沉浸式體驗頻譜監(jiān)測和信號分析教程

與實驗室或生產(chǎn)制造的射頻測試測量相比，在外場對空中的無線電信號進行頻譜監(jiān)測和信號分析是完全不同的業(yè)務(wù)場景和技術(shù)體系。在外場打開儀表，工程師會立刻面對復(fù)雜的電磁環(huán)境和大量的未知信號，但外場通常是相對緊急的干擾定位或故障排查工作，故要求工程師深入理解儀表并可以熟練操作。這也是諸如無線電監(jiān)管、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施運行保障和公共安全機構(gòu)開展各類技術(shù)演練的初衷之一，即訓(xùn)練工程師在準(zhǔn)確設(shè)置儀表的基礎(chǔ)上快速反應(yīng)。

對外場頻譜監(jiān)測我們有如下建議：

1.

采用專用的接收機和測向機，關(guān)注射頻前端、天線、專用功能的整體技術(shù)體系；

2.

需具備信號記錄和分析技術(shù)能力，以應(yīng)對日益復(fù)雜的信號環(huán)境和快速的技術(shù)發(fā)展；

3.

深入了解接收機參數(shù)設(shè)置和相關(guān)原理，以充分發(fā)揮儀表技術(shù)能力。

下面我們就以R&S最為廣泛使用的PR200接收機和CA100信號分析軟件為例，為您提供手把手的頻譜監(jiān)測和信號分析教程

在進行頻譜監(jiān)測和信號分析工作開始之前，我們先要在監(jiān)測頻率范圍內(nèi)進行全景掃描，以便在頻譜中快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信號。與傳統(tǒng)的手持監(jiān)測設(shè)備不同，PR200特別提供了三種不同的工作模式（低噪聲、常規(guī)和低失真），從下圖可以看出，根據(jù)頻段范圍內(nèi)信號的分布情況及目標(biāo)信號的大小，我們可以選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ揭赃m應(yīng)當(dāng)時的應(yīng)用場景需求。比如，當(dāng)需要發(fā)現(xiàn)小信號時，可選擇低噪聲模式，使底噪降低，提高系統(tǒng)靈敏度；當(dāng)需要監(jiān)測強信號時，可選擇低失真模式，減少交調(diào)產(chǎn)物等虛假信號的產(chǎn)生，提高系統(tǒng)線性度；而常規(guī)模式可提供較為均衡的系統(tǒng)靈敏度和線性度，適合一般應(yīng)用場景。

常規(guī)模式

低噪聲模式

低失真模式

▲圖1 三種工作模式下的全景掃描頻譜結(jié)果

另外，PR200還提供可以選擇自動或手動模式的衰減器，并支持以1 dB為步進的最大40 dB的衰減值設(shè)置。通過衰減器的設(shè)置，可以避免PR200進入過載狀態(tài)，提高測量動態(tài)范圍。如左下圖，右上角紅色閃電標(biāo)記顯示設(shè)備進入過載狀態(tài)。開啟自動衰減模式（右下圖，衰減值24 dB）后，可以清晰地在頻譜中對紅色標(biāo)記內(nèi)的微弱信號進行監(jiān)測。

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▲圖2 衰減器關(guān)閉和開啟狀態(tài)下中頻頻譜的對比

在進行頻譜監(jiān)測或干擾分析時，我們經(jīng)常需要對信號發(fā)射源的類型進行判斷和識別。對于簡單的模擬調(diào)制信號（如AM/FM廣播、ATC、模擬對講機等），可以根據(jù)信號調(diào)制的技術(shù)特點，通過頻譜和瀑布圖對信號類型進行初步判斷。由于PR200內(nèi)置多種模擬解調(diào)器，我們可以在儀表上直接設(shè)置解調(diào)方式和解調(diào)帶寬，通過解調(diào)后生成的音頻信息對信號類型進行進一步的確認。

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▲圖3FM廣播信號的頻譜和瀑布圖特征（伴有音頻解調(diào)）

