基于Agilent E3238/6820E的無線電頻譜監測系統

邵 凌，鄧江安

（中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023）

0 引言

近年來由于通信技術的快速發展，各種通信新體制、新技術不斷涌現，通信信號具有形式多樣、快速、多變，無規律，軍用民用信號混雜，信號強度高低參差不齊等多重特點，導致對環境信號的探測和復雜信號的處理非常困難。當前的無線電監測設備往往功能單一，當工作的頻段不同，調制方式不同，波形結構不同，通信協議不同，數字信息的編碼方式、加密方式不同時，就無法滿足監測任務。研究開發一種工作頻段寬、波形適應能力強、可擴展性好，既能適應通信信號，又能適應衛星地球站及雷達信號，還能適應導航信號的多功能設備系統是無線電頻譜管理的必然要求。基于軟件無線電技術的Agilent E3238/6820E頻譜監測設備具備可重構性、靈活性和模塊化等特點，提供了解決這一問題的最佳途徑。

1 軟件無線電簡要介紹

由于計算機與數字信號處理技術的高度發展和軍事通信的迫切需要，在無線通信領域產生了一種突破性的新技術——軟件無線電。近些年來，軟件無線電已成為人們研究的一個熱點。

軟件無線電的概念是由MITRE公司的資深科學家——Jeo Mitola在1992年5月的美國電信會議上首次明確提出的[1，2]。“軟件無線電”是側重形容一種嶄新的實現無線通信系統的概念，是數字無線電技術的高級形式和抽象化;集無線電臺和計算機于一體，采用標準的開放式總線結構，進行模塊化設計;具有可編程功能、重組能力，實現多信道、多模式工作;使用寬帶智能天線，具有多頻段射頻變換能力;能在不同無線信道之間、各種網絡之間用作無線網關，并可靈活地擴展網絡功能;適應不同無線電環境，具有傳輸安全和信息保密性。

軟件無線電，概括起來就是兩個盡可能:盡可能地將寬帶模數和數模轉換器靠近天線;盡可能地通過可編程的DSP器件，用軟件來實現電臺的各種功能。軟件無線電的基本思想就是將硬件作為其通用的基本平臺，把盡可能多的無線及個人通信的功能用軟件來實現，從而將無線通信新系統、新產品的開發逐步轉移到軟件上來[2]。其最終目的是使通信系統擺脫硬件布線結構的束縛，在系統結構相對通用和穩定的情況下，通過軟件來實現各種功能，使得系統的改進和升級都非常方便、代價小，同時不同系統間很容易互連與兼容[3－5]。

軟件無線電采用一種基于寬帶A/D、D/A器件、高速DSP芯片、以軟件為核心的嶄新體系結構，如圖1所示[6－8]。

圖1 軟件無線電體系結構

其主要特點是:

①軟件無線電在射頻或中頻對接收信號進行數字化，通過軟件編程靈活方便地實現各種寬帶數字濾波、直接數字頻率合成、數字下變頻、調制解調、差錯編碼、信道均衡、信令控制、信源編碼及加密解密等功能;

②軟件無線電的高度可編程性和結構的標準化、模塊化和開放性，使新業務、新技術的引入十分方便、經濟，往往只需更新版本、加載新的軟件模塊或個別硬件模塊即可實現。因此，軟件無線電具有高度靈活性和很好的適應性，具有較長的生命周期[9，10]。

將軟件無線電應用于無線電監測系統中，利用軟件無線電的平臺通用性及靈活性使無線電監測系統能適應多種標準，并易于升級，適應新的標準，大大增強監測系統的使用范圍。當前由于管理體制和采購方式等方面的原因，各單位因為工作側重點的不同，購置設備的技術標準存在差異，資源無法有效整合，形成一個個“煙囪”，使用軟件無線電可有效解決此問題。

2 Agilent E3238/6820E頻譜監測設備介紹

Agilent E3238/6820E是基于軟件無線電的信號監測系統，它是一個全數字化的射頻信號監測、分析、處理和記錄系統（或稱全綜合系統），也是一部真正意義的軟件接收機。

2.1 Agilent E3238/6820E系統的功能原理

E3238/6820E系統由硬件和軟件兩部分組成這一點與傳統的監測接收系統有很大不同E3238/6820E系統的硬件部分采用可按用戶需求組合設置的“模塊”式結構，但硬件部分根據用戶需求有“最小”配置的“入門”級別要求。如圖2所示E3238/6820E系統的硬件部分主要由調節器（如E2730B）與ADC（即模數轉換器，如E1439D）組合（Agilent定義為模塊組合）、DSP處理器（如9821A）以及VXI主機箱（如E8408A）等要件模塊構成。

