区域环境电磁监测与信号识别系统方案研究

2013-05-03李诗婧王玉文孟凡计

中国测试 2013年2期

李诗婧，马宇，王玉文，孟凡计

（电子科技大学空天科学技术研究院，四川成都 611731）

0 引言

随着科学技术的进步和无线电业务的发展，各种信号在空间中的分布越来越密集，特别是移动通信信号、雷达信号、无线局域网信号以及工业、科学、医学（ISM）等领域中仪器设备在使用时产生的电磁泄漏信号，使得区域电磁环境变得复杂、拥挤且具有不确定性[1]。给民用、国防等很多方面业务和工作带来方便的同时，也对信号捕获、抗干扰等技术提出新的挑战，对间谍信号、泄漏信号、有害信号的监测与识别问题日趋突出，这些都对无线电管理提出更高的要求。

1 电磁环境监测分析

实现大范围的环境监测，从成本上考虑是不现实的；所以，设计灵活机动的区域电磁环境监测与信号识别系统，只监测一定范围内的电磁环境。依靠最新推出的混合域分析仪，实现对信号快速、准确地搜索和捕获，再利用虚拟仪器技术和信号识别算法对被测信号进行分析处理，给出监测与识别结果，为进一步实现无线电管理工作奠定了基础[2]。

系统不仅给无线电管理工作提供了明确的依据和参考，还可以作为电磁泄漏监测装置，有效防止机密信息侦查和泄漏活动，而且可以作为研发电磁兼容产品的检测设备，对产品的电磁辐射水平做出科学客观的评估[3]。

系统频段覆盖范围广，测量范围为0.4～6GHz，主要监测和识别全部的移动通信信号、从毫米波至米波的雷达信号、2.4GHz和5.8GHz的主流无线局域网信号以及无线电台、卫星通信等信号。该系统架构方便、体积较小、移动性强，在越来越复杂的环境中，完全可以高效低耗机动地胜任监测工作。

2 系统硬件组成及功能模块设计

系统依靠接收天线来采集区域电磁环境信息，监测过程中出现的异常信号将会被混合域分析仪捕获分析，处理后的数据经过仪器的LAN口输入主控计算机中，由计算机实现信号的识别。系统采用LabWindows/CVI软件平台结合虚拟仪器技术开发完成，使用标准的ANSI C语言[4]。

2.1 总线接口技术和仪器控制

系统采用新一代模块化仪器总线标准LXI（LAN eXtension for instrumentation）总线实现仪器和计算机的连接[5]。LXI是以太网技术在测试自动化领域应用的拓展，其总线规范融合了GPIB仪器的高性能、VXI/PXI插卡式仪器的紧凑灵活和以太网的高速吞吐率，并考虑了定时、触发、冷却、电磁兼容等仪器的要求，同时采用LAN口作为连接，相对于其他结构复杂的总线，使系统结构得到简化。虚拟仪器软件结构VISA调用底层的驱动程序来实现仪器控制，作为测试软件中的操作函数集，是一个高层应用程序接口API。

2.2 系统硬件组成

泰克（Tektronix）日前推出的世界上第一台混合域分析仪MDO4000，它能够捕获时间相关的模拟信号、数字信号和RF信号，在系统级全面了解监测环境和器件的特点，可以一目了然地同时看到时域和频域信号，观察任一点上的频谱，迅速高效地解决各种复杂的设计问题。系统采用该分析仪作为数据采集工具，结合天线实现无线电信号接收模块的功能。

由于要兼顾系统监测频率范围非常大和移动便携性好的特点，天线选用对数周期天线HF-4060，测量范围0.4～6GHz。该型天线小巧轻便，长宽高尺寸590mm×360mm×30mm，质量 1000 g，属于手持式无源定向天线，典型值增益5dBi，反射损耗优于-10dB，天线系数20～40dB/m，额定阻抗50Ω。

2.3 功能模块设计

系统设计主要功能模块如图1所示。计算机软件设计是系统设计的核心，必须具有可实现性和完整性。系统由主控模块总体控制，实现包括系统校准、数据采集、信号混合域分析、信号识别和结果输出等一整套完整的系统功能[6]。

3 信号识别方案设计

信号识别方案涉及整个系统的处理流程[7]，以流程图为纲对信号识别方案进行详细阐述。

3.1 信号来源

信号识别算法设计依赖信号的来源，如前所述，系统既能实现实际信号的监测，又能进行仿真信号的研究，两方面相辅相成。首先，需要模拟实际信号的特征，建立仿真信号；然后利用各种仿真信号来测试完善信号识别算法；再使用开发出的算法来识别实际监测信号；最后完成信号识别算法设计。

系统一方面可以通过硬件设备，实现实际区域的监测，完成普通监测工作；另一方面，在非实际监测时，也可以模拟不同电磁环境下各种设备的电磁波，方便进行各种科学研究和开发工作。

3.2 监测准备

系统开始工作前，还需完成一些准备工作。首先完成主控计算机、混合域分析仪、天线和LAN口网线的连接；然后在主控计算机中装载仪器驱动程序，实现仪器控制；再对仪器和天线进行校准；最后还要进行初次环境监测，完成系统校准。

图1 系统功能模块设计

3.3 相似计算

相似计算模块是对电磁环境改变情况的判别，首先要知道当前或者原来应该存在的电磁环境，所以在此过程中，可以读取已经存在的环境记录，或者重新扫描生成一个环境比对信号记录；然后比对环境信号与当前监测获取到的信号，如果出现环境改变情况，则是由于出现新的信号，该模块的计算步骤如下：

（1）设系统中标准比对信号为x（i）；

（2）监测当前环境下的信号改变情况，设监测到的信号为 y（i），且 y（i）和 x（i）长度相同，都为 k；

（3）利用相似性计算公式

计算它们的相似性系数ρxy；

（4）当ρxy≤0.9时，判断电磁环境发生改变。

3.4 分析识别

分析识别模块是系统的核心，混合域分析仪提供信号以时间相关的时域频域混合域信息，通过分析波形图，根据不同信号的幅度频率特征，实现已知信号识别。例如，根据信号的频率不同识别不同的移动通信信号，系统识别后给出的结果信息包括信号的幅度、频率、通信体制、所属服务运营商和上下行等信息。

系统根据不同监测环境和监测任务要求，可以设置单点测量和频段扫描功能，当需要得到某一个信号的参数时，使用单点测量功能；当需要监测整个频段的情况时，使用频段扫描功能。

4 实验结果与分析

使用区域电磁环境监测与识别系统进行一次综合监测实例。输入信号采用中国移动GSM900上行信号，信号功率-37.2dBm，频率0.9GHz，系统环境模拟高斯噪声环境，噪声比率20%。点击开始校对按钮，完成校对后，校对指示灯变黄。设置窗函数为Hanning窗，设置频谱显示方式为均方值，衡量范围为dB。在全频段内进行扫描，点击按钮，主要模块设计和监测与识别结果如图2所示。