航空航天和國(guó)防應(yīng)用中的射頻干擾信號(hào)流化、分析與回放

理想狀態(tài)下，接收機(jī)將使用磚墻式濾波器，放大器和混頻器將永不失真，命令中心始終協(xié)調(diào)頻譜運(yùn)行，“堵塞”是一個(gè)僅會(huì)在早餐和舉行音樂會(huì)時(shí)出現(xiàn)的術(shù)語。此時(shí)，干擾將會(huì)出現(xiàn)。

干擾分為有意干擾和無意干擾兩類。無意干擾是射頻環(huán)境的一部分: 手機(jī)、無線鏈路、無繩電話、地面電視、醫(yī)療電子設(shè)備等都會(huì)產(chǎn)生無意干擾。有意干擾是專門創(chuàng)建的信號(hào)，目的是破壞目標(biāo)接收機(jī)的運(yùn)行。我們重點(diǎn)關(guān)注有意干擾，最終目標(biāo)是抵制多余信號(hào)。建議的解決方案包括四步:
● 捕獲現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)
● 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析
● 仿真并回放信號(hào)
● 開發(fā)解決方案

由于此類干擾都是間歇的瞬時(shí)信號(hào)，捕獲信號(hào)可能需要數(shù)秒、數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)的數(shù)據(jù)。為了確保完整的分析圖，捕獲數(shù)據(jù)必須是無間隙的連續(xù)信號(hào)。

應(yīng)用安捷倫和 X-COM Systems 的商用現(xiàn)貨 (COTS) 硬件和軟件組件即可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。該系統(tǒng)可加快篩選和深入分析 TB 級(jí)數(shù)據(jù)的速度，并且能夠在捕獲、分析、仿真和回放整個(gè)流程中保持最初的信號(hào)保真度。所有組件均為商用現(xiàn)貨產(chǎn)品，因此該解決方案能夠提供可追蹤的性能，可以輕松針對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)用重新部署。

問題

通常，發(fā)射有意干擾具有明確的目的: 中斷通信、阻塞雷達(dá)系統(tǒng)、欺騙或破壞目標(biāo)接收機(jī)。此類干擾屬于間歇或瞬時(shí)信號(hào)，通常很難發(fā)現(xiàn)或確定來源。

在此情形下，我們需要捕獲和分析包含干擾信號(hào)的整個(gè)頻譜數(shù)據(jù)集合。這需要采集數(shù)秒、數(shù)分鐘乃至數(shù)小時(shí)的頻譜數(shù)據(jù)，并將占用幾GB 乃至幾 TB 的磁盤空間。

大多數(shù)情況下， 存儲(chǔ)容量可能是最容易解決的問題，連續(xù)采集高保真數(shù)據(jù)的難度更大。捕獲并存儲(chǔ)海量無間隙數(shù)據(jù)后，接下來的挑戰(zhàn)是如何篩選出一個(gè)或多個(gè)干擾事件。提取每個(gè)事件有用的信號(hào)信息— 時(shí)域、頻域和調(diào)制域，我們可以獲得深入的分析。

解決方案

解決方案的設(shè)計(jì)理念是“捕獲干擾即信息”。提取信號(hào)信息的速度越快、精度越高，您就能更好地理解干擾信號(hào)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的影響，進(jìn)而更快地制定和部署應(yīng)對(duì)措施。

此解決方案的方框圖如圖 1 所示。如上所述，該系統(tǒng)可以執(zhí)行捕獲、分析、仿真和回放等重要步驟。

圖 1. 將捕獲的干擾數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用信息的系統(tǒng)方框圖流程

信號(hào)捕獲和分析

信號(hào)捕獲和分析使用三個(gè)硬件元件: 信號(hào)分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀和外部數(shù)據(jù)包。如圖 2 左側(cè)和中間圖片所示。

Agilent X 系列信號(hào)分析儀:圖中顯示的 PXA 是安捷倫旗艦級(jí)信號(hào)分析儀產(chǎn)品。取決于性能要求，用戶也可使用 MXA 或 EXA。使用 X 系列分析儀作為前端下變頻器和中頻數(shù)字化儀可以從開始即確保最高的信號(hào)保真度。

X-COM IQC-2110 數(shù)據(jù)記錄器:輸入記錄器的是信號(hào)分析儀的數(shù)字 I/Q樣本流。IQC-2110 對(duì) I/Q 數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，使用外部標(biāo)記事件為其添加標(biāo)簽，并添加時(shí)間和 GPS 標(biāo)識(shí)，然后發(fā)送至數(shù)據(jù)包。

