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什么是信号监测？聊聊信号监测和无线发射机地理定位的技术与趋势（下）

发布时间：

2024-04-12

信号监测的设备和方法信号监测系统的最基本配置包括接收机、天线、低噪声放大器、输出显示屏，可能还有某种自动执行信号搜索和数据存储的软件。传统的可调谐扫描频谱分析仪对监测接收机的要求最低。频谱分析仪是一个非常灵活的平台，具有广泛的频率范围、高动态范围和包括…

信号监测的设备和方法

信号监测系统的最基本配置包括接收机、天线、低噪声放大器、输出显示屏，可能还有某种自动执行信号搜索和数据存储的软件。传统的可调谐扫描频谱分析仪对监测接收机的要求最低。频谱分析仪是一个非常灵活的平台，具有广泛的频率范围、高动态范围和包括限制线的图形显示，这些限制线可用于设置幅度电平检测阈值。通常，在天线和分析仪之间会放置一个低噪声放大器(LNA)，用于增加信号幅度并降低测量系统的噪声系数，从而提高频谱分析仪的灵敏度。大多数高性能频谱分析仪，例如Keysight MXA系列分析仪，都有内置的LNA选件。很多频谱分析仪已经内置了模拟解调功能，但是使用这一功能往往需要重新调谐分析仪的中心频率和扫宽，以适用于感举趣的信号。当改变分析仪的频率设置时，分析仪必须能够迅速调谐仪器的内置本地振荡器(LO)，否则可能会减少截获短周期、间歇性信号的几率

表1. 基本信号监测接收机的预期特征

。

多种接收机体系结构都可实现表1中所示的特征。例如，很多传统的频谱分析仪就使用了下图中所示的超外差体系结构。输入的射频信号经过滤波，使用混频器和本地振荡器 (LO) 下变频到中频 (IF)。使用频谱分析仪通过扫描本地振荡器和测量中频滤波 (也称为RBW滤波)后的信号幅度，可以测量广泛的射频频率。在信号监测应用中，需要快速扫描接收机的本地振荡器以捕获间歇的信号和提高截获几率(POI)。当分辨率和灵敏度要求使用窄RBW时，扫描时间会按比例增加，有可能导致POI降低。为了克服这种扫描时间限制，很多接收机体系结构使用了数字中频，并在数字域中执行中频滤波。与模拟滤波相比，数字滤波能够大幅度改善扫描时间。在中频上进行的数字信号处理(DSP) 还使工程师可以非常方便地进行灵活的解调，测得的信号需要进行进一步的分析和识别。图2还显示了一个经由模数(ADC)转换器的单独的中频路径，模数转换器使用DSP 技术检测和处理信号幅度。

图1 超外差接收机方框图

在需要对测得的信号进行解调的系统中，中频的瞬时带宽必须大于信号的调制带宽，否则就会有一部分占用频谱出现衰减。在传统的AM和FM模拟通信系统中，信号的瞬时带宽通常远远小于200 kHz。在这种情况下，一个中频滤波器大概和模拟调制系统的信道间隔相当，例如 30 kHz，这样就能恰当地传送目标信号，并由于中频带宽相对较窄而能够提供良好的接收机灵敏度。为了达到更高的数据速率和引入数字调制方案，在很多新兴的无线系统 (例如 WiMAX™ 和 3GPP LTE) 中，信号的瞬时带宽都增加到了 5-20 MHz。随着瞬时带宽的增加，要想正确地解调和识别信号，接收机的中频滤波器带宽也需要提高。遗憾的是，中频带宽越宽，解调器的信噪比就会按比例降低。为了克服 SNR 限制，监测系统可以通过增加前置放大器增益、增加天线增益或者使监测系统更靠近发射机来提高进入接收机的信号电平。

实际上，这些技术也都有各自的不足之处。例如，当有更高幅度的其他信号存在时，增加前置放大器增益会使接收机在工作时产生多余的互调失真(IMD)。天线增益的增加可能导致高定向天线的物理尺寸增加，并有可能降低工作带宽。将监测系统放置到发射机附近的物理位置可能不现实，原因有多种，包括在大片地理区域中，发射机的位置是未知的。因此，在监测宽带、高载波频率信号时，除非能够以更高的密度来安装一套低成本传感器来缓解很多信噪比问题，否则增加在周边环境中所部署的接收机数量无异是增加整个系统成本。

传统的机架安装式监视系统(配置在传统的频谱分析仪或VXI接收机周围)，并且不影响主接收机的搜索功能。要想监测广泛频率范围内的信号，可能需要使用各种类型的天线才能覆盖整个感兴趣的范围。在这种情况下，需要将一个射频复用器连接到接收机，并在安装到外部设施或车辆上的多个天线之间进行切换。

