信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最基本配置包括接收機(jī)、天線(xiàn)、低噪聲放大器、輸出顯示屏，可能還有某種自動(dòng)執(zhí)行信號(hào)搜索和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的軟件。傳統(tǒng)的可調(diào)諧掃描頻譜分析儀對(duì)監(jiān)測(cè)接收機(jī)的要求最低。頻譜分析儀是一個(gè)非常靈活的平臺(tái)，具有廣泛的頻率范圍、高動(dòng)態(tài)范圍和包括限制線(xiàn)的圖形顯示，這些限制線(xiàn)可用于設(shè)置幅度電平檢測(cè)閾值。通常，在天線(xiàn)和分析儀之間會(huì)放置一個(gè)低噪聲放大器(LNA)，用于增加信號(hào)幅度并降低測(cè)量系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，從而提高頻譜分析儀的靈敏度。大多數(shù)高性能頻譜分析儀，例如Keysight MXA系列分析儀，都有內(nèi)置的LNA選件。很多頻譜分析儀已經(jīng)內(nèi)置了模擬解調(diào)功能，但是使用這一功能往往需要重新調(diào)諧分析儀的中心頻率和掃寬，以適用于感舉趣的信號(hào)。當(dāng)改變分析儀的頻率設(shè)置時(shí)，分析儀必須能夠迅速調(diào)諧儀器的內(nèi)置本地振蕩器(LO)，否則可能會(huì)減少截獲短周期、間歇性信號(hào)的幾率

。

多種接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)都可實(shí)現(xiàn)表1中所示的特征。例如，很多傳統(tǒng)的頻譜分析儀就使用了下圖中所示的超外差體系結(jié)構(gòu)。輸入的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，使用混頻器和本地振蕩器 (LO) 下變頻到中頻 (IF)。使用頻譜分析儀通過(guò)掃描本地振蕩器和測(cè)量中頻濾波 (也稱(chēng) 為RBW濾波)后的信號(hào)幅度，可以測(cè)量廣泛的射頻頻率。在信號(hào)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，需要快速掃描接收機(jī)的本地振蕩器以捕獲間歇的信號(hào)和提高截獲幾率(POI)。當(dāng)分辨率和靈敏度要求使用窄RBW時(shí)，掃描時(shí)間會(huì)按比例增加，有可能導(dǎo)致POI降低。為了克服這種掃描時(shí)間限制，很多接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)使用了數(shù)字中頻，并在數(shù)字域中執(zhí)行中頻濾波。與模擬濾波相比，數(shù)字濾波能夠大幅度改善掃描時(shí)間。在中頻上進(jìn)行的數(shù)字信號(hào)處理(DSP) 還使工程師可以非常方便地進(jìn)行靈活的解調(diào)，測(cè)得的信號(hào)需要進(jìn)行進(jìn)一步的分析和識(shí)別。圖2還顯示了一個(gè)經(jīng)由模數(shù)(ADC)轉(zhuǎn)換器的單獨(dú)的中頻路徑，模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用DSP 技術(shù)檢測(cè)和處理信號(hào)幅度。

圖1 超外差接收機(jī)方框圖

在需要對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的系統(tǒng)中，中頻的瞬時(shí)帶寬必須大于信號(hào)的調(diào)制帶寬， 否則就會(huì)有一部分占用頻譜出現(xiàn)衰減。在傳統(tǒng)的AM和FM模擬通信系統(tǒng)中，信號(hào)的瞬時(shí)帶寬通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于200 kHz。在這種情況下，一個(gè)中頻濾波器大概和模擬調(diào)制系統(tǒng)的信道間隔相當(dāng)，例如 30 kHz，這樣就能恰當(dāng)?shù)貍魉湍繕?biāo)信號(hào)，并由于中頻帶寬相對(duì)較窄而能夠提供良好的接收機(jī)靈敏度。為了達(dá)到更高的數(shù)據(jù)速率和引入數(shù)字調(diào)制方案， 在很多新興的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng) (例如 WiMAX? 和 3GPP LTE) 中，信號(hào)的瞬時(shí)帶寬都增加到了 5-20 MHz。隨著瞬時(shí)帶寬的增加，要想正確地解調(diào)和識(shí)別信號(hào)，接收機(jī)的中頻濾波器帶寬也需要提高。遺憾的是，中頻帶寬越寬，解調(diào)器的信噪比就會(huì)按比例降低。為了克服 SNR 限制，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)增加前置放大器增益、增加天線(xiàn)增益或者使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更靠近發(fā)射機(jī)來(lái)提高進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)電平。

