随着数字信号处理技术的发展、数据总线带宽和存储介质读取速度的提高,目前有越来越多的技术手段可以将一段频谱信息实时、无失真、连续的的记录下来,通常称作射频流盘(RF Streaming)。监测人员可以采用频谱分析、数字信号处理、统计分析、解调、解码等方法对记录信号进行后分析,也可以模拟现场电磁环境把记录信号用信号源重新发射出来。

 

本文详细介绍射频流盘的概念和系统结构,讨论射频流盘在监测领域的部分应用,分析选择流盘系统时需要考虑的因素。


1、什么是射频流盘

流盘是将仪器设备采集或处理后的数据实时、连续的传输到存储设备记录。数据采集前端是传感器、数据采集器或者频谱分析仪等测试仪表。采集和记录的数据是实时采样点或者经过处理的 IQ 数据。两种记录数据区别如表 1 所示:

 

表 1、实时采样点和 IQ 数据区别

 

从上表可以看出,实时采样点适合记录基带和低速信号,IQ 样本点适合记录有载波调制的射频信号。去除载波的 IQ 数据,既有利于压缩数据量减少存储样本,又有利于后期信号分析和回放。射频流盘和回放系统通常记录 IQ 数据,系统结构如图 1 所示:

 

图 1、射频流盘系统结构

 

信号记录通路射频变换包括预选滤波、下变频、中频滤波、信号调理、数据采集和 IQ 解调,建议使用通用的信号分析仪,既可以保证采集和存储信号的质量,又有利于系统维护。信号分析仪输出的 IQ 数据通常是 12 位或者 14 位 ADC 的采样结果,不能直接写入磁盘阵列(RAID),需要通过 FPGA 组成的控制电路实现信号变换、同步和路由,然后通过 RAID 控制器接口写入磁盘阵列。记录的频谱数据可以通过相反的过程,由信号源重新发射出来,或者复制到工作站后使用专用的软件回放分析。

 

2、射频流盘在监测领域的应用讨论

射频流盘扩展了信号监测和分析的方法。传统的扫频、步进 FFT 监测接收机仅能实时监测和记录少量处理后的结果,后期能分析的数据和方法非常少。而射频流盘能够监测和保存所有中频电路数字化后的信息,不仅可以复现当时的监测结果,还支持解调、解码、搜索、相关、统计等方法对长时间频谱信息进行不同维度的分析。射频流盘在信号监测领域的应用包括:

 

2.1、信号记录和举证

对于监测接收机和频谱仪测量的信号,监测人员通常利用经验来判断是正常信号还是干扰信号,对干扰信号仅能记录频谱包络(trace)或频谱截图(screen)。但是符合相似频谱包络和频谱截图的发射信号可能有很多,记录的信息作为干扰信号举证并不充分。

 

射频流盘记录了射频信号数字化后的所有信息,不仅可以从频域上复现和分析干扰信号,配合解调、解码等技术手段,还可以分析出干扰信号发射参数、传递内容,作为干扰信号的举证充分完整。

 

2.2、信号解调和解码分析

目前有比较完备的技术手段对模拟信号进行侦听。但是由于调制方式复杂多样、信源和信道编码、加密等原因,数字信号很难被侦听。射频流盘开辟了监测信号后分析的应用。无线电监测人员可以使用各种信号分析软件对流盘数据进行解调、解码分析的尝试,也可以把记录内容转给专业单位对信息进行解析。

 

以记录的未知数字调制信号为例,使用矢量信号分析软件(Vector Signal Analyzer),自动或者手动设置调制方式、符号速率、滤波器等参数,能够恢复出信号的比特流。采用合适的解码器或协议分析仪,可以从比特流中恢复出传递信息。

 

2.3、数字信号处理分析

射频流盘记录的 IQ 数据支持 Matlab、VSA 等数字信号处理软件进行分析。可以在频域上对记录信号重新进行分析,例如信号的回放中更改分辨率带宽(RBW)、参考电平、检波方式等设置,以及增加数字滤波器。也可以使用短时傅里叶变换、时频分析、小波变换等能表征时域和频域信息的方法对信号进行分析。

 

2.4、信号统计分析

对于频谱利用率、信号出现概率和频次、信号相关性、时分信号周期等需要长时间观测和计算的统计信息,监测接收机和频谱仪无法直接测量,使用扫频记录的信号包络进行分析也有很大的测量误差。借助射频流盘专用的回放、搜索、统计分析软件和 Matlab 等工具,可以准确的解决信号时域和统计分析问题。

 

3、选择射频流盘系统时需要考虑的因素

射频流盘是一套系统,包含射频变换器、数据采集器、数据记录仪、数据回放和分析软件等。选择射频流盘系统需要考虑的因素主要包括:

 

3.1、记录信号质量

为保证对记录信号进行准确的分析以及解调、解码,射频流盘记录信号的质量至关重要。记录信号质量主要由射频电路和中频电路的性能决定。射频前端的带内平坦度和线性相移需要经过校准,以保证信号下变频过程中不失真。中频电路主要包括信号调理、数模变换器(ADC)和 IQ 解调器。目前流盘系统的 ADC 通常是 12bit 或 14bit,ADC 的采样位数越高,量化误差和量化噪声越小,系统动态范围越大。无杂散动态范围(SFDR,Spurious Free Dynamic Range)是衡量两部分电路综合性能的指标,SFDR 指带内最大信号的 RMS 幅度与次最大噪声成分或谐波失真成分的 RMS 值之比,常以 dBc 表示 。14bit ADC 的射频流盘系统在 200MHz 记录带宽内 SFDR 通常>75dBc。

 

3.2、频率范围和带宽

射频流盘系统频率范围由前端下变频器或信号分析仪的频率范围决定,目前可以覆盖短波、超短波、微波。射频流盘的带宽与 ADC 的性能、数据总线带宽、磁盘阵列读写速度等相关。目前最大记录带宽超过 100MHz 方案在市面上有多款可供选择。

 

3.3、记录时间

射频流盘记录时间与记录带宽和存储容量直接相关。以 100MHz 记录带宽为例,IQ 采样率通常为 2.5 倍,存储每个样本点 2Byte(12 或 14bit ADC),记录信息速率是 500MB/s,1TB 硬盘可以记录 33 分钟。

 

射频流盘可以设置频谱模板触发、环境电平触发、时间限定电平触发、数据帧触发等触发条件开启,从而只记录感兴趣的信号,减少数据量。

 

3.4、附属信息

射频流盘除了记录频段 IQ 数据,还可以记录 GPS 位置和时间、Marker、系统配置等信息,后续的分析中可以调用这些附属信息进行地图映射、信号归类、统计处理等工作。

 

3.5、数据回放和分析软件

对流盘记录数据的分析为监测工作提供更多有价值的信息。首先要求记录数据格式开放,可以被 Matlab、VSA 等信号分析软件和解调解码软件调用。其次射频流盘方案需要提供软件工具对记录数据进行回放、搜索、截取保存等操作。

 

5、总结

射频流盘扩展了信号监测和分析的技术手段。与宽带实时频谱功能配合,射频流盘非常适合记录分析瞬变和跳变干扰,统计信号周期和持续时间等信息。某些干扰信号,信号监测现场可能没有处理手段或处理能力进行分析,采用射频流盘的方式可以对信号进行事后分析、解调解码等工作。射频流盘作为新的技术工具,在信号监测工作中还有很多应用值得深入探索和研究。