基于Agilent E3238/6820E的无线电频谱监测系统

邵 凌，邓江安

（中国人民解放军91550部队，辽宁 大连 116023）

0 引言

近年来由于通信技术的快速发展，各种通信新体制、新技术不断涌现，通信信号具有形式多样、快速、多变，无规律，军用民用信号混杂，信号强度高低参差不齐等多重特点，导致对环境信号的探测和复杂信号的处理非常困难。当前的无线电监测设备往往功能单一，当工作的频段不同，调制方式不同，波形结构不同，通信协议不同，数字信息的编码方式、加密方式不同时，就无法满足监测任务。研究开发一种工作频段宽、波形适应能力强、可扩展性好，既能适应通信信号，又能适应卫星地球站及雷达信号，还能适应导航信号的多功能设备系统是无线电频谱管理的必然要求。基于软件无线电技术的Agilent E3238/6820E频谱监测设备具备可重构性、灵活性和模块化等特点，提供了解决这一问题的最佳途径。

1 软件无线电简要介绍

由于计算机与数字信号处理技术的高度发展和军事通信的迫切需要，在无线通信领域产生了一种突破性的新技术——软件无线电。近些年来，软件无线电已成为人们研究的一个热点。

软件无线电的概念是由MITRE公司的资深科学家——Jeo Mitola在1992年5月的美国电信会议上首次明确提出的[1，2]。“软件无线电”是侧重形容一种崭新的实现无线通信系统的概念，是数字无线电技术的高级形式和抽象化;集无线电台和计算机于一体，采用标准的开放式总线结构，进行模块化设计;具有可编程功能、重组能力，实现多信道、多模式工作;使用宽带智能天线，具有多频段射频变换能力;能在不同无线信道之间、各种网络之间用作无线网关，并可灵活地扩展网络功能;适应不同无线电环境，具有传输安全和信息保密性。

软件无线电，概括起来就是两个尽可能:尽可能地将宽带模数和数模转换器靠近天线;尽可能地通过可编程的DSP器件，用软件来实现电台的各种功能。软件无线电的基本思想就是将硬件作为其通用的基本平台，把尽可能多的无线及个人通信的功能用软件来实现，从而将无线通信新系统、新产品的开发逐步转移到软件上来[2]。其最终目的是使通信系统摆脱硬件布线结构的束缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下，通过软件来实现各种功能，使得系统的改进和升级都非常方便、代价小，同时不同系统间很容易互连与兼容[3－5]。

软件无线电采用一种基于宽带A/D、D/A器件、高速DSP芯片、以软件为核心的崭新体系结构，如图1所示[6－8]。

图1 软件无线电体系结构

其主要特点是:

①软件无线电在射频或中频对接收信号进行数字化，通过软件编程灵活方便地实现各种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、调制解调、差错编码、信道均衡、信令控制、信源编码及加密解密等功能;

②软件无线电的高度可编程性和结构的标准化、模块化和开放性，使新业务、新技术的引入十分方便、经济，往往只需更新版本、加载新的软件模块或个别硬件模块即可实现。因此，软件无线电具有高度灵活性和很好的适应性，具有较长的生命周期[9，10]。

将软件无线电应用于无线电监测系统中，利用软件无线电的平台通用性及灵活性使无线电监测系统能适应多种标准，并易于升级，适应新的标准，大大增强监测系统的使用范围。当前由于管理体制和采购方式等方面的原因，各单位因为工作侧重点的不同，购置设备的技术标准存在差异，资源无法有效整合，形成一个个“烟囱”，使用软件无线电可有效解决此问题。

2 Agilent E3238/6820E频谱监测设备介绍

Agilent E3238/6820E是基于软件无线电的信号监测系统，它是一个全数字化的射频信号监测、分析、处理和记录系统（或称全综合系统），也是一部真正意义的软件接收机。

2.1 Agilent E3238/6820E系统的功能原理

E3238/6820E系统由硬件和软件两部分组成这一点与传统的监测接收系统有很大不同E3238/6820E系统的硬件部分采用可按用户需求组合设置的“模块”式结构，但硬件部分根据用户需求有“最小”配置的“入门”级别要求。如图2所示E3238/6820E系统的硬件部分主要由调节器（如E2730B）与ADC（即模数转换器，如E1439D）组合（Agilent定义为模块组合）、DSP处理器（如9821A）以及VXI主机箱（如E8408A）等要件模块构成。