實(shí)際上，這些技術(shù)也都有各自的不足之處。例如，當(dāng)有更高幅度的其他信號(hào)存在時(shí)，增加前置放大器增益會(huì)使接收機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生多余的互調(diào)失真(IMD)。天線(xiàn)增益的增加可能導(dǎo)致高定向天線(xiàn)的物理尺寸增加，并有可能降低工作帶寬。將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)放置到發(fā)射機(jī)附近的物理位置可能不現(xiàn)實(shí)，原因有多種，包括在大片地理區(qū)域中，發(fā)射機(jī)的位置是未知的。因此，在監(jiān)測(cè)寬帶、高載波頻率信號(hào)時(shí)，除非能夠以更高的密度來(lái)安裝一套低成本傳感器來(lái)緩解很多信噪比問(wèn)題，否則增加在周邊環(huán)境中所部署的接收機(jī)數(shù)量無(wú)異是增加整個(gè)系統(tǒng)成本。

傳統(tǒng)的機(jī)架安裝式監(jiān)視系統(tǒng)(配置在傳統(tǒng)的頻譜分析儀或VXI接收機(jī)周?chē)?，并且不影響主接收機(jī)的搜索功能。要想監(jiān)測(cè)廣泛頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，可能需要使用各種類(lèi)型的天線(xiàn)才能覆蓋整個(gè)感興趣的范圍。在這種情況下，需要將一個(gè)射頻復(fù)用器連接到接收機(jī)，并在安裝到外部設(shè)施或車(chē)輛上的多個(gè)天線(xiàn)之間進(jìn)行切換。

與傳統(tǒng)方法相比，工程師可以使用支持網(wǎng)絡(luò)的低成本接收機(jī)(又稱(chēng)射頻傳感器摂)作為下變頻器和信號(hào)采集系統(tǒng)，通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將采樣到的IQ數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制器進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存檔和解調(diào)。典型的低成本射頻傳感器，例如N6841A射頻傳感器，是一個(gè)小型自含式防風(fēng)雨接收機(jī)，可以輕松地安裝在掛柱、機(jī)架、車(chē)輛上或配置在人工便攜式系統(tǒng)中。為了提高接收機(jī)的靈敏度，射頻傳感器通常配備"軟件定義的"功能和寬帶數(shù)字中頻體系結(jié)構(gòu)。下圖是Keysight N6841A射頻傳感器的簡(jiǎn)化方框圖。傳感器有兩個(gè)天線(xiàn)輸入，用于連接到本地的寬帶和/或分集式天線(xiàn)。該系統(tǒng)還包括一套帶狀線(xiàn)預(yù)選濾波器。

圖2  N6841A射頻傳感器方框圖,

包括VHF/UHF接收機(jī)和軟件定義的信號(hào)處理程序

這些可選的濾波器旨在降低傳感器成本和提高可靠性，對(duì)在高功率傳輸中搜索小信號(hào)非常有用。使用和傳統(tǒng)頻譜分析儀相似的可調(diào)諧體系結(jié)構(gòu)可以完成下變頻到中頻的任務(wù)。數(shù)字化中頻采用了數(shù)字下變頻器(DDC)把采樣到的中頻下變頻到基帶。N6841A射頻傳感器的完整數(shù)字中頻擁有高達(dá)20 MHz的可變帶寬，可適應(yīng)各種無(wú)線(xiàn)技術(shù)和調(diào)制類(lèi)型。嵌入式軟件控制接收機(jī)的觸發(fā)、FFT運(yùn)算和存儲(chǔ)器捕獲。采樣的時(shí)間戳數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器，由該服務(wù)器執(zhí)行信號(hào)識(shí)別和數(shù)據(jù)記錄。接收機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘可通過(guò)IEEE 1588 網(wǎng)絡(luò)定時(shí)協(xié)議或可選的GPS來(lái)控制。實(shí)施分布式信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一般概念是: 在預(yù)計(jì)安裝發(fā)射機(jī)的物理位置附近部署更高密度的低成本射頻傳感器，將針對(duì)采樣數(shù)據(jù)的所有高級(jí)信號(hào)處理功能都集中到一個(gè)公用的、位于中心位置的服務(wù)器上來(lái)執(zhí)行。