与传统方法相比，工程师可以使用支持网络的低成本接收机(又称射频传感器摂)作为下变频器和信号采集系统，通过有线网络将采样到的IQ数据传送到远程系统控制器进行信号处理、数据存档和解调。典型的低成本射频传感器，例如N6841A射频传感器，是一个小型自含式防风雨接收机，可以轻松地安装在挂柱、机架、车辆上或配置在人工便携式系统中。为了提高接收机的灵敏度，射频传感器通常配备"软件定义的"功能和宽带数字中频体系结构。下图是Keysight N6841A射频传感器的简化方框图。传感器有两个天线输入，用于连接到本地的宽带和/或分集式天线。该系统还包括一套带状线预选滤波器。

图2 N6841A射频传感器方框图,

包括VHF/UHF接收机和软件定义的信号处理程序

这些可选的滤波器旨在降低传感器成本和提高可靠性，对在高功率传输中搜索小信号非常有用。使用和传统频谱分析仪相似的可调谐体系结构可以完成下变频到中频的任务。数字化中频采用了数字下变频器(DDC)把采样到的中频下变频到基带。N6841A射频传感器的完整数字中频拥有高达20 MHz的可变带宽，可适应各种无线技术和调制类型。嵌入式软件控制接收机的触发、FFT运算和存储器捕获。采样的时间戳数据通过网络传输到远程服务器，由该服务器执行信号识别和数据记录。接收机的内部时钟可通过IEEE 1588 网络定时协议或可选的GPS来控制。实施分布式信号监测系统的一般概念是: 在预计安装发射机的物理位置附近部署更高密度的低成本射频传感器，将针对采样数据的所有高级信号处理功能都集中到一个公用的、位于中心位置的服务器上来执行。

接收机位置和邻近增益

信号监测设备和相关天线的位置对于总体系统性能有着巨大影响。传播信号的衰减，也就是路径损耗，以及附近的干扰也会影响接收机侦测目标发射机所发射的能量。路径损耗是射频载波频率和发射机与接收机相对距离的函数。载波频率越高，路径损耗就越大，所以必须将接收机安装在发射机附近。来自周围环境的干扰也可能会影响接收机的性能。例如，当接收机安装在电视台、广播电台、蜂窝基站和/或雷达系统附近时，杂散发射、谐波和互调失真可能会导致巨大的干扰。这些效应还可能包括由这些附近的高功率发射机所引发的接收机前端过载。因此必须从一开始就对预计接收机附近的频谱进行监测，以便定量分析这些干扰源和高功率系统可能对接收机性能产生的影响。

信号监测系统中的接收天线通常安装在塔顶、楼顶或山顶，以降低周围环境造成的多路径效应。在理想情况下，天线应该与周围的金属体间隔多个波长的距离，否则预期的天线方向图就有可能发生扭曲。甚至安装天线的金属杆也会对增益方向图产生巨大影响。另外，附近的其他天线也会改变天线方向图，意外地降低系统性能。因此，恰当地安装天线对于监测系统的整体性能至关重要，尤其是对于那些在广阔的地理区域内安装了有限数量的高性能接收机的应用更是如此。在另一方面，采用低成本射频传感器的系统由于使用了高密度的接收机而实现了邻近增益，所以对天线的要求不那么高。

下图所示的是安装在屋顶上并与宽带天线相连的射频传感器，另外还有一个天线安装在独立的金属杆上。该传感器安装在离天线相对较近的位置，可以减少可能会降低系统噪声系数的电缆损耗。

图3 屋顶上安装的射频传感器和天线配置

当发射机的位置未知时，人们希望使用具有全向方向图的天线来用于地面应用。但是，全向天线具有大约0dBi的低增益，无法改善接收机的SNR。增加天线增益或许可以提高SNR，但却会导致天线方向图(antenna pattern)偏向某个特定方向的信号接收。除非高定向(高增益)天线能够对发射机的方向进行物理或电气扫描，否则很可能会由于低接收SNR而忽略未知的发射机。

现代无线通信常常使用较高的射频载波频率。与在较低 VHF/UHF 频率上工作的类似系统相比，这将会导致自由空间损耗增加。在这些较高的载波频率上，有必要将监测天线/接收机安装在发射机附近，以便使 SNR 保持在适当水平。通过减小发射机与接收机的间隔而实现的信号性能改善称为 "邻近增益"。例如，假设两个通信系统与发射机天线和信号监测天线间的距离相同，一个系统工作的射频载波频率为 100 MHz，调制带宽为 20 kHz；另一个系统的工作频率为 2.4 GHz，调制带宽为 20 MHz。假设发射功率、天线增益、电缆损耗和接收机噪声系数完全相同，每个系统测得的SNR是多少? 造成SNR差别的主要因素是什么? 为了解答这些问题和估算每个系统的性能，我们可使用下面的公式(1)来计算SNR