图2 E3238/6820E系统体系结构

2.1.1 调节器

调节器主要完成射频转换部分的功能，其主要任务是接收预放大（功率放大）、RF信号与IF信号之间的变换。目前Agilent提供的选件为:监测VHF、UHF信号可选E2730B或E2731B，其中E2730B提供覆盖20～2700MHz频带，E2731B提供覆盖20～6000MHz频带。也可选用带FY7或H70选件的E4440A（PSA）监测HF/μWave信号。上述选件在系统中起到射频放大和转换的作用，E3238/6820E系统射频转换模块与下续的ADC模块形成组合配置，并为ADC模块提供36MHz带宽信号。

2.1.2 ADC 模数转换器

ADC模数转换器承担对调节器提供的基带信号进行实时A/D转换（即模拟/数字转换）。3238/6820E系统将调节器与ADC模块定义为组合关系说ADC模块是系统必备的选件。Agilent提供的ADC模块选件为E1439D，该模块可直接对36MHz带宽进行高速A/D转换，并通过两条FPDP光纤线缆与后续的DSP模块相连接。E1439D ADC模数转换模块具备较高的采样率与分辨率，以便在恢复时降低失真。除此之外，E1439D还具备大的线性动态范围，以减少互调失真，使接收的弱信号在强干扰信号中仍能被检测出来。

2.1.3 DSP 模块

众所周知，无线电技术的实质是算法技术，无论是工程还是技术过程中都始终充斥着各类算法、计算和模型变换。以往由于数值电路和工艺的限制，数字电路的工作速率远不及无线电技术涉及的基带频率和相应的射频电路频率。随着数字技术的发展，特别是高速DSP技术和高速ADC技术的发展，为无线电技术内涵的算法技术和数值计算处理技术，提供了远优于传统模拟技术的支撑平台。应用DSP技术不仅可改善无线电系统的性能，打破不同体制的局限，还可最大限度地改善无线电系统的一致性和可重复性，最大程度地克服传统系统的不确定性[3]。

DSP技术是无线电技术内涵中的算法技术与现代计算机技术的程序算法的结合点。利用DSP可以高速、接近实时地实现传统无线电电路技术（含各类基带、不同频率和不同形式的信号）各种功能，许多需要复杂电路甚至难以实现的功能都可通过DSP实现。因此，DSP技术是软件无线电技术的核心技术和基本平台[4]。

E3238/6820E系统采用E9821A DSP模块，负责对ADC模块提供的数字信号进行处理和后续传递。Agilent在E3238/6820E系统中采用了并行DSP处理技术，用户最多可选装高达4个E9821A DSP模块，每个DSP模块有4个位置可选配连接多达3个双G4处理器或3个多通道数字下变频器（DDC）组合。可由此获得更高的处理能力和更多的信号通道。通过使用两个E9821A DSP模块，还可创建延迟存储器，以扩展系统功能。在DSP内可完成判断阀限、高速分辨和判别等功能。

由于ADC模块形成的数据流的速率很高，且考虑到使用环境和连接方便，ADC模块与DSP模块间的数据传递采用光连接方式。

2.1.4 VXI总线系统

E3238/6820E系统采用VXI总线系统作为系统机械和电气的连接支撑平台。VXI总线系统或者其子系统由一个VXIbus主机箱、若干VXIbus器件、一个VXIbus资源管理器和主控制器组成，零槽模块完成系统背板管理，包括提供时钟源和背板总线仲裁等，也可以同时具有其他的仪器功能。资源管理器在系统上电或者复位时对系统进行配置，以使系统用户能够从一个确定的状态开始系统操作。在系统正常工作后，资源管理器就不再起作用。主机箱容纳VXIbus仪器，并为其提供通信背板、供电和冷却等。

VXIbus规范是一个开放的体系结构标准，其主要目标是使VXIbus器件之间、VXIbus器件与其他标准的器件（如计算机或计算机终端）之间能够以明确的方式开放地通信，使系统体积更小;通过使用高带宽的吞吐量，为开发者提供高性能的测试设备采用通用的接口来实现相似的仪器功能，达到使系统集成软件成本进一步降低的目的[5]。

2.2 Agilent E3238/6820E信号监测系统的特点

Agilent E3238/6820E系统充分运用了软件无线电技术。与模拟接收机和一般数字接收机相比滤波器的种类和数量不受限制，可随用户需要而设置;解调器完全是软件定义的，利用优化滤波和积分解调技术在接收机内的DSP上实现，升级换代容易，并且具有很强的信号解调和识别能力。具体特点如下:

