無線電監測技術的演練與實踐探討

柴穩平

（平涼市無線電監測站，甘肅 平涼 744000）

0 引言

在無線多媒體通信需求迅速增長的今天，由于無線頻譜資源的稀缺性，已成為當今世界的重要資源之一。有別于傳統的語音業務，多媒體通信通常需要更大的無線電頻譜用于高速數據傳輸。另外，廣泛使用無線多媒體傳輸會導致頻譜嚴重短缺或產生有害干擾。所以需要一種靈活的頻譜監測系統來測量無線電信號。但通信技術的迅速發展，對監控系統的設計、部署和功能更新提出了更高的要求。比如，為滿足移動通信業務不斷增長的需求，無線通信的新技術或新業務將在監控系統部署完成后，不斷引入市場。監控技術應該具有對先進無線通信網輻射的無線電信號進行分析和測量的能力[1]。

1 無線電監測技術概述

軟件無線電（SDR）是一種創新的可重構和可重編程技術。在傳統的通信系統中，混頻器、濾波器、調/解調器等重要組成部分都是在硬件上實現的。使用SDR技術，這些組件可以通過通用計算機上的軟件來完成。軟件無線電的可重構能力能夠滿足先進的頻譜監測系統對無線電信號監測和分析的嚴格要求。

本文的目的是為了更好地理解如何構建一個具有可重構和可擴展能力的無線監測系統所面臨的挑戰。本文嘗試采用軟件無線電技術，設計一個由一個控制中心和若干個遠程監測站組成的頻譜監測系統原型。在控制中心，安裝了一個名為GNU Radio的開源軟件平臺來執行無線電監測的核心任務，如信號分析和解調，以及測量結果的顯示。在遠程站點，部署了一些先進的、低成本的軟件無線電設備，如Realtek RTL2832U和USRP（通用軟件無線電外設）產品作為主要的檢測接收機。軟件無線電設備用于檢測無線電信號，并通過模數轉換器（ADC）將其數字化。從軟件無線電設備采集的復雜數據（i和q）可以通過TCP/IP網絡發送到監控中心，也可以通過USB接口發送到附近的測量服務器。本系統還實現了一些用于無線電監測的關鍵測量工具，如FFT（快速傅里葉變換）分析儀和瀑布顯示等。利用該監測系統，我們完成了一些無線電視和調頻監測的測量任務[2]。

2 頻譜監測系統的任務和需求

頻譜管理的主要目標是最大限度地提高頻譜使用效率，減少干擾，清除未經授權使用的無線電頻譜。頻譜監測作為頻譜管理過程中的耳目，為頻譜管理提供了必要的手段。這一過程至少包括通過頻譜監測系統測量無線電波并確定其主要參數，如頻率和帶寬。頻譜監測的關鍵測量數據包括頻率、帶寬、占用率、場強和調制方案。通過測量數據與頻譜數據庫的對比，頻譜調整器可以顯示出侵權、差異和非法站點。為了消除未經授權的電臺和干擾，強制執行和清除。

頻譜監管機構最重要的職責之一是防止授權用戶的頻譜使用可能發生干擾。干擾可能來自非法站點或授權站點的非故意排放。要解決無線電干擾，首先要找出干擾所涉及的發射機。頻譜監測系統可以進行一定的測量，以識別和定位干擾源。當發現源時，監控組織將采取適當的強制措施以排除干擾。

監視系統通常用于核實執照持有人是否根據無線電規則發送了信號。該驗證通常要求對發射機的發射頻譜進行詳細的測量，包括頻率、輻射級、場強、帶寬、調制方式以及頻譜占用情況。這種測量方法可為特定分析提供必要的信息，以驗證與特定頻率分配記錄中聲明的特性是否一致。執照持有人常常通過移動發射器的位置、增大發射器的功率或增大發射器的頻譜帶寬來濫用頻譜。該光譜的誤用會大大增加干擾的可能性[3]。

光譜監測數據也可以用來確定無線電信號接收不良的原因。無線電接收是一種與服務質量密切相關的信號處理技術，其應用范圍很廣。頻率監管者經常會收到大量的用戶投訴或詢問他們的收音機接收不好。其中最常見的投訴可能與無線電視服務有關。近幾年，為了提高頻譜利用率和視頻質量，電視行業已經數字化。常規6MHz帶寬的模擬電視頻道只能播放一個視頻節目。如果采用數字技術，同樣的帶寬可以容納三個標準品質的數字視頻或高清電視節目。所以滿足服務質量或者體驗質量對廣電公司來說是一大挑戰。光譜監測系統提供了一種有用的工具來確定低頻的真正原因。

頻譜監測系統的設計應充分了解通信業務對頻譜的長期需求，新調制方案的特點和數字信號處理的先進技術。鑒于無線通信系統的迅速發展，必須努力避免新建成的系統在發射不久就過時。所以對無線電信號進行重構性和擴展性分析是設計監測系統的首要條件。

