隨著無線設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò)的不斷增長,射頻環(huán)境越來越多的人,越來越吵,越來越難以管理,而許多服務(wù)都在爭奪同樣的資源:射頻波段。在這種情況下,測量和分析特定位置的射頻頻譜的能力在許多情況下是極其有用的,為移動服務(wù)運營商提供了優(yōu)化射頻使用的手段,防止信道飽和,并在無線通信方面做出更明智的決定。此外,頻譜分析由于能夠探測和定位惡意或敵對信號的來源,在軍事行動中以及在諸如電子戰(zhàn)和信號情報等與國防有關(guān)的任務(wù)中越來越普遍。因此,光譜監(jiān)測和記錄是現(xiàn)代射頻工業(yè)民用和軍用的基本特征。

在本文中,我們首先介紹了頻譜分析系統(tǒng)的基本概念和特點,以及需要它們的情況。然后,我們討論了最先進的軟件定義無線電(SDR)與高性能的主機計算機和服務(wù)器相結(jié)合,如何能夠測量和分析超寬帶頻譜信息,這需要處理和記錄大量數(shù)據(jù),同時進行并行和低延遲計算。本討論包括描述在模塊化特別提款權(quán)和主機系統(tǒng)中實現(xiàn)的現(xiàn)成商業(yè)組件,以及處理這些應(yīng)用程序中所需處理量的可編程燃料元件核心所涉及的高級DSP技術(shù)。最后,我們介紹了一些涉及特別提款權(quán)的實際頻譜監(jiān)控和記錄應(yīng)用程序,以及這些組件如何能夠提高測量系統(tǒng)的性能.

什么是頻譜監(jiān)測,為什么我們需要它?

光譜監(jiān)測包括連續(xù)測量和分析到達接收器天線的電磁信號的頻率含量,從而能夠獲取在時間范圍內(nèi)無法獲得的重要信息。通過掃描信號的頻率含量,可以獲得每一頻率的模量和相位數(shù)據(jù),從而可以計算重要的信號參數(shù),包括源距離/方向和調(diào)制方案。這些特性對電子戰(zhàn)技術(shù)至關(guān)重要,是對抗干擾、干擾、欺騙和其他電子戰(zhàn)攻擊的第一道防線,為部署反攻和進攻戰(zhàn)略提供了手段。

在軍事范圍之外,頻譜監(jiān)測技術(shù)可用于若干民用應(yīng)用,例如確定頻譜的可用性,在EMI/EMC測試中確定射頻信號和電磁發(fā)射的特征,計算傳輸模式,以及在關(guān)鍵頻帶中進行實時噪聲/干擾檢測。它還可用于檢測和定位非法無線電傳輸,確保適當管理受管制的頻譜?，F(xiàn)代頻譜監(jiān)測中最大的挑戰(zhàn)之一是可靠地處理射頻信號隨時間的變化,而傳統(tǒng)設(shè)備不容易做到這一點。需要同時捕獲大部分帶寬的系統(tǒng)不能依靠簡單的基于掃描的頻譜分析,因此必須實現(xiàn)某種形式的實時頻譜分析器(RSA)。大范圍頻譜分析可以提供更多關(guān)于信號的信息,因為它能夠捕捉到頻率組件中非?？焖俚膭討B(tài)變化。

頻譜分析儀的實際實現(xiàn)因應(yīng)用的要求和局限性而大不相同。例如,在移動網(wǎng)絡(luò)和其他射頻服務(wù)中,該技術(shù)用于實時檢查每個頻道的頻譜使用情況,保護持牌用戶免遭惡意信號,防止非法用戶的活動,優(yōu)化頻譜使用,并確保遵守監(jiān)管機構(gòu)的規(guī)定。