①覆盖频带宽。该系统通过不同的前端选件可覆盖HF、VHF/UHF至微波频段。

②超宽带超高速全数字扫描。该系统E1439D数字转换器（ADC）选件可对36MHz带宽实现高速模数转换，因此最大限度地减少了扫描重复时间，最高扫描速度达10GHz/s。

③扫描参数重复性和一致性好（远高于传统扫描方式），这是得益于宽频带 ADC和DSP技术应用。

④可实现实时超宽频带全景射频显示、分析可最大概率地发现未知发射源。

⑤接收灵敏度、均衡性和线形程度好。

取证过程中的“全过程”录音录像促进了监察机关的工作顺利开展，对录音和录像的择选，以及未按要求录音录像的都要进行科学合理的处置，同时，对录音录像的保管、移送、调取与播放都要进行一定的规制。

⑥末端处理功能强。具备时间快照及基带重放功能。

⑦在36MHz扫描间隔内的任意位置可同时记录350 kHz的窄带信号。配置E9821A模块后，每个模块可提供96个NBR记录通道（用户可配置多个E9821A模块）。

⑧信号调制方式自动模式识别。可自动判定已有的多种调制方式，并提供相应的眼图显示。

⑨可多站联网并高速完成准确的信号分析定位。

⑩设备要求相对简单。一般台式PC或便携PC即可，对系统软件无特殊要求。

E3238/6820E系统充分发挥软件无线电可重构性、灵活性和模块化的特点，在软件和硬件两方面都支持系统重构，将系统的各个功能任务分解为相互独立的软件和硬件模块，这些模块通过接口以逻辑的方式连接起来形成所需要的系统功能，通过改变所运行的软件来重新定义系统功能，提供开放的接口，支持今后的新技术和新功能。

3 在无线频谱监测中的应用

利用Agilent E3238/6820E的特点，进行多站联网构建无线电监测系统，系统由中心控制站和若干分布于各地的远端监测站组成，如图3所示，中心控制端用于对各个监测站的管理与控制，同时收集、整理以及更新各种数据。远端监测站可以在无人值守的情况下进行信号采集，将信号处理后传输至中心控制站。

图3 系统结构框图

远端监测站采用E3238/6820E系统作为信号接收机，连接专用计算机系统，并采用二次开发的方式来实现监测接收端信号的目的。同时在专用计算机系统上安装GPS模块和网络模块，实现自动位置标示和远程监测及多系统组网监测。

①频谱监测

可以按照设定的参数进行场强测量、信号搜索、频谱记录和数据回放等监测任务。

②频段扫描和占用度分析

宽频段扫描频谱显示，用于快速扫描和显示频谱，搜索信号峰值并保存和打印。扫描结果存入数据库，通过存入数据库中的信息可进行占用度分析。

③无线电测向

具有单频点时域测向和多频点频域快速傅利叶测向功能，并在电子地图上显示信号方向。

④信号解调和识别

可以对空中各种无线电信号进行分析，根据提取到的信号特征和信息内容，确定信号性质，可以对音频进行录音播放。

⑤远程监测

监测接收机可联网，中心控制端通过网络对监测接收机进行控制，监测结果（实时场强、扫描频谱和音频）通过网络传送到控制端显示和播放。

⑥多系统组网监测

将区域内的多台监测接收机组网，实现监测信息共享，提高监测范围和准确度，集中分析多台监测接收机信息，利用向线交汇的方法对信号源定位，结合台站数据库、监测数据库和电子地图，可以迅速得到信号源的相关信息。

⑦信号测试

可以测量频率误差、调幅深度、调制频偏、THD（总谐波失真）以及SINDA（信号、噪声、失真之和与噪声、失真之和的比值），测量精度高。

4 结束语

立足于软件无线电理论，通过分析其灵活性和可扩展性的特点，并结合环境监测场景的实际需要给出了一种基于Agilent E3238/6820E的无线电频谱监测系统的应用方案。

提出的环境监测方案充分利Agilent E3238/6820E设备构建软件无线电平台进行灵活组网，极大地发挥了其软件可充配置性，硬件的灵活裁剪性不仅提高了无线电环境监测的效率，且大大降低了监测成本，尤其是考虑到实际测试环境与无线电信号复杂多变的特点，能够快速地根据工程实际需要搭建无线电检测网络，具备较强的环境适应能力，在效率与成本方面达到了较好的平衡，对实际工程具备一定的指导意义。

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