3 軟件無線電技術

3.1 概念分析

軟件無線電技術是在米托拉1992年的工作基礎上發展起來的。自20世紀90年代以來，軟件無線電產品的研究和開發投入了相當大的努力。近年來，軟件無線電設備的價格已經迅速下降到一個相當低的水平。一個廣泛使用的軟件無線電監測設備，可以發送和接收高達6千兆赫的無線電頻率，成本不到1000美元。如果只需要接收器功能，軟件無線電設備的價格可以低至20美元。除了價格合理的硬件之外，開發良好的軟件平臺，如GNU無線電，促進了SDR技術的應用。

軟件無線電是硬件和軟件的集合，其中大多數無線電功能是通過可編程軟件或固件來實現的。與傳統的無線通信系統一樣，實用的軟件無線電由模擬射頻（射頻）硬件組成，也稱為射頻前端。該模擬模塊一般包括天線、低噪聲（或功率）放大器、混頻器和濾波器。對于軟件無線電接收機，模擬模塊最重要的特點之一是將射頻信號調諧到合適的中頻信號，在那里可以進行具有合理采樣率的模擬-數字轉換。數字子系統負責數字處理（即解碼和解調）和一些高層協議（如多址接入和解密）。在實際應用中，實現數字硬件的可能方法包括通用處理器、FPGA、ASIC或通用計算機。該軟件框架為通信服務的開發和實現提供了基本功能和庫。

GNU無線電是一個開源軟件開發工具包，它提供了信號處理運行時間和處理塊。它允許設計者使用軟件定義的模塊來控制現成的、低成本的外部射頻硬件和商品處理器，從而容易地實現真實世界的無線電系統。GNU Radio還提供了一個名為GNU Radio Companion （GRC）的GUI（圖形用戶界面）開發環境，以幫助開發信號處理塊和創建包含無線應用程序的流程圖。為了提高運行時的速度，信號處理塊的實際操作用c++代碼實現。軟件無線電設備由GNU無線電模塊通過USB或網絡接口控制。GRC還提供了一些測量工具來支持信號分析，如頻域FFT接收器、時域示波器接收器、頻譜使用的瀑布顯示和星座圖（數字通信）。GRC開發環境采用了QT GUI和WX GUI兩種類型。在接收到波形之后，軟件定義的無線電可以將波形解調為位流進行進一步的處理，即音頻或視頻播放。GRC的可重構性和靈活性使我們能夠構建無線電監測系統的基本體系結構。

3.2 研究方案

本研究采用了與R820T調諧器集成的RTL2832U接收機和USRP B200接收機兩種模型。這兩種型號的軟件無線電設備都可以由GNU無線電控制。

3.3 監控系統的配置及測量結果

監控調頻廣播和無線電視廣播業務是世界各國頻譜監管機構的主要任務之一。大部分非法電臺傳送調頻無線電信號。在執法和審查之前，需要確定非法無線電信號的參數。對于無線電視服務，監控的重點是場強或體驗質量。

調頻廣播是一種傳統的模擬通信技術。模擬調頻廣播由于其設備成本低、音頻傳輸質量高等優點，在世界范圍內得到了廣泛的應用。模擬調頻廣播使用88～108兆赫的頻率范圍，信道帶寬為150千赫。音頻信號l+r在30赫茲到15千赫茲的基帶范圍內傳輸。在l-r信號的調制范圍為23～53千赫，使用38千赫的DSB-SC（雙邊帶抑制載波）信號。一個19千赫的導頻音也被發送給接收機再生38千赫子載波與正確的相位。這些復合信號和其他子載波一起調制調頻發射機。

本文提出的軟件無線電監測系統通過TCP/IP技術作為內部網或VPN（虛擬專用網）連接，這樣可以很容易地維護安全性和傳輸速度。控制中心負責遠程站點的控制?？刂浦行乃璧脑O備包括一個路由器、一個以太網和幾臺計算機。其中一臺計算機必須裝備成工作站，供工作人員進行監測測量。在本研究中，我們采用一臺通用電腦（筆記型電腦）作為安裝操作系統和GNU Radio的監控工作站。測量結果包括信號強度，信息流，和視頻內容的監測信號顯示在工作站。實際上，監視工作站可以被視為度量客戶端。在實踐中，控制中心需要一個頻譜數據庫來驗證無線電臺[4-5]。為了簡化，本研究中沒有實現數據庫。

遠端網站需要的設備包括路由器，以太網，計算機，SDR設備和接收天線。一般而言，天線應該是全向的，適合長期在戶外使用。本軟件無線電設備/接收機能檢測天線發出的RF耦合信號，并將其轉換成i/q采樣數據。首先，軟件無線電設備的測量任務需要重構，并且必須由監測中心進行控制。作為數據傳輸服務器，遠程站計算機負責SDR與控制中心工作站之間的數據通信。本文采用了RTL2832U和USRPB200兩種不同的軟件無線電接收方式。我們使用Raspberry Pi作為除筆記本外的數據傳輸服務器，以簡化監視框架。拉斯普貝里皮是一款信用卡大小的電腦，面板，基于linux平臺。

4 結語

綜上，通過使用該監測系統的實際測量，我們確信軟件無線電的可重構能力確實使我們能夠輕松靈活地調整監測信號的主要參數。例如，我們可以通過控制中心的軟件控制來調整頻道的頻率和帶寬來進行調頻監控。我們還可以動態地選擇測量結果的顯示，即射頻頻譜或基帶頻譜。