复杂电磁环境下的信号监测技术

复杂电磁环境下的信号监测技术2内容安排•复杂电磁环境介绍•复杂电磁环境对信号监测的挑战•监测技术的发展•E3238S硬件体系结构特点•E3238S软件功能及特点3复杂电磁环境的构成军用雷达,电台,微波接力站,导航,遥测,遥控,卫星通信,电子对抗…民用手机,基站,各种无线通信,广播,电视…自然雷电,宇宙射线,地磁场…4复杂电磁环境的特点•频谱拥挤，信号密集;•信号样式繁杂;•电磁环境存在冲突和对抗;•电磁环境动态变化;5复杂电磁环境对信号监测的挑战•无法控制要搜索的信号–信号的频率未知–信号的开启时间未知–信号持续时间非常短–信号的功率未知–信号的调制特性复杂–信号参数存在变化•无法控制周围的频谱环境–区分复杂的电磁环境背景和信号–复杂电磁环境下对信号的提取,判断和分析幅度信号截获概率(POI)低6理想的信号监测解决方案•需要快速的扫描能力–应对突发的信号持续时间短的信号–需要进行非常宽的频率扫描•需要非常高的频率分辨率，测试灵敏度和动态范围–区分间隔很近的信号–信号可能掩盖在噪声中，强信号背景下对弱信号的检测能力强大的信号判断能力–从许多扫描的信号中提取满足分析条件的信号–灵活的信号触发报警条件设定–对满足分析条件的信号进行参数提取和数据库生成完整的分析能力–对信号调制等参数和来源的判断–对信号的解调分析能力–对信号的解调侦听功能–对信号的纪录–对信号位置的判断扫宽扫描时间分辨率7监测接收机发展下变频器DSP模拟中频频率&幅度AD下变频器DSP数字中频(FFTs)频率,幅度,&解调AD下变频器DSP(s)数字中频(FFTs)多频率、幅度&解调AD计算机处理扫描调谐接收机(频谱仪)单信道测试接收机宽带测试接收机(侦测系统)•大的频率范围内快速扫描•窄的频率范围扫描慢•单台仪器•窄的频率范围内快速扫描•系统带宽与被测信号相当•大的频率范围内快速扫描•窄的频率范围内快速扫描•系统带宽大于被测信号带宽•对持续时间短的信号获得高POI8扫描调谐接收机-频谱仪分析仪下变频器DSP模拟中频频率&幅度AD扫描调谐接收机(频谱仪)•大的频率范围内快速扫描（低分辨率）•窄的频率范围扫描慢（高分辨率）•单台仪器预选滤波器/低通滤波器参考振荡器对数放大器RF输入衰减器混频器中频滤波器检波器视频滤波器本振扫描控制器中频放大器输入显示结果9信道化测试接收机-窄带搜索技术下变频器DSP数字中频(FFTs)频率幅度解调AD信道化测试接收机•窄的频率范围内快速扫描•系统带宽与被测信号相当ProcessI/O10SearchProcessCollectionRx#1CollectionRx#2CollectionRx#3ProcessProcessProcess宽带测试接收机-宽带搜索加窄带并行分析处理技术下变频器DSP(s)数字中频(FFTs)多频率幅度解调AD计算机处理宽带测试接收机(侦测系统)•大的频率范围内快速扫描•窄的频率范围内快速扫描•系统带宽大于被测信号带宽•对持续时间短的信号获得高POI11安捷伦E3238S信号监测系统•步进式的扫描频谱•在每一个步进中使用并行处理技术(快速傅立叶分析FFT)，大大提高了对宽频带状态下未知信号的检测能力•优化系统的速度•快速的调谐•ADC的带宽•高速的I/O数据传输•多路并行的DSP处理集搜索，截获，分析，处理功能于一体12E9821A数字信号处理单元-先进的硬件体制•配置灵活•最多可配置6个MotorolaG4处理器，•多个处理器并行工作，完成FFT，实现高性能搜索•数字下变频DDC功能•并行对多达96通道的窄带信号进行处理•光纤接口连接，提高数据传输速度13E9821ADSP模块的灵活配置方式…add32channelsforUSD,NBR,AU1,etcSearchonly…DSPDSPFromADCDSPDSPSpectrumDSPDSPE9821A**DSPDSPDSPDSPFromADCSpectrumDSPDSPDDC32