對于數(shù)字調(diào)制信號，有些具有明顯特征的可以從頻譜上直接識別，比如下圖這樣的2FSK信號。

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▲圖4 2FSK信號的頻譜和瀑布圖特征

如果碰到從頻譜上不易分辨調(diào)制類型的數(shù)字信號（比如各種PSK和QAM調(diào)制信號），這時就可以使用專業(yè)信號分析軟件CA100配合PR200運行，來對信號進行自動識別和測量。CA100從接收機獲取信號的IQ數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過算法處理，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種模擬和數(shù)字調(diào)制信號類型的自動識別，還可以對信號的通信體制（傳輸系統(tǒng)）、符號速率、OFDM相關(guān)參數(shù)等進行深入的識別和測量，以及完成解調(diào)和解碼等信號處理功能。

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▲圖5 使用PR200和CA100對TETRA信號進行自動識別、參數(shù)測量和解調(diào)處理

對于周期性發(fā)射的信號，我們可以在PR200的瀑布圖上做標(biāo)記線（MARKER），輕松地測量信號的各種參數(shù)，包括周期、持續(xù)時間、占用帶寬等，并可以通過計算得到信號的占空比指標(biāo)（持續(xù)時間/發(fā)射周期）。

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▲圖6 使用標(biāo)記線測量信號的持續(xù)時間、發(fā)射周期和占用帶寬等參數(shù)

而對于掃頻信號，還可以在瀑布圖上應(yīng)用標(biāo)記線功能對各種信號參數(shù)進行精確的測量（如下圖中，掃頻周期3.1 s、信道頻率間隔1 MHz、掃頻跨度30 MHz），并可通過計算得出掃頻信道數(shù)（掃頻跨度/信道頻率間隔+1=31）。

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▲圖7 使用標(biāo)記線功能測量掃頻信號的掃頻周期、信道頻率間隔、掃頻跨度等參數(shù)

對掃頻信號在每個信道上的駐留時間，我們可以根據(jù)信號實際情況更改頻譜的測量模式（選擇“周期”、“手動”）并通過設(shè)置合適的測量時間（取決于信號的具體駐留時間大小），從而將信號在瀑布圖的時間軸上擴展到適合測量的范圍，以便對單個信號的駐留時間進行精確測量（如圖100 ms）。

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▲圖8 通過更改頻譜測量模式和測量時間對單個信號的駐留時間進行精確測量

另外，我們還可以將頻譜軌跡線（TRACE）設(shè)置為最大值保持模式，從而更直觀地在頻譜上對掃頻信號的整體情況進行觀測。

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▲圖9 通過跡線最大值保持模式顯示掃頻信號頻譜歷史信息

當(dāng)需要對某些短時信號（脈沖、雷達、TDMA通信等）進行精準(zhǔn)分析或精確測量時，上述頻域分析手段（頻譜+瀑布圖）就難以勝任了，這時候就需要用到PR200獨具特色的零跨度（Zero Span）功能。比如對于脈寬20 μs、發(fā)射周期100 μs的脈沖信號，在實時頻譜和瀑布圖上已經(jīng)無法對其進行分辨和測量（見下圖）。

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▲圖10 無法通過頻譜和瀑布圖顯示脈沖信號的周期性特征

此時，我們可以在頻域分析的基礎(chǔ)上引入時域分析功能（零跨度），對上述脈沖信號的實時頻譜和時域波形進行同步顯示。通過在信號的時域波形圖上做標(biāo)記線，便可輕松地實現(xiàn)對周期性脈沖信號的精確測量。

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▲圖11 使用零跨度功能精確測量脈沖信號的發(fā)射周期和脈沖寬度

除了可以對時域參數(shù)進行測量外，我們還可以通過PR200的門控頻譜（Gated Spectrum）功能對TDD通信（如TD-LTE和5G）中存在的上行干擾信號進行分析和定位排查。

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▲圖12 通過門控頻譜功能查看TDD通信中是否存在上行干擾

“工欲善其事，必先利其器“，PR200就是我們用來進行頻譜監(jiān)測和信號分析的一把利器。通過對PR200的應(yīng)用功能的熟練掌握，配合恰當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置和使用技巧，再加上專業(yè)信號分析軟件CA100的加持，定能讓我們輕松應(yīng)對各種頻譜監(jiān)測和信號分析應(yīng)用的技術(shù)需求！

審核編輯：劉清