信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備和相關(guān)天線(xiàn)的位置對(duì)于總體系統(tǒng)性能有著巨大影響。傳播信號(hào)的衰減，也就是路徑損耗，以及附近的干擾也會(huì)影響接收機(jī)偵測(cè)目標(biāo)發(fā)射機(jī)所發(fā)射的能量。路徑損耗是射頻載波頻率和發(fā)射機(jī)與接收機(jī)相對(duì)距離的函數(shù)。載波頻率越高，路徑損耗就越大，所以必須將接收機(jī)安裝在發(fā)射機(jī)附近。來(lái)自周?chē)h(huán)境的干擾也可能會(huì)影響接收機(jī)的性能。例如，當(dāng)接收機(jī)安裝在電視臺(tái)、廣播電臺(tái)、蜂窩基站和/或雷達(dá)系統(tǒng)附近時(shí)，雜散發(fā)射、諧波和互調(diào)失真可能會(huì)導(dǎo)致巨大的干擾。這些效應(yīng)還可能包括由這些附近的高功率發(fā)射機(jī)所引發(fā)的接收機(jī)前端過(guò)載。因此必須從一開(kāi)始就對(duì)預(yù)計(jì)接收機(jī)附近的頻譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便定量分析這些干擾源和高功率系統(tǒng)可能對(duì)接收機(jī)性能產(chǎn)生的影響。

信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的接收天線(xiàn)通常安裝在塔頂、樓頂或山頂，以降低周?chē)h(huán)境造成的多路徑效應(yīng)。在理想情況下，天線(xiàn)應(yīng)該與周?chē)慕饘袤w間隔多個(gè)波長(zhǎng)的距離，否則預(yù)期的天線(xiàn)方向圖就有可能發(fā)生扭曲。甚至安裝天線(xiàn)的金屬桿也會(huì)對(duì)增益方向圖產(chǎn)生巨大影響。另外，附近的其他天線(xiàn)也會(huì)改變天線(xiàn)方向圖，意外地降低系統(tǒng)性能。因此，恰當(dāng)?shù)匕惭b天線(xiàn)對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體性能至關(guān)重要，尤其是對(duì)于那些在廣闊的地理區(qū)域內(nèi)安裝了有限數(shù)量的高性能接收機(jī)的應(yīng)用更是如此。在另一方面，采用低成本射頻傳感器的系統(tǒng)由于使用了高密度的接收機(jī)而實(shí)現(xiàn)了鄰近增益，所以對(duì)天線(xiàn)的要求不那么高。

下圖所示的是安裝在屋頂上并與寬帶天線(xiàn)相連的射頻傳感器，另外還有一個(gè)天線(xiàn)安裝在獨(dú)立的金屬桿上。該傳感器安裝在離天線(xiàn)相對(duì)較近的位置，可以減少可能會(huì)降低系統(tǒng)噪聲系數(shù)的電纜損耗。

圖3 屋頂上安裝的射頻傳感器和天線(xiàn)配置

當(dāng)發(fā)射機(jī)的位置未知時(shí)，人們希望使用具有全向方向圖的天線(xiàn)來(lái)用于地面應(yīng)用。但是，全向天線(xiàn)具有大約0dBi的低增益，無(wú)法改善接收機(jī)的SNR。增加天線(xiàn)增益或許可以提高SNR，但卻會(huì)導(dǎo)致天線(xiàn)方向圖(antenna pattern)偏向某個(gè)特定方向的信號(hào)接收。 除非高定向(高增益)天線(xiàn)能夠?qū)Πl(fā)射機(jī)的方向進(jìn)行物理或電氣掃描，否則很可能會(huì)由于低接收SNR而忽略未知的發(fā)射機(jī)。

現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信常常使用較高的射頻載波頻率。與在較低 VHF/UHF 頻率上工作的類(lèi)似系統(tǒng)相比，這將會(huì)導(dǎo)致自由空間損耗增加。在這些較高的載波頻率上，有必要將監(jiān)測(cè)天線(xiàn)/接收機(jī)安裝在發(fā)射機(jī)附近，以便使 SNR 保持在適當(dāng)水平。通過(guò)減小發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的間隔而實(shí)現(xiàn)的信號(hào)性能改善稱(chēng)為 "鄰近增益"。例如，假設(shè)兩個(gè)通信系統(tǒng)與發(fā)射機(jī)天線(xiàn)和信號(hào)監(jiān)測(cè)天線(xiàn)間的距離相同，一個(gè)系統(tǒng)工作的射頻載波頻率為 100 MHz，調(diào)制帶寬為 20 kHz；另一個(gè)系統(tǒng)的工作頻率為 2.4 GHz，調(diào)制帶寬為 20 MHz。假設(shè)發(fā)射功率、天線(xiàn)增益、電纜損耗和接收機(jī)噪聲系數(shù)完全相同，每個(gè)系統(tǒng) 測(cè)得的SNR是多少? 造成SNR差別的主要因素是什么? 為了解答這些問(wèn)題和估算每個(gè)系 統(tǒng)的性能，我們可使用下面的公式(1)來(lái)計(jì)算SNR