其中

SNR = 接收机信噪比(dBm)
GR = 接收机天线增益(dB)
PT = 发射机功率(dBm)
CL = 天线和接收机间的电缆损耗(dB)
GT = 发射机天线增益(dB)
NF = 接收机噪声系数(dB)
PL = 路径损耗(dB)
BW= 接收机带宽(Hz)

路径损耗(PL)是射频载波频率和发射机天线与接收机天线间距的函数。路径损耗随着频率的升高、距离的增大而增加。路径损耗(单位: dB)使用下面的公式(2)来计算。

其中

f =频率(MHz)
R =距离(km)
K =32.45(R单位采用km)

例如，假设发射机正在距离监测系统 5 千米的位置发射具有 +20 dBm (100 mW) 功率的信号。在天线增益为 0 dBi、电缆损耗为 0 dB、接收机噪声系数为 14 dB 的条件下， 100MHz频率和20kHz带宽的信号发射计算得出的SNR大约为+51dB。对于2.4GHz频率和20 MHz带宽的信号，计算得出的SNR为-7 dB。在这些条件下，测量100 MHz信号很容易，但是要测量 2.4 GHz 信号就非常困难。表 2 总结了这两种系统的路径损耗和SNR性能。这两种系统的SNR差异与载波频率和调制带宽有直接关系。

在本例中，2.4GHz系统由于载波频率更高，所以路径损耗增加，其相对SNR降低了28 dB；而由于调制带宽更宽，所以噪声功率增加，其相对 SNR 降低了 30 dB。由于要显著改善接收机的噪声系数和/或增加接收机的天线增益实际上非常困难，所以要想改善在高载波频率上工作的系统的 SNR，必须缩短发射机与接收机之间的距离。邻近增益将会超过在较高载波频率上进行射频信号发射所带来的过多路径损耗。

继续使用上面的例子，如果要求的SNR最低为10 dB，那么邻近增益需要将SNR从最初的-7 dB增加到要求的 +10dB，或17dB的总体增益。在此情况下，应将2.4GHz系统的发射机与接收机之间的距离从最初的5千米减少到0.7千米以内。必须注意的是，为了对同一个地理区域保持相同的监测覆盖，当发射机在较高射频载波频率上工作时，还必须增加接收机的密度。

表2. 计算出的两类无线系统的链路预算

基本参数

PT=+20dBm
GT=0dB
GR = 0dB
CL=0dB
NF=14dB
R=5km

上面显示的路径损耗计算是在理想的视线 (LOS) 条件下进行的，没有不利的多路径衰落和/或阴影效应。多路径可能在接收机上产生额外的信号损耗，通常用衰落深度来描述。为了测量不同地形中的多路径衰落并进行建模，人们进行了大量研究，但是总体而言，在VHF/UHF频率范围内工作的系统在市区和郊区使用时会出现5到40dB的衰落深度。当估计信号监测设备(特别是在窄带系统中)的总体链路预算和配置时，必须考虑到接收机上额外出现的幅度损耗。

有许多方法可以减少多路径的不利影响，增加邻近增益只是其中之一。另一种相对简单的方法是使用第二个天线，通过采用空间分集或极化分集技术来改善衰落特征。我们知道，间距大于四分之一波长或处于交叉极化方向上的两个天线将会拥有不相关的多路径特征。当一个天线遇到较深的多路径衰落时，另一个天线有可能接收到具有适当功率电平的信号。监测系统可以在这两个天线之间进行扫描，寻找最强的信号进行分析。大部分信号监测系统都配有射频多路复用电路，以便根据工作环境的需要添加更多的天线。例如，N6841A射频传感器拥有三个天线端口: 两个用于天线多路复用，一个用于可选的GPS子系统。这两个天线多路复用端口可以用于空间分集和/或极化分集，以减少多路径衰落；或在使用窄带天线时通过配置，用于扩展被测频率范围。了解到多路径对系统性能的影响，工程师就需要使用专门设计的先进测量工具在工作台上仿真多路径条件。

