隨著無線設備、物聯(lián)網(wǎng)和5G網(wǎng)絡的不斷增長,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的任務中越來越普遍。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器相結合,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。最后,我們介紹了一些涉及特別提款權的實際頻譜監(jiān)控和記錄應用程序,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)技術至關重要,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)測技術可用于若干民用應用,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)因應用的要求和局限性而大不相同。例如,在移動網(wǎng)絡和其他射頻服務中,該技術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)管機構的規(guī)定。

另一方面,對于電子戰(zhàn)和SIGINT的應用,越來越多的使用rf武器和設備,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)器應用于每一種設備,包括戰(zhàn)術無線電、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)測設備,使其具有更大的瞬時帶寬,解決這些新的射頻技術,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如何改進頻譜監(jiān)控應用程序,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,它是特別提款權操作的一個關鍵部分,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,適當設計RLU是實現(xiàn)高實時帶寬的基礎,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模塊的所有DSP功能,包括調(diào)制、解調(diào)、上/下轉換和數(shù)據(jù)封裝。同時,它還可以運行用戶定義的特定應用算法,包括頻譜監(jiān)測協(xié)議和人工智能(AI)驅動的處理算法。

在最先進的特別提款權,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的可重構性和靈活性,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合,為頻譜監(jiān)測系統(tǒng)提供了強大的構建模塊。

要正確處理頻譜監(jiān)測應用程序,特別提款權設計必須滿足若干要求,以符合這些設備預期的性能標準。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/下轉換的關鍵。最后,fpga必須執(zhí)行幾個基本的數(shù)值算法來將信號轉換為頻域,并進行相關的測量,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)測應用中使用特別提款權有幾個優(yōu)點。首先,大多數(shù)高端特別提款權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雜性、設備計數(shù)和體積。此外,特別提款權提供了與現(xiàn)有系統(tǒng)(包括遺留設備)的高度互操作性,使其能夠為較舊的交通管制站或網(wǎng)絡站實施延長使用壽命方案,以及能夠將新技術納入現(xiàn)有特別提款權系統(tǒng)。特別提款權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隨時進行完全的重新配置,這意味著特別提款權可以自動適應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隨時進行完全的重新配置,這意味著特別提款權可以自動適應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隨時進行完全的重新配置,這意味著特別提款權可以自動適應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。最后,基于fgpa的數(shù)字后端允許特別提款權隨時進行完全的重新配置,這意味著特別提款權可以自動適應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。最后,基于fgpa的數(shù)字后端允許特別提款權隨時進行完全的重新配置,這意味著特別提款權可以自動適應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。

寬帶特別提款權的應用

寬帶特別提款權在頻譜監(jiān)測系統(tǒng)中的主要應用是電子戰(zhàn)。這一術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備無用。它常被應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,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,以保護設備,收集敵方信息,或協(xié)調(diào)攻擊。

sdrs為電子戰(zhàn)應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)應用中至關重要的強大的DSP算法,如脈沖壓縮、波束形成/波束轉向、定制濾波技術、跳頻等。波束形成和波束轉向在電子戰(zhàn)監(jiān)測應用中特別有趣,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。特別提款權還可以提供攻擊性信道和頻譜掩蔽技術,從而限制了鄰近信道的干擾。高端特別提款權通常實現(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鍵。

最后,可以設計和定制模塊化特別提款權,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用中實現(xiàn)。

光譜監(jiān)測系統(tǒng)是信號智能設備的重要組成部分.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。通過檢測、測量和分析感興趣的信號,可以獲得關鍵信息,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。

高端特別提款權的靈活性和精度為SIGINT應用提供了優(yōu)異的射頻性能。在這種情況下,靈活性是關鍵,因為幾乎任何SIGINT算法都可以編程到同一特別提款權。這使通用COts設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)絡中的吞吐量非常高。

結論

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,利用信號處理技術將信號轉換到頻域,從而能夠對頻譜含量進行分析并根據(jù)此作出決定。這對移動網(wǎng)絡運營商尤為重要,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合,正在成為實時頻譜分析的規(guī)范。多聲道特別提款權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)測應用所需的非常低延遲和高數(shù)據(jù)吞吐量。