NarrowbandchannelsE9821A*对于高速信号搜索应用，使用所有6片DSP进行并行处理,提高搜索速度搜索加32通道窄带记录,USD,实时音频输出14E3238S/N6820E的信号搜索速度N6820E的频谱搜索速度为频谱仪的100～1000倍E3238S/N6820E4GHz/秒或250毫秒/GHz33MHz/秒或30秒/GHz分辨率（RBWkHz）扫描速度（GHz/s）频谱分析仪FFT模式测试结果E3238S/N6820E•250毫秒频谱分析仪•30秒（FFT模式）•5分钟（扫频模式）15E3238S/N6820E宽带快速跳频信号的截获FFT模式实验方法：•用8645A捷变频源产生100MHz~2GHz的跳频信号，跳频间隔10MHz,每个频率点的驻留时间为5us，频率跳变速率为50kHz，每秒5万跳；•用电缆将8645A和N6820E连接，设置N6820E为8.7kHz分辨带宽和2GHz的频率范围，设置电平判决条件；•将8645A的功率电平设置为-30dBm，•打开N6820E搜索功能，十秒钟后关闭搜索功能，观察搜索结果。实验结果：对于2GHz跳频范围，跳频间隔10MHz，信号驻留时间5us，频率跳变速率50kHz的跳频信号，每秒5万跳,N6820E搜索10秒钟，能截获到全部频率点，每个频率点截获次数为1到4次。16调查寻找新的信号•在频谱上检测新的能量•使用不同的工具将信号分类•自动生成结果文件信号处理过程-完善的软件处理思想收集寻找感兴趣的信号(SOI)•在频谱上检测新的能量（新的信号）•自动记录满足参数定义的信号•事后处理信号搜寻感兴趣的信号满足要求的信号寻找已知信号•在频谱上检测新的能量•自动记录满足要求的信号•自动产生可搜索的信息数据库•对关键信息执行实时搜索宽带硬件前端信号侦测应用数字接收机或挂断接收机特殊的信号算法全部的电磁谱能量检测到的能量能量报警信号处理确认感兴趣的信号信号报警17SignalofInterest解决显示分辨率与测量分辨率的矛盾（几十万上百万数据点的显示）18能量检测工具（未知信号的触发判决方法）电平门限判决在频域上设置一个功率门限，搜索全频段的超过门限的测量结果都作为截获的能量记录在能量历史数据库中噪声自适应判决这种方法是实时地计算电磁谱的噪声基底，产生一个可以随时间变化的噪声基底，将这个随时间变化的噪声基底作为判决条件，超过噪声基底的测量结果都作为截获的能量记录在能量历史数据库中（类似于雷达恒虚警）19能量检测工具（未知信号的触发判决方法）电磁谱环境判决将测量的电磁谱环境作为判决条件，可以是当前的电磁环境，也可以是一段时间内的电磁环境，然后将测量的频谱数据与电磁环境数据作比较，发现电磁环境之外的信号或干扰。如下图所示，黄色曲线为电磁环境背景（判决条件），蓝色的曲线为测量的频谱数据，比较之后的结果记录在能量历史数据库中，也可以用频谱背景显示。用户自定义用户根据需要，使用文本编辑器进行编辑即可，编辑方法简单，如下图所示20潜在的感兴趣信号的参数提取潜在的感兴趣信号的统计信息–频率(首次,当前)–幅度(最小,最大,平均,当前)–带宽(首次,最小,最大,平均,当前)–持续时间(最小,最大,平均,当前)–截获的时间(首次,末次)–截获,检测和扫描的次数–占用度%N6820E提供对未知信号检测的定量数据信息21E3238S/N6820E奥运期间频谱保障中的应用FFT模式实测案例：•奥运会期间在水立方附近,E3238S搜索到的一异常信号,频率范围137MHz~150MHz，此频段为奥运会重点保障频段，见左图瀑布图红色方框内的信号-―两条亮线‖；•异常信号为一宽带扫频信号，扫描范围137MHz~150MHz，扫宽13MHz，信号不连续，持续时间不到1s，每20秒出现一次;•对于一个25KHz的信道出现的时间不到2ms，一般的监测接收机监测不到；•E3238S是在扫宽200MHz，RBW2KHz设置条件下截获的，该设置下扫描速度是4GHz/s，