其中

SNR = 接收機(jī)信噪比(dBm)
GR = 接收機(jī)天線(xiàn)增益(dB)
PT = 發(fā)射機(jī)功率(dBm)
CL = 天線(xiàn)和接收機(jī)間的電纜損耗(dB)
GT = 發(fā)射機(jī)天線(xiàn)增益(dB)
NF = 接收機(jī)噪聲系數(shù)(dB)
PL = 路徑損耗(dB)
BW= 接收機(jī)帶寬(Hz)

路徑損耗(PL)是射頻載波頻率和發(fā)射機(jī)天線(xiàn)與接收機(jī)天線(xiàn)間距的函數(shù)。路徑損耗隨著頻率的升高、距離的增大而增加。路徑損耗(單位: dB)使用下面的公式(2)來(lái)計(jì)算。

其中

f =頻率(MHz)
R =距離(km)
K =32.45(R單位采用km)

例如，假設(shè)發(fā)射機(jī)正在距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 5 千米的位置發(fā)射具有 +20 dBm (100 mW) 功率的信號(hào)。在天線(xiàn)增益為 0 dBi、電纜損耗為 0 dB、接收機(jī)噪聲系數(shù)為 14 dB 的條件下， 100MHz頻率和20kHz帶寬的信號(hào)發(fā)射計(jì)算得出的SNR大約為+51dB。對(duì)于2.4GHz頻 率和20 MHz帶寬的信號(hào)，計(jì)算得出的SNR為-7 dB。在這些條件下，測(cè)量100 MHz信號(hào)很容易，但是要測(cè)量 2.4 GHz 信號(hào)就非常困難。表 2 總結(jié)了這兩種系統(tǒng)的路徑損耗和SNR性能。這兩種系統(tǒng)的SNR差異與載波頻率和調(diào)制帶寬有直接關(guān)系。

在本例中，2.4GHz系統(tǒng)由于載波頻率更高，所以路徑損耗增加，其相對(duì)SNR降低了28 dB；而由于調(diào)制帶寬更寬，所以噪聲功率增加，其相對(duì) SNR 降低了 30 dB。由于要顯著改善接收機(jī)的噪聲系數(shù)和/或增加接收機(jī)的天線(xiàn)增益實(shí)際上非常困難，所以要想改善在高載波頻率上工作的系統(tǒng)的 SNR，必須縮短發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離。鄰近增益將會(huì)超過(guò)在較高載波頻率上進(jìn)行射頻信號(hào)發(fā)射所帶來(lái)的過(guò)多路徑損耗。

繼續(xù)使用上面的例子，如果要求的SNR最低為10 dB，那么鄰近增益需要將SNR從最初的-7 dB增加到要求的 +10dB，或17dB的總體增益。在此情況下，應(yīng)將2.4GHz系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離從最初的5千米減少到0.7千米以?xún)?nèi)。必須注意的是，為了對(duì)同一個(gè)地理區(qū)域保持相同的監(jiān)測(cè)覆蓋，當(dāng)發(fā)射機(jī)在較高射頻載波頻率上工作時(shí)，還必須增加接收機(jī)的密度。

表2. 計(jì)算出的兩類(lèi)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的鏈路預(yù)算

基本參數(shù)

PT=+20dBm
GT=0dB
GR = 0dB
CL=0dB
NF=14dB
R=5km

上面顯示的路徑損耗計(jì)算是在理想的視線(xiàn) (LOS) 條件下進(jìn)行的，沒(méi)有不利的多路徑衰落和/或陰影效應(yīng)。多路徑可能在接收機(jī)上產(chǎn)生額外的信號(hào)損耗，通常用衰落深度來(lái)描述。為了測(cè)量不同地形中的多路徑衰落并進(jìn)行建模，人們進(jìn)行了大量研究，但是總體而言，在VHF/UHF頻率范圍內(nèi)工作的系統(tǒng)在市區(qū)和郊區(qū)使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)5到40dB的衰落深度。當(dāng)估計(jì)信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備(特別是在窄帶系統(tǒng)中)的總體鏈路預(yù)算和配置時(shí)， 必須考慮到接收機(jī)上額外出現(xiàn)的幅度損耗。

