算法及其变异(TDOA-时间DOA、PDOA-相位DOA)。
另一个重要的DSP功能是CODHIC混合,这是对高性能的数字信号上/下转换的关键。最后,fpga必须执行几个基本的数值算法来将信号转换为频域,并进行相关的测量,包括滤波、压缩、快速傅立叶变换(FFT)和功率测量。
与传统的射频方法相比,在频谱监测应用中使用特别提款权有几个优点。首先,大多数高端特别提款权提供完全独立配置的多输入多输出(MIMO)RFP通道,这使多个测量链覆盖不同部分的频谱,从而产生了非常宽的实时测量带宽。市场上最高通道计数的特别提款权可提供多达16个独立的ADCS频道进行同步测量,这可以显著降低硬件复杂性、设备计数和体积。此外,特别提款权提供了与现有系统(包括遗留设备)的高度互操作性,使其能够为较旧的交通管制站或网络站实施延长使用寿命方案,以及能够将新技术纳入现有特别提款权系统。特别提款权的无线电方面也非常精确,因为无线电单元与大多数信号处理功能脱钩,因此可以根据性能进行调整,达到极好的噪音数字和无噪声动态范围,这是检测和/或消除干扰或干扰所产生的不需要的信号的根本。最后,基于fgpa的数字后端允许特别提款权随时进行完全的重新配置,这意味着特别提款权可以自动适应不同的条件和兴趣范围,可以随时进行升级以执行行业中最新的协议,并在需要时完全重新使用,无需任何硬件修改。特别提款权的无线电方面也非常精确,因为无线电单元与大多数信号处理功能脱钩,因此可以根据性能进行调整,达到优秀的噪音数字和无噪声动态范围,这是检测和/或消除干扰或干扰所产生的不需要的信号的根本。最后,基于fgpa的数字后端允许特别提款权随时进行完全的重新配置,这意味着特别提款权可以自动适应不同的条件和兴趣范围,可以随时进行升级以执行行业中最新的协议,并在需要时完全重新使用,无需任何硬件修改。特别提款权的无线电方面也非常精确,因为无线电单元与大多数信号处理功能脱钩,因此可以根据性能进行调整,达到优秀的噪音数字和无噪声动态范围,这是检测和/或消除干扰或干扰所产生的不需要的信号的根本。最后,基于fgpa的数字后端允许特别提款权随时进行完全的重新配置,这意味着特别提款权可以自动适应不同的条件和兴趣范围,可以随时进行升级以执行行业中最新的协议,并在需要时完全重新使用,无需任何硬件修改。获得优秀的噪音数字和无伪动态范围,这是检测和/或消除来自干扰或干扰的不需要的信号的基础。最后,基于fgpa的数字后端允许特别提款权随时进行完全的重新配置,这意味着特别提款权可以自动适应不同的条件和兴趣范围,可以随时进行升级以执行行业中最新的协议,并在需要时完全重新使用,无需任何硬件修改。获得优秀的噪音数字和无伪动态范围,这是检测和/或消除来自干扰或干扰的不需要的信号的基础。最后,基于fgpa的数字后端允许特别提款权随时进行完全的重新配置,这意味着特别提款权可以自动适应不同的条件和兴趣范围,可以随时进行升级以执行行业中最新的协议,并在需要时完全重新使用,无需任何硬件修改。升级,以执行该行业最新的协议,并在需要时完全重新使用,无需任何硬件修改。升级,以执行该行业最新的协议,并在需要时完全重新使用,无需任何硬件修改。
宽带特别提款权的应用
宽带特别提款权在频谱监测系统中的主要应用是电子战。这一术语涵盖旨在攻击或保护电子系统的任何军事活动,可分为三种功能:电子攻击(EA)、电子保护(EP)和电子战支援(ERT),每种功能在战场上都有具体目标。不同于传统战争,电子战任务大多在电磁环境中进行,因此射频系统是这些系统的基本组成部分。电子战可以由载人、无人或无人看管的飞行器部署,从空中、海上、太空和网络空间运行。
典型的EA活动例子是干扰,它包括使用强信号或欺骗性信号使敌方设备无用。它常被应用于雷达和指挥控制系统,因此,干扰会严重危害敌方的情报、空间意识、监视和侦察。另一方面,EP活动的目的是为了保护敌方的装备不受敌方的影响。例如,EP模块负责使用跳频和其他技术,使雷达在有干扰的情况下运行。频谱管理和协调是EP和EWS的一种形式,可以用来检测和定位对抗信号,以保护设备,收集敌方信息,或协调攻击。