另一方面,對于電子戰(zhàn)和SIGINT的應(yīng)用,越來越多的使用rf武器和設(shè)備,使對光譜的連續(xù)了解成為勝利和失敗的區(qū)別。這是因為目前的軍隊幾乎把射頻收發(fā)器應(yīng)用于每一種設(shè)備,包括戰(zhàn)術(shù)無線電、飛機通信系統(tǒng)、GPS制導導彈和雷達。因此,頻譜監(jiān)測工具可以為電子攻擊和防御提供強有力的手段,并為任何電子戰(zhàn)努力提供支持。在這些系統(tǒng)中,實時捕獲高瞬時帶寬可顯著增加探測和攔截射頻攻擊的可能性,并通過同時測量和處理各種頻率來提高決策速度。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭裝備中,例如無人駕駛飛行器(UAV),使用了大量在非常低的延遲下工作的數(shù)據(jù),因此,重要的是更新傳統(tǒng)的頻譜監(jiān)測設(shè)備,使其具有更大的瞬時帶寬,解決這些新的射頻技術(shù),并避免過時。

頻譜監(jiān)測及記錄系統(tǒng)

為了了解特別提款權(quán)如何改進頻譜監(jiān)控應(yīng)用程序,讓我們來討論一下制造這些強大的多功能無線電設(shè)備的基本組件。顧名思義,軟件定義的無線電是為將無線電處理模式從模擬域轉(zhuǎn)移到數(shù)字域而開發(fā)的射頻組件。從這個意義上說,特別提款權(quán)由兩個主要功能塊組成:無線電前端(RFA)和數(shù)字后端。

RFP負責天線耦合、信號放大、濾波和混合所需的所有模擬操作。因此,它是特別提款權(quán)操作的一個關(guān)鍵部分,包含了所有接收(RX)和傳輸(TX)功能,這些功能是在寬調(diào)諧范圍(0-18千兆赫)上操作信號所必需的。此外,適當設(shè)計RLU是實現(xiàn)高實時帶寬的基礎(chǔ),而高即時帶寬是實時頻譜監(jiān)控的必要條件。市場上最高帶寬的特別提款權(quán)可以達到每個無線電鏈1-3千兆赫,有多達16個無線電頻道可利用獨立的發(fā)援會/ADC模塊,使每個頻道分別配置具有不同的頻譜特性。因此,這些特別提款權(quán)可以在任何特定時間覆蓋高達16千兆赫的帶寬。

另一方面,數(shù)字后端負責特別提款權(quán)模塊的所有DSP功能,包括調(diào)制、解調(diào)、上/下轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)封裝。同時,它還可以運行用戶定義的特定應(yīng)用算法,包括頻譜監(jiān)測協(xié)議和人工智能(AI)驅(qū)動的處理算法。

在最先進的特別提款權(quán),數(shù)字后端是由一個高性能的fpg,能夠完全重新編程其內(nèi)部邏輯。這極大地提高了特別提款權(quán)的可重構(gòu)性和靈活性,使之能夠在不需要任何硬件修改的情況下,為最新的無線電協(xié)議和DSP算法進行升級,同時也使其能夠適應(yīng)當前的不同情況。通過使用基于fpga的數(shù)字后端,特別提款權(quán)還可以進行大量并行計算,與高性能存儲解決方案和主機軟件相結(jié)合,為頻譜監(jiān)測系統(tǒng)提供了強大的構(gòu)建模塊。

要正確處理頻譜監(jiān)測應(yīng)用程序,特別提款權(quán)設(shè)計必須滿足若干要求,以符合這些設(shè)備預(yù)期的性能標準。這些需求之一是實現(xiàn)存儲解決方案,這對于向主機系統(tǒng)發(fā)送大量數(shù)據(jù)而不丟包或丟失至關(guān)重要。為了實現(xiàn)此功能,存儲解決方案必須使用高性能的網(wǎng)絡(luò)接口卡(NICS),數(shù)據(jù)速率為10G,40G,100G。市場上流量最高的特別提款權(quán)實現(xiàn)基于fpga的Nics,以防止丟包,并防止NvmeSSDS,從而正確處理非常高的數(shù)據(jù)吞吐量。為了確保最優(yōu)化的讀寫操作,SSDS被配置在一個獨立磁盤(RAID)的隨機數(shù)組中。

軟件方面,有幾種必要的DSP算法和性能標準進行適當?shù)念l譜監(jiān)測。首先,fpGA必須提供與主機網(wǎng)絡(luò)的高性能連接,其中數(shù)據(jù)必須以40/100gbps的最多4個鏈接將數(shù)據(jù)打包到以太網(wǎng)幀中,用于高數(shù)據(jù)吞吐量通信。來自ADC通道的數(shù)據(jù)通過JISD鏈接發(fā)送到FPGA,這使得轉(zhuǎn)換的信號能夠快速序列化。通過在數(shù)據(jù)分組中實現(xiàn)VTAA49標準,支持了高精度時間戳,使人們能夠了解接收信號的確切時間,從而可進一步用于頻譜監(jiān)測中的方向查找算法,例如DOA(到達差)算法及其變異(TDOA-時間DOA、PDOA-相位DOA)。