有許多方法可以減少多路徑的不利影響，增加鄰近增益只是其中之一。另一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法是使用第二個(gè)天線(xiàn)，通過(guò)采用空間分集或極化分集技術(shù)來(lái)改善衰落特征。我們知道，間距大于四分之一波長(zhǎng)或處于交叉極化方向上的兩個(gè)天線(xiàn)將會(huì)擁有不相關(guān)的多路徑特征。當(dāng)一個(gè)天線(xiàn)遇到較深的多路徑衰落時(shí)，另一個(gè)天線(xiàn)有可能接收到具有適當(dāng)功率電平的信號(hào)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在這兩個(gè)天線(xiàn)之間進(jìn)行掃描，尋找最強(qiáng)的信號(hào)進(jìn)行分析。大部分信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都配有射頻多路復(fù)用電路，以便根據(jù)工作環(huán)境的需要添加更多的天線(xiàn)。例如，N6841A射頻傳感器擁有三個(gè)天線(xiàn)端口: 兩個(gè)用于天線(xiàn)多路復(fù)用，一個(gè)用于可選的GPS子系統(tǒng)。這兩個(gè)天線(xiàn)多路復(fù)用端口可以用于空間分集和/或極化分集，以減少多路徑衰落；或在使用窄帶天線(xiàn)時(shí)通過(guò)配置，用于擴(kuò)展被測(cè)頻率范圍。了解到多路徑對(duì)系統(tǒng)性能的影響，工程師就需要使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的先進(jìn)測(cè)量工具在工作臺(tái)上仿真多路徑條件。

發(fā)射信號(hào)識(shí)別的目標(biāo)和方法

如前所述，任何信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都面臨著一個(gè)挑戰(zhàn)―性能和速度必須能夠快速偵測(cè)、識(shí)別并有可能定位那些可能是間歇性的、持續(xù)時(shí)間非常短或是寬帶并具有低 SNR 的無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射。感興趣的信號(hào)可能包括多媒體廣播系統(tǒng)、廣域網(wǎng)(WAN)通信(包括手機(jī) 和基站發(fā)射)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)通信、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波鏈路(包括衛(wèi)星上行鏈路和下行鏈路)以及射頻識(shí)別(RFID)閱讀器/標(biāo)簽通信(包括有源和無(wú)源標(biāo)簽技術(shù))所發(fā)射信號(hào)。在任何一個(gè)時(shí)刻，在廣闊頻率范圍內(nèi)進(jìn)行的測(cè)量都會(huì)包含許多信號(hào)類(lèi)型，而信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 負(fù)責(zé)仔細(xì)檢查大量的信號(hào)，以只識(shí)別和分析那些感興趣的信號(hào)。

“信號(hào)搜索與監(jiān)測(cè)。 捕獲并分析頻譜事件。 觸發(fā)和報(bào)警功能。 射頻信號(hào)的調(diào)制識(shí)別、記錄和定位。”

如果只依靠工程師使用獨(dú)立的頻譜分析儀來(lái)人工執(zhí)行，很難高效地對(duì)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。借助Keysight N6820E Signal Surveyor等軟件分析工具，可以更好地自動(dòng)執(zhí)行信號(hào) 搜索和識(shí)別。當(dāng)信號(hào)監(jiān)測(cè)工具配備了高性能接收機(jī)(例如E3238S VXI接收機(jī)或N6841A RF 傳感器) 后，通過(guò)使用閾值和軟件告警 (可以設(shè)置為當(dāng)被測(cè)信號(hào)功率超過(guò)預(yù)先確定的 幅度時(shí)便會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)響應(yīng))，可以執(zhí)行自動(dòng)信號(hào)檢測(cè)。下圖是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到信號(hào)檢測(cè) 軟件的射頻傳感器的典型配置。當(dāng)把中頻帶寬配置為 200 kHz 或更低頻率時(shí)，射頻傳 感器可以連續(xù)不斷地傳輸數(shù)據(jù)流。由于10/100 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的延遲，具有更寬中 頻帶寬、頻率高達(dá)20 MHz的信號(hào)需要使用時(shí)間編碼數(shù)據(jù)塊來(lái)傳送數(shù)據(jù)。信號(hào)監(jiān)測(cè)軟件 對(duì)感興趣信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該軟件經(jīng)過(guò)配置后還可以自動(dòng)識(shí)別調(diào)制類(lèi)型(選件 MR1)或儲(chǔ)存時(shí)間序列或頻率數(shù)據(jù)。工程師隨后可以使用各種商用和定制的軟件工具對(duì) 歸檔數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。