发射信号识别的目标和方法

如前所述，任何信号监测系统都面临着一个挑战―性能和速度必须能够快速侦测、识别并有可能定位那些可能是间歇性的、持续时间非常短或是宽带并具有低 SNR 的无线信号发射。感兴趣的信号可能包括多媒体广播系统、广域网(WAN)通信(包括手机和基站发射)、无线局域网(WLAN)通信、点对点微波链路(包括卫星上行链路和下行链路)以及射频识别(RFID)阅读器/标签通信(包括有源和无源标签技术)所发射信号。在任何一个时刻，在广阔频率范围内进行的测量都会包含许多信号类型，而信号监测系统负责仔细检查大量的信号，以只识别和分析那些感兴趣的信号。

“信号搜索与监测。捕获并分析频谱事件。触发和报警功能。射频信号的调制识别、记录和定位。”

如果只依靠工程师使用独立的频谱分析仪来人工执行，很难高效地对频谱数据进行分类。借助Keysight N6820E Signal Surveyor等软件分析工具，可以更好地自动执行信号搜索和识别。当信号监测工具配备了高性能接收机(例如E3238S VXI接收机或N6841A RF 传感器) 后，通过使用阈值和软件告警 (可以设置为当被测信号功率超过预先确定的幅度时便会触发系统响应)，可以执行自动信号检测。下图是通过网络连接到信号检测软件的射频传感器的典型配置。当把中频带宽配置为 200 kHz 或更低频率时，射频传感器可以连续不断地传输数据流。由于10/100 TCP/IP网络协议中的延迟，具有更宽中频带宽、频率高达20 MHz的信号需要使用时间编码数据块来传送数据。信号监测软件对感兴趣信号的采样数据进行处理。该软件经过配置后还可以自动识别调制类型(选件 MR1)或储存时间序列或频率数据。工程师随后可以使用各种商用和定制的软件工具对归档数据进行后期处理。

图4 自动信号监测软件从接收机和数据存储器收集时间序列数据进行后期处理

限制线和其他软件告警功能对任何信号监测系统来说都是一个重要的特性。这些告警功能可以配置为自动执行对未知发射机的侦测过程，以及确定已知发射频谱一致性。阈值电平可以通过在基线射频环境中进行测量来确定，也可以由系统自动配置或由用户定义。例如，下图显示了使用N6820E信号监测软件可以采用的三种阈值方法。上面的图显示了与频谱分析仪中的限制线功能类似的电平阈值摂。当本底噪声保持平坦不变时，电平阈值可以很好地发挥作用，就像在VHF/UHF和微波频谱中那样。中间的图显示了自我定形到本底噪声的"自动阈值"技术。当本底噪声不平坦(例如在高频范围内)和/ 或随着时间变化时，这个功能非常重要。

下面的图显示的是"环境阈值"，它使用当前频谱的屏幕快照(包括任何现有的信号)，然后使用该波形作为以后测量的阈值。用于自动识别感兴趣信号的另一种选择是使用"通用信号检测"软件。此类专用软件(例如Keysight N6820E选件USD)通过测量射频发射的特征来自动识别信号。通用信号检波器包括带宽和波形滤波器、频率规划、宽带检波器和窄带确认器(confirmer)。宽带和窄带技术相结合，可以高效地对拥挤的频谱进行筛选，显著提高截获几率。宽带搜索功能将会对射频环境中的全部信号进行处理，使用信号检波工具过滤掉除感兴趣的信号之外的所有信号。一旦识别出感兴趣的信号，系统就会把它们的数据收集和记录下来，以备日后进行分析。当检测到新信号时，就会更新能量历史记录。

(a)电平

(b)自动

(c)环境

能量检测阈值技术

能量历史记录会把每次扫描中超过阈值的所有能量的参数自动存储起来。这些参数还可以用作告警条件来触发系统响应。

‾ 频率
‾ 带宽
‾ 带宽占用率
‾ 首次截获的日期和时间
‾ 最后一次截获的日期和时间
‾ 幅度统计数据
‾ 持续时间

传感器网络和地理定位

现代通信系统正朝着更高载波频率、更宽带宽的方向发展，这会带来更高的路径损耗和接收机噪声。如前所示，已知信号和未知信号的侦测几率与发射机的射频载波频率和调制带宽有直接关系。无线行业―特别是新兴的蜂窝系统 (例如 3G和4G)―的另一个发展趋势是架设更高密度的基站。许多行业和学术机构正在对微微蜂窝和毫微微蜂窝拓扑进行研究，希望实现更高频率的再利用和更低的发射功率级[11、12]。更高路径损耗加上更低发射功率级，将降低侦测在更宽瞬时带宽上工作的信号的几率。