sdrs为电子战应用提供了几个有利的特性。首先,利用高分辨率ADCS、强大的线性放大器和电压控制衰减器,高性能的RFP提供了足够的动态范围和非常低的噪声图。动态范围和噪声底板决定了一个特别提款权可以获得的最小和最大信号,它定义了电子战系统的运行范围。
其次,数字后端不仅可以执行基本的无线电功能,而且可以执行在电子战应用中至关重要的强大的DSP算法,如脉冲压缩、波束形成/波束转向、定制滤波技术、跳频等。波束形成和波束转向在电子战监测应用中特别有趣,因为它们可以用来将射频束聚焦到特定的位置,以提高敏感性,从测量中消除干扰源。
此外,每一个特别提款权信道都提供了一个可调整的射频带宽最高可达3千兆赫的高采样率,这对于电子战中的实时宽带频谱监测/记录非常重要。特别提款权还可以提供攻击性信道和频谱掩蔽技术,从而限制了邻近信道的干扰。高端特别提款权通常实现非常精确的时钟板集成到系统中,使其在方向查找算法方面达到优异的性能,这是方向查找算法的关键。
最后,可以设计和定制模块化特别提款权,以满足若干尺寸、重量和功率(交换)要求,同时又不丧失核心性能,因此,这些特别提款权可以在从战舰固定站的大型机架装置到便携式移动系统的小型无线电装置等各种应用中实现。
光谱监测系统是信号智能设备的重要组成部分.SIGINT是一个总括概念,包括通过拦截和解码感兴趣的信号获取情报,这些信号可以来自通信(COMIT-通信情报),也可以来自与通信无关的电子信号(ELINT-电子情报)。在军事背景下,SIGINT是C2系统、形势意识和公共安全的基础。通过检测、测量和分析感兴趣的信号,可以获得关键信息,以支持决策,并能够以最高的成功概率实现基于实时数据的战略。SIGINT系统不容易设计,因为信号必须被捕获、翻译、解释,然后才用来形成策略。因此,SIGINT和电子战之间的边界非常模糊,SIGINT系统经常用于支持电子战任务。
高端特别提款权的灵活性和精度为SIGINT应用提供了优异的射频性能。在这种情况下,灵活性是关键,因为几乎任何SIGINT算法都可以编程到同一特别提款权。这使通用COts设备能够使用非常具体的DSP算法,包括到达计算角度(时间和相位差)、加密/解密引擎、星座图、示波器、实时光谱分析仪、网络分析仪和功率表。它还可以执行不同的解调方案,然后在飞行中进行改变,允许它捕捉来自多个来源的信号并抵消跳频机制。当然,它也可以执行跳频协议以防止干扰、欺骗和偷听攻击。
MIMO特别提款权对于SIGINT分析来说是完美的,因为它们可以在多个测量链上获得每个通道的宽带宽,这提供了在传统系统中不可行的全频谱覆盖。每个通道都由一个具有高速转换速率的专用ADC提供动力,从而产生可以独立配置的非常高的瞬时带宽。此外,多目标信号处理器还可以执行波束形成和波束转向协议,使射频光束的方向性最大限度地减少干扰,优化对某一方向的敏感性,增加信号检测的可能性。最后,可将测量信号(I/Q采样数据)分组到以太网光链路(VATA49)中,从而使数据在主机网络中的吞吐量非常高。
结论
在一个以无线通信和射频信号为主导的世界里,频谱监控在许多应用中已成为一种更必要的功能。通过测量传入的电磁辐射,利用信号处理技术将信号转换到频域,从而能够对频谱含量进行分析并根据此作出决定。这对移动网络运营商尤为重要,因为他们必须确保通过射频通道进行适当的通信,并在电子战和信号情报中开展多种军事行动。然而,目前的射频设备可以使用非常高的频率,高的数据吞吐量和低的延迟,因此频谱监控解决方案必须跟上这种现代化。
传统的基于扫描的频谱测量不足以实现实时监测所需的非常高的瞬时带宽,因此基于sdr的系统与强大的主机和存储解决方案相结合,正在成为实时频谱分析的规范。多声道特别提款权可以捕捉多个独立信道上非常宽的瞬间带宽(每个信道最多3千兆赫),这大大增加了整个频谱覆盖率。此外,可编程的高度灵活性和可编程性,可远程和飞行维护,配置和升级无线电单元,没有任何硬件修改。此外,数字单元提供数据分组算法,能够满足频谱监测应用所需的非常低延迟和高数据吞吐量。