X-COM 數(shù)據(jù)包:該設(shè)備可采用 2、4、8、12 或 16 TB 的容量配置。

結(jié)合解決方案中的軟件組件，您可以執(zhí)行不同的后期處理活動(dòng)。

X-COM Spectro-X 信號(hào)分析軟件: 主要功能包括預(yù)處理大型數(shù)據(jù)集和定位可疑信號(hào)。Spectro-X 包含搜索引擎， 可以識(shí)別和“ 標(biāo)記”(fingerprint) 波形，并具有“剪切和保存”功能，支持在 89600 矢量信號(hào)分析 (VSA) 軟件中回放信號(hào)。

Agilent 89600 VSA 軟件: 安捷倫業(yè)界領(lǐng)先的信號(hào)分析 (VSA) 軟件提供多個(gè)觀測(cè)復(fù)雜信號(hào)的方法，內(nèi)置功能支持超過 70 類標(biāo)準(zhǔn)和信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)比特級(jí)調(diào)制分析。

圖 2. COTS 硬件和軟件組合能夠確保高保真捕獲、分析、仿真和回放

信號(hào)仿真和回放

該系統(tǒng)包括信號(hào)生成軟件、基帶發(fā)生器和矢量信號(hào)發(fā)生器，用于信號(hào)仿真和回放。如圖 2 中底部和右側(cè)圖片所示。
X-COM 射頻編輯器: 該軟件可用于創(chuàng)建包含記錄文件的信號(hào)情景。該軟件的功能包括波形剪切、縫合、轉(zhuǎn)換、過濾和循環(huán)。生成的波形可下載至 CPG-2110 進(jìn)行回放。

X-COM CPG-2110 連續(xù)回放發(fā)生器: 該基帶發(fā)生器用于驅(qū)動(dòng)矢量信號(hào)發(fā)生器的 I 和 Q 調(diào)制輸入。安捷倫矢量信號(hào)發(fā)生器: 示例型號(hào)包括 PSG、EXG 和新型 MXG。矢量信號(hào)發(fā)生器對(duì) I/Q 調(diào)制進(jìn)行上變頻轉(zhuǎn)換，并作為空中信號(hào)源。

結(jié)果: 信號(hào)捕獲和分析

圖 3. 直觀觀察捕獲的頻譜數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)四個(gè)需要關(guān)注的區(qū)域。

下面我們通過實(shí)際干擾案例簡(jiǎn)要介紹該解決方案的功能。首先，使用 PXA 信號(hào)分析儀采集數(shù)據(jù)，并將 40 MHz 寬的捕獲數(shù)據(jù)流化，輸入IQC-2110 記錄器和 2-TB 數(shù)據(jù)包。持續(xù)無隙捕獲數(shù)據(jù) 10 分鐘，生成 120 GB的數(shù)據(jù)。

干擾信息

使用 Spectro-X 可直觀查看捕獲的數(shù)據(jù)，以尋找需要關(guān)注的干擾信號(hào)。全部 600 秒捕獲數(shù)據(jù)的幅度/時(shí)間測(cè)量概覽圖顯示有四個(gè)不同時(shí)間段可能存在我們需要關(guān)注的活動(dòng)(圖 3)。

快速分析約 400 秒至 500 秒時(shí)段可知信號(hào)為 802.11b Wi-Fi 傳輸信號(hào)。此外，Spectro-X 的搜索工具發(fā)現(xiàn)其余三個(gè)包含大量活動(dòng)的時(shí)段: 50 秒至 140 秒、230 秒至 350 秒和 510 秒至540 秒。頻域分析提供以下信息:
● 時(shí)段 1: 約 50 秒至 140 秒，共包括137000 個(gè)載波信號(hào)。
● 時(shí)段 2: 在一臺(tái) IEEE 802.11g 發(fā)射機(jī)運(yùn)行的約 230 秒至 350 秒之間，概圖清晰顯示存在未知信號(hào)。未知信號(hào)持續(xù)約五秒時(shí)間。
● 時(shí)段 3: 約 510 秒至 540 秒，有 20000個(gè)任意載波信號(hào)。

圖 4. 在頻譜圖 (上圖) 中, 疑似干擾信號(hào)侵入了有序載波信號(hào)。

如圖 4 所示，關(guān)注時(shí)段 2 頻譜圖和持續(xù)頻譜格式的視圖。頻譜圖 (上圖) 顯示，有序載波信號(hào)頻譜中插入了兩個(gè)猝發(fā)干擾。