另一個重要的DSP功能是CODHIC混合,這是對高性能的數(shù)字信號上/下轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。最后,fpga必須執(zhí)行幾個基本的數(shù)值算法來將信號轉(zhuǎn)換為頻域,并進行相關(guān)的測量,包括濾波、壓縮、快速傅立葉變換(FFT)和功率測量。

與傳統(tǒng)的射頻方法相比,在頻譜監(jiān)測應(yīng)用中使用特別提款權(quán)有幾個優(yōu)點。首先,大多數(shù)高端特別提款權(quán)提供完全獨立配置的多輸入多輸出(MIMO)RFP通道,這使多個測量鏈覆蓋不同部分的頻譜,從而產(chǎn)生了非常寬的實時測量帶寬。市場上最高通道計數(shù)的特別提款權(quán)可提供多達16個獨立的ADCS頻道進行同步測量,這可以顯著降低硬件復(fù)雜性、設(shè)備計數(shù)和體積。此外,特別提款權(quán)提供了與現(xiàn)有系統(tǒng)(包括遺留設(shè)備)的高度互操作性,使其能夠為較舊的交通管制站或網(wǎng)絡(luò)站實施延長使用壽命方案,以及能夠?qū)⑿录夹g(shù)納入現(xiàn)有特別提款權(quán)系統(tǒng)。特別提款權(quán)的無線電方面也非常精確,因為無線電單元與大多數(shù)信號處理功能脫鉤,因此可以根據(jù)性能進行調(diào)整,達到極好的噪音數(shù)字和無噪聲動態(tài)范圍,這是檢測和/或消除干擾或干擾所產(chǎn)生的不需要的信號的根本。最后,基于fgpa的數(shù)字后端允許特別提款權(quán)隨時進行完全的重新配置,這意味著特別提款權(quán)可以自動適應(yīng)不同的條件和興趣范圍,可以隨時進行升級以執(zhí)行行業(yè)中最新的協(xié)議,并在需要時完全重新使用,無需任何硬件修改。特別提款權(quán)的無線電方面也非常精確,因為無線電單元與大多數(shù)信號處理功能脫鉤,因此可以根據(jù)性能進行調(diào)整,達到優(yōu)秀的噪音數(shù)字和無噪聲動態(tài)范圍,這是檢測和/或消除干擾或干擾所產(chǎn)生的不需要的信號的根本。最后,基于fgpa的數(shù)字后端允許特別提款權(quán)隨時進行完全的重新配置,這意味著特別提款權(quán)可以自動適應(yīng)不同的條件和興趣范圍,可以隨時進行升級以執(zhí)行行業(yè)中最新的協(xié)議,并在需要時完全重新使用,無需任何硬件修改。特別提款權(quán)的無線電方面也非常精確,因為無線電單元與大多數(shù)信號處理功能脫鉤,因此可以根據(jù)性能進行調(diào)整,達到優(yōu)秀的噪音數(shù)字和無噪聲動態(tài)范圍,這是檢測和/或消除干擾或干擾所產(chǎn)生的不需要的信號的根本。最后,基于fgpa的數(shù)字后端允許特別提款權(quán)隨時進行完全的重新配置,這意味著特別提款權(quán)可以自動適應(yīng)不同的條件和興趣范圍,可以隨時進行升級以執(zhí)行行業(yè)中最新的協(xié)議,并在需要時完全重新使用,無需任何硬件修改。獲得優(yōu)秀的噪音數(shù)字和無偽動態(tài)范圍,這是檢測和/或消除來自干擾或干擾的不需要的信號的基礎(chǔ)。最后,基于fgpa的數(shù)字后端允許特別提款權(quán)隨時進行完全的重新配置,這意味著特別提款權(quán)可以自動適應(yīng)不同的條件和興趣范圍,可以隨時進行升級以執(zhí)行行業(yè)中最新的協(xié)議,并在需要時完全重新使用,無需任何硬件修改。獲得優(yōu)秀的噪音數(shù)字和無偽動態(tài)范圍,這是檢測和/或消除來自干擾或干擾的不需要的信號的基礎(chǔ)。最后,基于fgpa的數(shù)字后端允許特別提款權(quán)隨時進行完全的重新配置,這意味著特別提款權(quán)可以自動適應(yīng)不同的條件和興趣范圍,可以隨時進行升級以執(zhí)行行業(yè)中最新的協(xié)議,并在需要時完全重新使用,無需任何硬件修改。升級,以執(zhí)行該行業(yè)最新的協(xié)議,并在需要時完全重新使用,無需任何硬件修改。升級,以執(zhí)行該行業(yè)最新的協(xié)議,并在需要時完全重新使用,無需任何硬件修改。