因此200MHz扫宽需要的时间不到50ms，截获该异常瞬态信号的概率很高；•最后查出该异常信号为一寻呼台发射机故障所致；22USD信号检测功能UniversalSignalDetector•信号频率带宽，Bandwidth•信号频段•信号功率谱特性•RBW•Averaging•信号调制方式•Modulationformat•Symbolrate,bandwidth,deviation,…•信号记录(rawIQ,AM,orFM)分析信号特性，为信号判断提供完整依据,区别于能量检测NarrowbandConfirmerNarrowbandConfirmerWidebandDetectorWidebandDetectorUniversalSignalDetectorBandwidthFilter,FrequencyPlanWidebandDetectorsNarrowbandConfirmersFurtherProcessingN6820E其他23E3238S的信号判决方法-USD检测能力举例噪声自适应判决频谱相关判决频谱相关判决是通过互相关的算法来检测信号的。先生成一个目标信号的频谱，可以是已有的信号频谱，或是用户定义的信号频谱，然后把每次扫描截获的能量数据与目标信号进行相关运算，根据相关的结果进行判决。这种方法解决了在复杂拥挤的频谱中，低信噪比下对特定信号的截获。5dB信噪比下的检测24E3238S的信号判决方法-USD检测能力举例噪声自适应判决调制识别判决先定义好要捕获的信号的条件，如调制类型、符号率、带宽以及频率间隔，然后对截获的能量进行调制识别，识别出信号的调制类型、符号率、带宽以及频率间隔，再与事先定义的参数进行比较，判决是否为要捕获的信号。这种判决方法可以捕获到调制类型变化的信号。•调制识别的算法在DSP中实现，识别速度快；•可以自动搜索突发信号，对突发信号进行识别；•在某频点下驻留1ms的跳频信号可以成功识别；25噪声自适应判决频谱峰值点判决可以同时定义上限模板和下限模板。信号功率超过模板进行触发判决，或信号功率低于模板进行触发判决，或信号功率在模板范围内进行触发判决。频谱形状判决通过定义在搜索的频律范围内的信号频谱的峰值数量、峰值之间的距离、峰值的幅度等参数，在每次扫描搜索时，将测量的频谱结果与定义的参数进行比较，判定信号是否为要搜索的信号。这种方法非常适用于FSK类的信号截获。E3238S的信号判决方法-USD检测能力举例26支持对测试信号和存储文件的特征提取RBWAveragingRFN6820ESearchRBWAveragingFile(IQvs.Time)WidebandDetectorEditor27USD在跳频信号干扰效果评估中的应用矢量方法合成干扰使用USD功能可以方便快速地检测到干扰后漏掉的跳频信号的频点干扰后漏掉的跳频信号28USD在跳频信号干扰效果评估中的应用使用USD功能可以方便快速地检测到干扰后漏掉的跳频信号的频点模拟电路产生干扰干扰后漏掉的跳频信号29多检测方式并行处理在不同的测试窗口分别采用不同的信号检测方式，提高对信号检测的效率30调制方式识别•测试目的•扫描过程中，对信号的调制参数进行识别，包含调制方式和调制速率•应用•对未知信号的调制参数进行判断，为解调分析提供依据•对信号性质进行确定•特点•测试精度高•能识别多达25种调制格式•最大分析带宽：36MHz•通过报警功能触发启动3116QAM32QAM64QAM256QAMAMAMDSBSCLSBUSBOOK(akaASK)4PAM(aka4-levelASK)ManualMorseMachineMorseFSK3-levelFSK4-levelFSK8-levelFSKAnalogFM(includesmulti-levelFSKnotshownabove)MSK(includesGMSKandOffset(akaStaggered)QPSK)BPSKQPSK(includesDQPS