圖4  自動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)軟件從接收機(jī)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器收集時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理

限制線(xiàn)和其他軟件告警功能對(duì)任何信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)重要的特性。這些告警功能可以配置為自動(dòng)執(zhí)行對(duì)未知發(fā)射機(jī)的偵測(cè)過(guò)程，以及確定已知發(fā)射頻譜一致性。閾值電平可以通過(guò)在基線(xiàn)射頻環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量來(lái)確定，也可以由系統(tǒng)自動(dòng)配置或由用戶(hù)定義。例如，下圖顯示了使用N6820E信號(hào)監(jiān)測(cè)軟件可以采用的三種閾值方法。上面的圖顯示了與頻譜分析儀中的限制線(xiàn)功能類(lèi)似的電平閾值摂。當(dāng)本底噪聲保持平坦不變時(shí)，電平閾值可以很好地發(fā)揮作用，就像在VHF/UHF和微波頻譜中那樣。中間的圖顯示了自我定形到本底噪聲的"自動(dòng)閾值"技術(shù)。當(dāng)本底噪聲不平坦(例如在高頻范圍內(nèi))和/ 或隨著時(shí)間變化時(shí)，這個(gè)功能非常重要。

下面的圖顯示的是"環(huán)境閾值"，它使用當(dāng)前頻譜的屏幕快照(包括任何現(xiàn)有的信號(hào))，然后使用該波形作為以后測(cè)量的閾值。 用于自動(dòng)識(shí)別感興趣信號(hào)的另一種選擇是使用"通用信號(hào)檢測(cè)"軟件。此類(lèi)專(zhuān)用軟件(例 如Keysight N6820E選件USD)通過(guò)測(cè)量射頻發(fā)射的特征來(lái)自動(dòng)識(shí)別信號(hào)。通用信號(hào)檢 波器包括帶寬和波形濾波器、頻率規(guī)劃、寬帶檢波器和窄帶確認(rèn)器(confirmer)。寬帶和窄帶技術(shù)相結(jié)合，可以高效地對(duì)擁擠的頻譜進(jìn)行篩選，顯著提高截獲幾率。寬帶搜索功能將會(huì)對(duì)射頻環(huán)境中的全部信號(hào)進(jìn)行處理，使用信號(hào)檢波工具過(guò)濾掉除感興趣的信號(hào)之外的所有信號(hào)。一旦識(shí)別出感興趣的信號(hào)，系統(tǒng)就會(huì)把它們的數(shù)據(jù)收集和記錄下來(lái)，以備日后進(jìn)行分析。當(dāng)檢測(cè)到新信號(hào)時(shí)，就會(huì)更新能量歷史記錄。

(a)電平

(b)自動(dòng)

(c)環(huán)境

能量檢測(cè)閾值技術(shù)

能量歷史記錄會(huì)把每次掃描中超過(guò)閾值的所有能量的參數(shù)自動(dòng)存儲(chǔ)起來(lái)。這些參數(shù)還可以用作告警條件來(lái)觸發(fā)系統(tǒng)響應(yīng)。

￣ 頻率
￣ 帶寬
￣ 帶寬占用率
￣ 首次截獲的日期和時(shí)間
￣ 最后一次截獲的日期和時(shí)間
￣ 幅度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
￣ 持續(xù)時(shí)間

現(xiàn)代通信系統(tǒng)正朝著更高載波頻率、更寬帶寬的方向發(fā)展，這會(huì)帶來(lái)更高的路徑損耗和接收機(jī)噪聲。如前所示，已知信號(hào)和未知信號(hào)的偵測(cè)幾率與發(fā)射機(jī)的射頻載波頻率和調(diào)制帶寬有直接關(guān)系。無(wú)線(xiàn)行業(yè)―特別是新興的蜂窩系統(tǒng) (例如 3G和4G)―的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是架設(shè)更高密度的基站。許多行業(yè)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)正在對(duì)微微蜂窩和毫微微蜂窩拓?fù)溥M(jìn)行研究，希望實(shí)現(xiàn)更高頻率的再利用和更低的發(fā)射功率級(jí)[11、12]。更高路徑損耗加上更低發(fā)射功率級(jí)，將降低偵測(cè)在更寬瞬時(shí)帶寬上工作的信號(hào)的幾率。