寬帶特別提款權(quán)的應(yīng)用

寬帶特別提款權(quán)在頻譜監(jiān)測系統(tǒng)中的主要應(yīng)用是電子戰(zhàn)。這一術(shù)語涵蓋旨在攻擊或保護電子系統(tǒng)的任何軍事活動,可分為三種功能:電子攻擊(EA)、電子保護(EP)和電子戰(zhàn)支援(ERT),每種功能在戰(zhàn)場上都有具體目標。不同于傳統(tǒng)戰(zhàn)爭,電子戰(zhàn)任務(wù)大多在電磁環(huán)境中進行,因此射頻系統(tǒng)是這些系統(tǒng)的基本組成部分。電子戰(zhàn)可以由載人、無人或無人看管的飛行器部署,從空中、海上、太空和網(wǎng)絡(luò)空間運行。

典型的EA活動例子是干擾,它包括使用強信號或欺騙性信號使敵方設(shè)備無用。它常被應(yīng)用于雷達和指揮控制系統(tǒng),因此,干擾會嚴重危害敵方的情報、空間意識、監(jiān)視和偵察。另一方面,EP活動的目的是為了保護敵方的裝備不受敵方的影響。例如,EP模塊負責使用跳頻和其他技術(shù),使雷達在有干擾的情況下運行。頻譜管理和協(xié)調(diào)是EP和EWS的一種形式,可以用來檢測和定位對抗信號,以保護設(shè)備,收集敵方信息,或協(xié)調(diào)攻擊。

sdrs為電子戰(zhàn)應(yīng)用提供了幾個有利的特性。首先,利用高分辨率ADCS、強大的線性放大器和電壓控制衰減器,高性能的RFP提供了足夠的動態(tài)范圍和非常低的噪聲圖。動態(tài)范圍和噪聲底板決定了一個特別提款權(quán)可以獲得的最小和最大信號,它定義了電子戰(zhàn)系統(tǒng)的運行范圍。

其次,數(shù)字后端不僅可以執(zhí)行基本的無線電功能,而且可以執(zhí)行在電子戰(zhàn)應(yīng)用中至關(guān)重要的強大的DSP算法,如脈沖壓縮、波束形成/波束轉(zhuǎn)向、定制濾波技術(shù)、跳頻等。波束形成和波束轉(zhuǎn)向在電子戰(zhàn)監(jiān)測應(yīng)用中特別有趣,因為它們可以用來將射頻束聚焦到特定的位置,以提高敏感性,從測量中消除干擾源。

此外,每一個特別提款權(quán)信道都提供了一個可調(diào)整的射頻帶寬最高可達3千兆赫的高采樣率,這對于電子戰(zhàn)中的實時寬帶頻譜監(jiān)測/記錄非常重要。特別提款權(quán)還可以提供攻擊性信道和頻譜掩蔽技術(shù),從而限制了鄰近信道的干擾。高端特別提款權(quán)通常實現(xiàn)非常精確的時鐘板集成到系統(tǒng)中,使其在方向查找算法方面達到優(yōu)異的性能,這是方向查找算法的關(guān)鍵。

最后,可以設(shè)計和定制模塊化特別提款權(quán),以滿足若干尺寸、重量和功率(交換)要求,同時又不喪失核心性能,因此,這些特別提款權(quán)可以在從戰(zhàn)艦固定站的大型機架裝置到便攜式移動系統(tǒng)的小型無線電裝置等各種應(yīng)用中實現(xiàn)。