要克服这些难题，信号监测系统可以通过增加接收机的邻近增益(换句话说，就是把监测系统布置在更接近发射机的位置)来改善系统性能。增加邻近增益不用花费任何费用。如果需要将发射机与接收机的间距缩短一半以获得适合的 SNR，那么相应的覆盖范围也会随之缩减到原来的四分之一。为了保持足够的侦测几率，移动和/或便携式接收机可以移动到发射机的预计工作区域。或者，可以在整个环境中布置更高密度的监测接收机(包括固定的低成本射频传感器)并连成网络，以改善总体系统性能。这种传感器网络还可在地理定位的过程中用来估计发射机的位置。

近些年来业界已经在多种应用(包括环境传感、资产跟踪和生产流程)中对传感器网络进行了研究和实施，但是将这一技术扩展到信号监测和频率管理方面对于业界来说还是一种相对较新鲜的概念。用于信号监测的射频传感器网络将对分布式接收机(通过有线回程网络相互连接)所提供的测量结果实施非相干或相干侦测。由于需要处理的信号减少，回程网络负载降低，所以传感器网络中使用非相干侦测法的接收机将获得更快的侦测速度。然而，当噪声使功率测量结果出现偏差，并掩盖了低电平信号时，非相干侦测可能会导致系统无法分离信号与噪声。在这种情况下，需要一个正值的 SNR 以增加使用非相干侦测的侦测几率。另一方面，与非相干方法相比，使用相干侦测技术的射频传感器网络结合多个接收机所捕获的信号，可以显著提高侦测几率。一种相干处理方法使用了互相关功能。在这种情况中，来自两个单独传感器的同一发射信号的测量结果是互相关的，导致独立噪声特征受到抑制。在长互相关时间的理论极限中，接收机和环境噪声不是问题，接收机的性能(包括其噪声系数)对系统侦测性能的影响变得更小。即使当信号持续时间很短时，使用多个传感器的相干侦测也比非相干侦测方案更具优势。

作为使用非相干侦测的接收机与使用相干侦测的网络系统在侦测几率方面的比较，图 7 显示了使用传统技术与互相关技术的三个射频传感器的侦测几率等高线图。在该图中，蓝色区域是侦测1.6GHz信号(发射功率为300 mW、带宽为200 kHz)的几率达到或超过80%的区域。红色阴影区域是侦测几率低于20%的区域。

如图a所示，独立监测信号电平的传感器只在非常小的区域内具有较高的侦测几率。对于这个传统的非相干方案，侦测性能受到接收机性能和邻近增益的限制。

对于另一种方案，图b显示了使用相同测量、但是现在进行了相干的相同传感器的侦测几率性能。如图所示，与使用传统方法相比，高侦测几率区域有了显著增加。使用传感器网络侦测信号的方法使您可以采用低成本的接收机或射频传感器，这种方法可以提供"恰好够用"的性能，同时又能提供可以扩展和远程管理的系统。

射频传感器方法的另一个好处是有可能定位周围环境中的发射机。寻找室内和/或室外无线发射机所在位置的应用有许多，包括搜索和救援、跟踪贵重设备、寻找违法的或干扰发射机的活动等等。业界已经开发出许多不同的技术来定位无线发射机，包括接收信号强度(RSS)、到达角(AOA)、到达时间(TOA)和到达时间差(TDOA)。这些方法大多需要从三个或更多个独立位置进行测量。无论测量涉及的是功率电平、飞行时间还是其他一些参数或这些参数的组合，发射机的地理位置通常都是由接收信号的数学三角关系决定的。使用射频传感器网络测量的信号的相干处理过程非常适用于进行地理定位。对于这种应用，前面讨论的互相关属性也可以导致传感器对之间出现到达时间差。利用三对或更多对射频传感器之间的TDOA，可以根据传感器的位置，通过三角函数计算出未知发射机的位置。例如，图8显示了两对传感器之间的互相关测量结果。在该图中，从传感器1和传感器2获得的测量结果之间的互相关以蓝色显示，传感器2和传感器3之间的互相关以黄色显示。图中没有显示传感器1和3之间的相关，但这种相关对确定发射机位置必不可少。互相关中的峰值与在相关接收机对上测得的信号之间的相对时间相符。本图中的所有相关测量结果都是来自一个发射宽带 CDMA 信号的发射机。使用互相关响应中的峰值之间的时间差，可以计算出发射机的位置。在此例中，1-2和2-3相关峰值之间的时间差Δt大约等于10微秒。使用1-2/1-3和2-3/1-3传感器对的峰值时间差，可以通过三角函数计算出发射机的位置。应该知道，使用更多的传感器可以显著改善地理定位精度，特别是在路径较多的环境中。