要克服這些難題，信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)增加接收機(jī)的鄰近增益(換句話(huà)說(shuō)，就是把監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置在更接近發(fā)射機(jī)的位置)來(lái)改善系統(tǒng)性能。增加鄰近增益不用花費(fèi)任何費(fèi)用。如果需要將發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的間距縮短一半以獲得適合的 SNR，那么相應(yīng)的覆蓋范圍也會(huì)隨之縮減到原來(lái)的四分之一。為了保持足夠的偵測(cè)幾率，移動(dòng)和/或便攜式接收機(jī)可以移動(dòng)到發(fā)射機(jī)的預(yù)計(jì)工作區(qū)域。或者，可以在整個(gè)環(huán)境中布置更高密度的監(jiān)測(cè)接收機(jī)(包括固定的低成本射頻傳感器)并連成網(wǎng)絡(luò)，以改善總體系統(tǒng)性能。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)還可在地理定位的過(guò)程中用來(lái)估計(jì)發(fā)射機(jī)的位置。

近些年來(lái)業(yè)界已經(jīng)在多種應(yīng)用(包括環(huán)境傳感、資產(chǎn)跟蹤和生產(chǎn)流程)中對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究和實(shí)施，但是將這一技術(shù)擴(kuò)展到信號(hào)監(jiān)測(cè)和頻率管理方面對(duì)于業(yè)界來(lái)說(shuō)還是一種相對(duì)較新鮮的概念。用于信號(hào)監(jiān)測(cè)的射頻傳感器網(wǎng)絡(luò)將對(duì)分布式接收機(jī)(通過(guò)有線(xiàn)回程網(wǎng)絡(luò)相互連接)所提供的測(cè)量結(jié)果實(shí)施非相干或相干偵測(cè)。由于需要處理的信號(hào)減少，回程網(wǎng)絡(luò)負(fù)載降低，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用非相干偵測(cè)法的接收機(jī)將獲得更快的偵測(cè)速度。然而，當(dāng)噪聲使功率測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差，并掩蓋了低電平信號(hào)時(shí)，非相干偵測(cè)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法分離信號(hào)與噪聲。在這種情況下，需要一個(gè)正值的 SNR 以增加使用非相干偵測(cè)的偵測(cè)幾率。另一方面，與非相干方法相比，使用相干偵測(cè)技術(shù)的射頻傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合多個(gè)接收機(jī)所捕獲的信號(hào)，可以顯著提高偵測(cè)幾率。一種相干處理方法使用了互相關(guān)功能。在這種情況中，來(lái)自?xún)蓚€(gè)單獨(dú)傳感器的同一發(fā)射信號(hào)的測(cè)量結(jié)果是互相關(guān)的，導(dǎo)致獨(dú)立噪聲特征受到抑制。在長(zhǎng)互相關(guān)時(shí)間的理論極限中，接收機(jī)和環(huán)境噪聲不是問(wèn)題，接收機(jī)的性能(包括其噪聲系數(shù))對(duì)系統(tǒng)偵測(cè)性能的影響變得更小。即使當(dāng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間很短時(shí)，使用多個(gè)傳感器的相干偵測(cè)也比非相干偵測(cè)方案更具優(yōu)勢(shì)。

作為使用非相干偵測(cè)的接收機(jī)與使用相干偵測(cè)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在偵測(cè)幾率方面的比較，圖 7 顯示了使用傳統(tǒng)技術(shù)與互相關(guān)技術(shù)的三個(gè)射頻傳感器的偵測(cè)幾率等高線(xiàn)圖。在該圖中，藍(lán)色區(qū)域是偵測(cè)1.6GHz信號(hào)(發(fā)射功率為300 mW、帶寬為200 kHz)的幾率達(dá)到或超過(guò)80%的區(qū)域。紅色陰影區(qū)域是偵測(cè)幾率低于20%的區(qū)域。

如圖a所示，獨(dú)立監(jiān)測(cè)信號(hào)電平的傳感器只在非常小的區(qū)域內(nèi)具有較高的偵測(cè)幾率。對(duì)于這個(gè)傳統(tǒng)的非相干方案，偵測(cè)性能受到接收機(jī)性能和鄰近增益的限制。

對(duì)于另一種方案，圖b顯示了使用相同測(cè)量、但是現(xiàn)在進(jìn)行了相干的相同傳感器的偵測(cè)幾率性能。如圖所示，與使用傳統(tǒng)方法相比，高偵測(cè)幾率區(qū)域有了顯著增加。使用傳感器網(wǎng)絡(luò)偵測(cè)信號(hào)的方法使您可以采用低成本的接收機(jī)或射頻傳感器，這種方法可以提供"恰好夠用"的性能，同時(shí)又能提供可以擴(kuò)展和遠(yuǎn)程管理的系統(tǒng)。

