沉浸式體驗(yàn)頻譜監(jiān)測(cè)和信號(hào)分析教程

與實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)制造的射頻測(cè)試測(cè)量相比，在外場(chǎng)對(duì)空中的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)和信號(hào)分析是完全不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景和技術(shù)體系。在外場(chǎng)打開儀表，工程師會(huì)立刻面對(duì)復(fù)雜的電磁環(huán)境和大量的未知信號(hào)，但外場(chǎng)通常是相對(duì)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(wú)線電監(jiān)管、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行保障和公共安全機(jī)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(duì)外場(chǎng)頻譜監(jiān)測(cè)我們有如下建議：

1.

采用專用的接收機(jī)和測(cè)向機(jī)，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(hào)記錄和分析技術(shù)能力，以應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境和快速的技術(shù)發(fā)展；

3.

深入了解接收機(jī)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(jī)和CA100信號(hào)分析軟件為例，為您提供手把手的頻譜監(jiān)測(cè)和信號(hào)分析教程

在進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)和信號(hào)分析工作開始之前，我們先要在監(jiān)測(cè)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行全景掃描，以便在頻譜中快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)。與傳統(tǒng)的手持監(jiān)測(cè)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(hào)的分布情況及目標(biāo)信號(hào)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(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景需求。比如，當(dāng)需要發(fā)現(xiàn)小信號(hào)時(shí)，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(cè)強(qiáng)信號(hào)時(shí)，可選擇低失真模式，減少交調(diào)產(chǎn)物等虛假信號(hào)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(chǎng)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(dòng)或手動(dòng)模式的衰減器，并支持以1 dB為步進(jìn)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(jìn)入過載狀態(tài)，提高測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。如左下圖，右上角紅色閃電標(biāo)記顯示設(shè)備進(jìn)入過載狀態(tài)。開啟自動(dòng)衰減模式（右下圖，衰減值24 dB）后，可以清晰地在頻譜中對(duì)紅色標(biāo)記內(nèi)的微弱信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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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(duì)比

在進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)或干擾分析時(shí)，我們經(jīng)常需要對(duì)信號(hào)發(fā)射源的類型進(jìn)行判斷和識(shí)別。對(duì)于簡(jiǎn)單的模擬調(diào)制信號(hào)（如AM/FM廣播、ATC、模擬對(duì)講機(jī)等），可以根據(jù)信號(hào)調(diào)制的技術(shù)特點(diǎn)，通過頻譜和瀑布圖對(duì)信號(hào)類型進(jìn)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(duì)信號(hào)類型進(jìn)行進(jìn)一步的確認(rèn)。

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▲圖3FM廣播信號(hào)的頻譜和瀑布圖特征（伴有音頻解調(diào)）

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

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▲圖4 2FSK信號(hào)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(hào)（比如各種PSK和QAM調(diào)制信號(hào)），這時(shí)就可以使用專業(yè)信號(hào)分析軟件CA100配合PR200運(yùn)行，來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和測(cè)量。CA100從接收機(jī)獲取信號(hào)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(duì)各種模擬和數(shù)字調(diào)制信號(hào)類型的自動(dòng)識(shí)別，還可以對(duì)信號(hào)的通信體制（傳輸系統(tǒng)）、符號(hào)速率、OFDM相關(guān)參數(shù)等進(jìn)行深入的識(shí)別和測(cè)量，以及完成解調(diào)和解碼等信號(hào)處理功能。

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▲圖5 使用PR200和CA100對(duì)TETRA信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、參數(shù)測(cè)量和解調(diào)處理

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

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▲圖6 使用標(biāo)記線測(cè)量信號(hào)的持續(xù)時(shí)間、發(fā)射周期和占用帶寬等參數(shù)

而對(duì)于掃頻信號(hào)，還可以在瀑布圖上應(yīng)用標(biāo)記線功能對(duì)各種信號(hào)參數(shù)進(jìn)行精確的測(cè)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(jì)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(cè)量掃頻信號(hào)的掃頻周期、信道頻率間隔、掃頻跨度等參數(shù)

對(duì)掃頻信號(hào)在每個(gè)信道上的駐留時(shí)間，我們可以根據(jù)信號(hào)實(shí)際情況更改頻譜的測(cè)量模式（選擇“周期”、“手動(dòng)”）并通過設(shè)置合適的測(cè)量時(shí)間（取決于信號(hào)的具體駐留時(shí)間大小），從而將信號(hào)在瀑布圖的時(shí)間軸上擴(kuò)展到適合測(cè)量的范圍，以便對(duì)單個(gè)信號(hào)的駐留時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)量（如圖100 ms）。

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▲圖8 通過更改頻譜測(cè)量模式和測(cè)量時(shí)間對(duì)單個(gè)信號(hào)的駐留時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)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(duì)掃頻信號(hào)的整體情況進(jìn)行觀測(cè)。

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▲圖9 通過跡線最大值保持模式顯示掃頻信號(hào)頻譜歷史信息

當(dāng)需要對(duì)某些短時(shí)信號(hào)（脈沖、雷達(dá)、TDMA通信等）進(jìn)行精準(zhǔn)分析或精確測(cè)量時(shí)，上述頻域分析手段（頻譜+瀑布圖）就難以勝任了，這時(shí)候就需要用到PR200獨(dú)具特色的零跨度（Zero Span）功能。比如對(duì)于脈寬20 μs、發(fā)射周期100 μs的脈沖信號(hào)，在實(shí)時(shí)頻譜和瀑布圖上已經(jīng)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行分辨和測(cè)量（見下圖）。

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▲圖10 無(wú)法通過頻譜和瀑布圖顯示脈沖信號(hào)的周期性特征

此時(shí)，我們可以在頻域分析的基礎(chǔ)上引入時(shí)域分析功能（零跨度），對(duì)上述脈沖信號(hào)的實(shí)時(shí)頻譜和時(shí)域波形進(jìn)行同步顯示。通過在信號(hào)的時(shí)域波形圖上做標(biāo)記線，便可輕松地實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性脈沖信號(hào)的精確測(cè)量。

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▲圖11 使用零跨度功能精確測(cè)量脈沖信號(hào)的發(fā)射周期和脈沖寬度

除了可以對(duì)時(shí)域參數(shù)進(jìn)行測(cè)量外，我們還可以通過PR200的門控頻譜（Gated Spectrum）功能對(duì)TDD通信（如TD-LTE和5G）中存在的上行干擾信號(hào)進(jìn)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(lái)進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)和信號(hào)分析的一把利器。通過對(duì)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(hào)分析軟件CA100的加持，定能讓我們輕松應(yīng)對(duì)各種頻譜監(jiān)測(cè)和信號(hào)分析應(yīng)用的技術(shù)需求！

審核編輯：劉清