光譜監(jiān)測系統(tǒng)是信號智能設(shè)備的重要組成部分.SIGINT是一個總括概念,包括通過攔截和解碼感興趣的信號獲取情報,這些信號可以來自通信(COMIT-通信情報),也可以來自與通信無關(guān)的電子信號(ELINT-電子情報)。在軍事背景下,SIGINT是C2系統(tǒng)、形勢意識和公共安全的基礎(chǔ)。通過檢測、測量和分析感興趣的信號,可以獲得關(guān)鍵信息,以支持決策,并能夠以最高的成功概率實現(xiàn)基于實時數(shù)據(jù)的戰(zhàn)略。SIGINT系統(tǒng)不容易設(shè)計,因為信號必須被捕獲、翻譯、解釋,然后才用來形成策略。因此,SIGINT和電子戰(zhàn)之間的邊界非常模糊,SIGINT系統(tǒng)經(jīng)常用于支持電子戰(zhàn)任務(wù)。

高端特別提款權(quán)的靈活性和精度為SIGINT應(yīng)用提供了優(yōu)異的射頻性能。在這種情況下,靈活性是關(guān)鍵,因為幾乎任何SIGINT算法都可以編程到同一特別提款權(quán)。這使通用COts設(shè)備能夠使用非常具體的DSP算法,包括到達計算角度(時間和相位差)、加密/解密引擎、星座圖、示波器、實時光譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和功率表。它還可以執(zhí)行不同的解調(diào)方案,然后在飛行中進行改變,允許它捕捉來自多個來源的信號并抵消跳頻機制。當然,它也可以執(zhí)行跳頻協(xié)議以防止干擾、欺騙和偷聽攻擊。

MIMO特別提款權(quán)對于SIGINT分析來說是完美的,因為它們可以在多個測量鏈上獲得每個通道的寬帶寬,這提供了在傳統(tǒng)系統(tǒng)中不可行的全頻譜覆蓋。每個通道都由一個具有高速轉(zhuǎn)換速率的專用ADC提供動力,從而產(chǎn)生可以獨立配置的非常高的瞬時帶寬。此外,多目標信號處理器還可以執(zhí)行波束形成和波束轉(zhuǎn)向協(xié)議,使射頻光束的方向性最大限度地減少干擾,優(yōu)化對某一方向的敏感性,增加信號檢測的可能性。最后,可將測量信號(I/Q采樣數(shù)據(jù))分組到以太網(wǎng)光鏈路(VATA49)中,從而使數(shù)據(jù)在主機網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量非常高。

結(jié)論

在一個以無線通信和射頻信號為主導的世界里,頻譜監(jiān)控在許多應(yīng)用中已成為一種更必要的功能。通過測量傳入的電磁輻射,利用信號處理技術(shù)將信號轉(zhuǎn)換到頻域,從而能夠?qū)︻l譜含量進行分析并根據(jù)此作出決定。這對移動網(wǎng)絡(luò)運營商尤為重要,因為他們必須確保通過射頻通道進行適當?shù)耐ㄐ?并在電子戰(zhàn)和信號情報中開展多種軍事行動。然而,目前的射頻設(shè)備可以使用非常高的頻率,高的數(shù)據(jù)吞吐量和低的延遲,因此頻譜監(jiān)控解決方案必須跟上這種現(xiàn)代化。

傳統(tǒng)的基于掃描的頻譜測量不足以實現(xiàn)實時監(jiān)測所需的非常高的瞬時帶寬,因此基于sdr的系統(tǒng)與強大的主機和存儲解決方案相結(jié)合,正在成為實時頻譜分析的規(guī)范。多聲道特別提款權(quán)可以捕捉多個獨立信道上非常寬的瞬間帶寬(每個信道最多3千兆赫),這大大增加了整個頻譜覆蓋率。此外,可編程的高度靈活性和可編程性,可遠程和飛行維護,配置和升級無線電單元,沒有任何硬件修改。此外,數(shù)字單元提供數(shù)據(jù)分組算法,能夠滿足頻譜監(jiān)測應(yīng)用所需的非常低延遲和高數(shù)據(jù)吞吐量。