射頻傳感器方法的另一個(gè)好處是有可能定位周?chē)h(huán)境中的發(fā)射機(jī)。尋找室內(nèi)和/或室外無(wú)線(xiàn)發(fā)射機(jī)所在位置的應(yīng)用有許多，包括搜索和救援、跟蹤貴重設(shè)備、尋找違法的或干擾發(fā)射機(jī)的活動(dòng)等等。業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多不同的技術(shù)來(lái)定位無(wú)線(xiàn)發(fā)射機(jī)，包括接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)、到達(dá)角(AOA)、到達(dá)時(shí)間(TOA)和到達(dá)時(shí)間差(TDOA)。這些方法大多需要從三個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立位置進(jìn)行測(cè)量。無(wú)論測(cè)量涉及的是功率電平、飛行時(shí)間還是其他一些參數(shù)或這些參數(shù)的組合，發(fā)射機(jī)的地理位置通常都是由接收信號(hào)的數(shù)學(xué)三角關(guān)系決定的。使用射頻傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的信號(hào)的相干處理過(guò)程非常適用于進(jìn)行地理定位。對(duì)于這種應(yīng)用，前面討論的互相關(guān)屬性也可以導(dǎo)致傳感器對(duì)之間出現(xiàn)到達(dá)時(shí)間差。利用三對(duì)或更多對(duì)射頻傳感器之間的TDOA，可以根據(jù)傳感器的位置，通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算出未知發(fā)射機(jī)的位置。例如，圖8顯示了兩對(duì)傳感器之間的互相關(guān)測(cè)量結(jié)果。在該圖中，從傳感器1和傳感器2獲得的測(cè)量結(jié)果之間的互相關(guān)以藍(lán)色顯示，傳感器2和傳感器3之間的互相關(guān)以黃色顯示。圖中沒(méi)有顯示傳感器1和3之間的相關(guān)，但這種相關(guān)對(duì)確定發(fā)射機(jī)位置必不可少。互相關(guān)中的峰值與在相關(guān)接收機(jī)對(duì)上測(cè)得的信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)間相符。本圖中的所有相關(guān)測(cè)量結(jié)果都是來(lái)自一個(gè)發(fā)射寬帶 CDMA 信號(hào)的發(fā)射機(jī)。使用互相關(guān)響應(yīng)中的峰值之間的時(shí)間差，可以計(jì)算出發(fā)射機(jī)的位置。在此例中，1-2和2-3相關(guān)峰值之間的時(shí)間差Δt大約等于10微秒。使用1-2/1-3和2-3/1-3傳感器對(duì)的峰值時(shí)間差，可以通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算出發(fā)射機(jī)的位置。應(yīng)該知道，使用更多的傳感器可以顯著改 善地理定位精度，特別是在路徑較多的環(huán)境中。

圖7 使用非相干偵測(cè)方案

和相干偵測(cè)方案的偵測(cè)幾率

圖8 多個(gè)射頻傳感器之間的互相關(guān)響應(yīng)

掃描調(diào)諧接收機(jī)(頻譜儀)

?大的頻率范圍內(nèi)快速掃描
?窄的頻率范圍掃描慢
?單臺(tái)儀器

單信道測(cè)試接收機(jī)

?窄的頻率范圍內(nèi)快速掃描
?系統(tǒng)帶寬與被測(cè)信號(hào)相當(dāng)

寬帶測(cè)試接收機(jī) (偵測(cè)系統(tǒng))

?大的頻率范圍內(nèi)快速掃描
?窄的頻率范圍內(nèi)快速掃描
?系統(tǒng)帶寬大于被測(cè)信號(hào)帶寬
?對(duì)持續(xù)時(shí)間短的信號(hào)獲得高POI

以上是信號(hào)監(jiān)測(cè)的基本概念，射頻頻譜的信號(hào)監(jiān)測(cè)與頻率管理所采用的技術(shù)、目標(biāo)和發(fā)展趨勢(shì)，并掌握一些新監(jiān)測(cè)技術(shù)，它們采用低成本、分布式的射頻傳感器，可以改善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的偵測(cè)能力。最后，還介紹了一種確定無(wú)線(xiàn)發(fā)射機(jī)地理位置的方法。