Spectro-X 的“標(biāo)準(zhǔn)搜索”功能可用于識(shí)別有序載波 (本例中載波確認(rèn)為 802.11g 信號(hào))。如圖 5 所示，搜索參數(shù)包括置信限制 (本例中設(shè)為 40%)、可選標(biāo)準(zhǔn)類型 (此處設(shè)為802.11a/g) 以及關(guān)注的捕獲數(shù)據(jù)時(shí)間范圍 (設(shè)為 250 秒至 300 秒)。

置信限制可以幫助確定與理想無線標(biāo)準(zhǔn)相似的信號(hào)。置信值與理想無線標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)有關(guān)，用于定義參考信號(hào)和捕獲信號(hào)之間需要的關(guān)聯(lián)度。該數(shù)值小于 100%，可以反映干擾信號(hào)影響目標(biāo)信號(hào)的嚴(yán)重程度。

在本例中，搜索發(fā)現(xiàn)了超過 92000個(gè)與 802.11g 參考信號(hào)相似的信號(hào)。

同預(yù)期一致，出現(xiàn)嚴(yán)重衰減的區(qū)域正是出現(xiàn)干擾信號(hào)的區(qū)域: 如圖6 所示，關(guān)聯(lián)度從 80% 以上降至 50%以下。

圖 5. 利用“標(biāo)準(zhǔn)搜索”對(duì)話框選擇參數(shù), 例如可選無線
標(biāo)準(zhǔn)和需要的關(guān)聯(lián)度

圖 6. 搜索結(jié)果概覽顯示高置信度和低置信度區(qū)域

使用頻譜圖顯示查看所有關(guān)聯(lián)度較低的區(qū)域 (圖 7)，這樣可以準(zhǔn)確找到干擾信號(hào)出現(xiàn)的五秒時(shí)段。
接下來，我們將相關(guān)的 I/Q 數(shù)據(jù)導(dǎo)出到 89600 VSA 軟件進(jìn)行詳細(xì)分析。在干擾信號(hào)出現(xiàn)之前，多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)顯示調(diào)制質(zhì)量良好 (參見圖8)。干擾信號(hào)對(duì)調(diào)制質(zhì)量產(chǎn)生了重大影響: 干擾信號(hào)對(duì)傳輸?shù)母蓴_完全擾亂了信號(hào)導(dǎo)頻和凈荷載波 (圖 9)。

案例背景

上述案例發(fā)生在一個(gè)網(wǎng)吧中。案例中的無意干擾來自一臺(tái)微波爐:員工每次加熱油酥餅或三明治時(shí)，它就會(huì)破壞 Wi-Fi 連通性。盡管本例是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的情景，但建議的步驟適用于其他包含干擾的情景: 例如無線通信、遙測(cè)鏈路、飛行區(qū)間運(yùn)行、信號(hào)情報(bào)(SIGINT)、信號(hào)互操作性等。該流程也適用于三種最常見的使用情景: 記錄威脅并在實(shí)驗(yàn)室回放、在實(shí)驗(yàn)室記錄并在實(shí)驗(yàn)室回放、在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建并在現(xiàn)場(chǎng)回放。

圖 7. Spectro-X 60-μs (從頂部至底部) 的頻譜圖顯示干擾擾亂了
802.11g 信號(hào)的參考序列 (3-11 μs) 和凈荷 (11 μs 及以上)。

圖 8.干擾信號(hào)出現(xiàn)之前: OFDM 星座圖 (左上角)、EVM 圖 (右上角) 和
頻譜圖 (左下角) 均顯示正常。

圖 9. 干擾信號(hào)出現(xiàn)后: OFDM 星座圖 (左上角)完全散亂, EVM 圖
(右上角) 出現(xiàn)異常, 頻譜圖 (左下角) 出現(xiàn)大的尖峰。

結(jié)論

各類干擾都可能影響關(guān)鍵國(guó)防系統(tǒng)。擁有射頻診斷工具對(duì)設(shè)計(jì)人員至關(guān)重要，這可以幫助他們發(fā)現(xiàn)電磁頻譜中的真實(shí)情況。為了開發(fā)成功的干擾抑制戰(zhàn)略和解決方案，提取有用的射頻診斷信息是第一步。

如前所述，安捷倫和 X-COM 通力合作，推出了性能出眾的測(cè)量與分析系統(tǒng)，可以確保在廣泛頻率范圍和長(zhǎng)時(shí)間無間隙數(shù)據(jù)捕獲中保持高信號(hào)保真度。捕獲信號(hào)后，我們可以搜索信號(hào)以尋找特定干擾類型，并展開詳細(xì)分析。我們還可以應(yīng)用軟件處理信號(hào)，以仿真其他干擾情景。此外，重新播放完整的干擾記錄可用于仿真電磁環(huán)境 (EME) 和測(cè)試互操作性。