圖2 E3238/6820E系統體系結構

2.1.1 調節器

調節器主要完成射頻轉換部分的功能，其主要任務是接收預放大（功率放大）、RF信號與IF信號之間的變換。目前Agilent提供的選件為:監測VHF、UHF信號可選E2730B或E2731B，其中E2730B提供覆蓋20～2700MHz頻帶，E2731B提供覆蓋20～6000MHz頻帶。也可選用帶FY7或H70選件的E4440A（PSA）監測HF/μWave信號。上述選件在系統中起到射頻放大和轉換的作用，E3238/6820E系統射頻轉換模塊與下續的ADC模塊形成組合配置，并為ADC模塊提供36MHz帶寬信號。

2.1.2 ADC 模數轉換器

ADC模數轉換器承擔對調節器提供的基帶信號進行實時A/D轉換（即模擬/數字轉換）。3238/6820E系統將調節器與ADC模塊定義為組合關系說ADC模塊是系統必備的選件。Agilent提供的ADC模塊選件為E1439D，該模塊可直接對36MHz帶寬進行高速A/D轉換，并通過兩條FPDP光纖線纜與后續的DSP模塊相連接。E1439D ADC模數轉換模塊具備較高的采樣率與分辨率，以便在恢復時降低失真。除此之外，E1439D還具備大的線性動態范圍，以減少互調失真，使接收的弱信號在強干擾信號中仍能被檢測出來。

2.1.3 DSP 模塊

眾所周知，無線電技術的實質是算法技術，無論是工程還是技術過程中都始終充斥著各類算法、計算和模型變換。以往由于數值電路和工藝的限制，數字電路的工作速率遠不及無線電技術涉及的基帶頻率和相應的射頻電路頻率。隨著數字技術的發展，特別是高速DSP技術和高速ADC技術的發展，為無線電技術內涵的算法技術和數值計算處理技術，提供了遠優于傳統模擬技術的支撐平臺。應用DSP技術不僅可改善無線電系統的性能，打破不同體制的局限，還可最大限度地改善無線電系統的一致性和可重復性，最大程度地克服傳統系統的不確定性[3]。

DSP技術是無線電技術內涵中的算法技術與現代計算機技術的程序算法的結合點。利用DSP可以高速、接近實時地實現傳統無線電電路技術（含各類基帶、不同頻率和不同形式的信號）各種功能，許多需要復雜電路甚至難以實現的功能都可通過DSP實現。因此，DSP技術是軟件無線電技術的核心技術和基本平臺[4]。

E3238/6820E系統采用E9821A DSP模塊，負責對ADC模塊提供的數字信號進行處理和后續傳遞。Agilent在E3238/6820E系統中采用了并行DSP處理技術，用戶最多可選裝高達4個E9821A DSP模塊，每個DSP模塊有4個位置可選配連接多達3個雙G4處理器或3個多通道數字下變頻器（DDC）組合?？捎纱双@得更高的處理能力和更多的信號通道。通過使用兩個E9821A DSP模塊，還可創建延遲存儲器，以擴展系統功能。在DSP內可完成判斷閥限、高速分辨和判別等功能。

由于ADC模塊形成的數據流的速率很高，且考慮到使用環境和連接方便，ADC模塊與DSP模塊間的數據傳遞采用光連接方式。

2.1.4 VXI總線系統

E3238/6820E系統采用VXI總線系統作為系統機械和電氣的連接支撐平臺。VXI總線系統或者其子系統由一個VXIbus主機箱、若干VXIbus器件、一個VXIbus資源管理器和主控制器組成，零槽模塊完成系統背板管理，包括提供時鐘源和背板總線仲裁等，也可以同時具有其他的儀器功能。資源管理器在系統上電或者復位時對系統進行配置，以使系統用戶能夠從一個確定的狀態開始系統操作。在系統正常工作后，資源管理器就不再起作用。主機箱容納VXIbus儀器，并為其提供通信背板、供電和冷卻等。

VXIbus規范是一個開放的體系結構標準，其主要目標是使VXIbus器件之間、VXIbus器件與其他標準的器件（如計算機或計算機終端）之間能夠以明確的方式開放地通信，使系統體積更小;通過使用高帶寬的吞吐量，為開發者提供高性能的測試設備采用通用的接口來實現相似的儀器功能，達到使系統集成軟件成本進一步降低的目的[5]。

2.2 Agilent E3238/6820E信號監測系統的特點

Agilent E3238/6820E系統充分運用了軟件無線電技術。與模擬接收機和一般數字接收機相比濾波器的種類和數量不受限制，可隨用戶需要而設置;解調器完全是軟件定義的，利用優化濾波和積分解調技術在接收機內的DSP上實現，升級換代容易，并且具有很強的信號解調和識別能力。具體特點如下:

①覆蓋頻帶寬。該系統通過不同的前端選件可覆蓋HF、VHF/UHF至微波頻段。

②超寬帶超高速全數字掃描。該系統E1439D數字轉換器（ADC）選件可對36MHz帶寬實現高速模數轉換，因此最大限度地減少了掃描重復時間，最高掃描速度達10GHz/s。

③掃描參數重復性和一致性好（遠高于傳統掃描方式），這是得益于寬頻帶 ADC和DSP技術應用。

④可實現實時超寬頻帶全景射頻顯示、分析可最大概率地發現未知發射源。

⑤接收靈敏度、均衡性和線形程度好。

取證過程中的“全過程”錄音錄像促進了監察機關的工作順利開展，對錄音和錄像的擇選，以及未按要求錄音錄像的都要進行科學合理的處置，同時，對錄音錄像的保管、移送、調取與播放都要進行一定的規制。

⑥末端處理功能強。具備時間快照及基帶重放功能。

⑦在36MHz掃描間隔內的任意位置可同時記錄350 kHz的窄帶信號。配置E9821A模塊后，每個模塊可提供96個NBR記錄通道（用戶可配置多個E9821A模塊）。

⑧信號調制方式自動模式識別?？勺詣优卸ㄒ延械亩喾N調制方式，并提供相應的眼圖顯示。

⑨可多站聯網并高速完成準確的信號分析定位。

⑩設備要求相對簡單。一般臺式PC或便攜PC即可，對系統軟件無特殊要求。

E3238/6820E系統充分發揮軟件無線電可重構性、靈活性和模塊化的特點，在軟件和硬件兩方面都支持系統重構，將系統的各個功能任務分解為相互獨立的軟件和硬件模塊，這些模塊通過接口以邏輯的方式連接起來形成所需要的系統功能，通過改變所運行的軟件來重新定義系統功能，提供開放的接口，支持今后的新技術和新功能。

3 在無線頻譜監測中的應用

利用Agilent E3238/6820E的特點，進行多站聯網構建無線電監測系統，系統由中心控制站和若干分布于各地的遠端監測站組成，如圖3所示，中心控制端用于對各個監測站的管理與控制，同時收集、整理以及更新各種數據。遠端監測站可以在無人值守的情況下進行信號采集，將信號處理后傳輸至中心控制站。

圖3 系統結構框圖

遠端監測站采用E3238/6820E系統作為信號接收機，連接專用計算機系統，并采用二次開發的方式來實現監測接收端信號的目的。同時在專用計算機系統上安裝GPS模塊和網絡模塊，實現自動位置標示和遠程監測及多系統組網監測。

①頻譜監測

可以按照設定的參數進行場強測量、信號搜索、頻譜記錄和數據回放等監測任務。

②頻段掃描和占用度分析

寬頻段掃描頻譜顯示，用于快速掃描和顯示頻譜，搜索信號峰值并保存和打印。掃描結果存入數據庫，通過存入數據庫中的信息可進行占用度分析。

③無線電測向

具有單頻點時域測向和多頻點頻域快速傅利葉測向功能，并在電子地圖上顯示信號方向。

④信號解調和識別

可以對空中各種無線電信號進行分析，根據提取到的信號特征和信息內容，確定信號性質，可以對音頻進行錄音播放。

⑤遠程監測

監測接收機可聯網，中心控制端通過網絡對監測接收機進行控制，監測結果（實時場強、掃描頻譜和音頻）通過網絡傳送到控制端顯示和播放。

⑥多系統組網監測

將區域內的多臺監測接收機組網，實現監測信息共享，提高監測范圍和準確度，集中分析多臺監測接收機信息，利用向線交匯的方法對信號源定位，結合臺站數據庫、監測數據庫和電子地圖，可以迅速得到信號源的相關信息。

⑦信號測試

可以測量頻率誤差、調幅深度、調制頻偏、THD（總諧波失真）以及SINDA（信號、噪聲、失真之和與噪聲、失真之和的比值），測量精度高。

4 結束語

立足于軟件無線電理論，通過分析其靈活性和可擴展性的特點，并結合環境監測場景的實際需要給出了一種基于Agilent E3238/6820E的無線電頻譜監測系統的應用方案。

提出的環境監測方案充分利Agilent E3238/6820E設備構建軟件無線電平臺進行靈活組網，極大地發揮了其軟件可充配置性，硬件的靈活裁剪性不僅提高了無線電環境監測的效率，且大大降低了監測成本，尤其是考慮到實際測試環境與無線電信號復雜多變的特點，能夠快速地根據工程實際需要搭建無線電檢測網絡，具備較強的環境適應能力，在效率與成本方面達到了較好的平衡，對實際工程具備一定的指導意義。

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