无线电监测技术的演练与实践探讨

2021-12-03柴稳平

电子元器件与信息技术 2021年3期

柴稳平

（平凉市无线电监测站，甘肃平凉 744000）

0 引言

在无线多媒体通信需求迅速增长的今天，由于无线频谱资源的稀缺性，已成为当今世界的重要资源之一。有别于传统的语音业务，多媒体通信通常需要更大的无线电频谱用于高速数据传输。另外，广泛使用无线多媒体传输会导致频谱严重短缺或产生有害干扰。所以需要一种灵活的频谱监测系统来测量无线电信号。但通信技术的迅速发展，对监控系统的设计、部署和功能更新提出了更高的要求。比如，为满足移动通信业务不断增长的需求，无线通信的新技术或新业务将在监控系统部署完成后，不断引入市场。监控技术应该具有对先进无线通信网辐射的无线电信号进行分析和测量的能力[1]。

1 无线电监测技术概述

软件无线电（SDR）是一种创新的可重构和可重编程技术。在传统的通信系统中，混频器、滤波器、调/解调器等重要组成部分都是在硬件上实现的。使用SDR技术，这些组件可以通过通用计算机上的软件来完成。软件无线电的可重构能力能够满足先进的频谱监测系统对无线电信号监测和分析的严格要求。

本文的目的是为了更好地理解如何构建一个具有可重构和可扩展能力的无线监测系统所面临的挑战。本文尝试采用软件无线电技术，设计一个由一个控制中心和若干个远程监测站组成的频谱监测系统原型。在控制中心，安装了一个名为GNU Radio的开源软件平台来执行无线电监测的核心任务，如信号分析和解调，以及测量结果的显示。在远程站点，部署了一些先进的、低成本的软件无线电设备，如Realtek RTL2832U和USRP（通用软件无线电外设）产品作为主要的检测接收机。软件无线电设备用于检测无线电信号，并通过模数转换器（ADC）将其数字化。从软件无线电设备采集的复杂数据（i和q）可以通过TCP/IP网络发送到监控中心，也可以通过USB接口发送到附近的测量服务器。本系统还实现了一些用于无线电监测的关键测量工具，如FFT（快速傅里叶变换）分析仪和瀑布显示等。利用该监测系统，我们完成了一些无线电视和调频监测的测量任务[2]。

2 频谱监测系统的任务和需求

频谱管理的主要目标是最大限度地提高频谱使用效率，减少干扰，清除未经授权使用的无线电频谱。频谱监测作为频谱管理过程中的耳目，为频谱管理提供了必要的手段。这一过程至少包括通过频谱监测系统测量无线电波并确定其主要参数，如频率和带宽。频谱监测的关键测量数据包括频率、带宽、占用率、场强和调制方案。通过测量数据与频谱数据库的对比，频谱调整器可以显示出侵权、差异和非法站点。为了消除未经授权的电台和干扰，强制执行和清除。

频谱监管机构最重要的职责之一是防止授权用户的频谱使用可能发生干扰。干扰可能来自非法站点或授权站点的非故意排放。要解决无线电干扰，首先要找出干扰所涉及的发射机。频谱监测系统可以进行一定的测量，以识别和定位干扰源。当发现源时，监控组织将采取适当的强制措施以排除干扰。

监视系统通常用于核实执照持有人是否根据无线电规则发送了信号。该验证通常要求对发射机的发射频谱进行详细的测量，包括频率、辐射级、场强、带宽、调制方式以及频谱占用情况。这种测量方法可为特定分析提供必要的信息，以验证与特定频率分配记录中声明的特性是否一致。执照持有人常常通过移动发射器的位置、增大发射器的功率或增大发射器的频谱带宽来滥用频谱。该光谱的误用会大大增加干扰的可能性[3]。

光谱监测数据也可以用来确定无线电信号接收不良的原因。无线电接收是一种与服务质量密切相关的信号处理技术，其应用范围很广。频率监管者经常会收到大量的用户投诉或询问他们的收音机接收不好。其中最常见的投诉可能与无线电视服务有关。近几年，为了提高频谱利用率和视频质量，电视行业已经数字化。常规6MHz带宽的模拟电视频道只能播放一个视频节目。如果采用数字技术，同样的带宽可以容纳三个标准品质的数字视频或高清电视节目。所以满足服务质量或者体验质量对广电公司来说是一大挑战。光谱监测系统提供了一种有用的工具来确定低频的真正原因。

频谱监测系统的设计应充分了解通信业务对频谱的长期需求，新调制方案的特点和数字信号处理的先进技术。鉴于无线通信系统的迅速发展，必须努力避免新建成的系统在发射不久就过时。所以对无线电信号进行重构性和扩展性分析是设计监测系统的首要条件。

3 软件无线电技术

3.1 概念分析

软件无线电技术是在米托拉1992年的工作基础上发展起来的。自20世纪90年代以来，软件无线电产品的研究和开发投入了相当大的努力。近年来，软件无线电设备的价格已经迅速下降到一个相当低的水平。一个广泛使用的软件无线电监测设备，可以发送和接收高达6千兆赫的无线电频率，成本不到1000美元。如果只需要接收器功能，软件无线电设备的价格可以低至20美元。除了价格合理的硬件之外，开发良好的软件平台，如GNU无线电，促进了SDR技术的应用。

软件无线电是硬件和软件的集合，其中大多数无线电功能是通过可编程软件或固件来实现的。与传统的无线通信系统一样，实用的软件无线电由模拟射频（射频）硬件组成，也称为射频前端。该模拟模块一般包括天线、低噪声（或功率）放大器、混频器和滤波器。对于软件无线电接收机，模拟模块最重要的特点之一是将射频信号调谐到合适的中频信号，在那里可以进行具有合理采样率的模拟-数字转换。数字子系统负责数字处理（即解码和解调）和一些高层协议（如多址接入和解密）。在实际应用中，实现数字硬件的可能方法包括通用处理器、FPGA、ASIC或通用计算机。该软件框架为通信服务的开发和实现提供了基本功能和库。

GNU无线电是一个开源软件开发工具包，它提供了信号处理运行时间和处理块。它允许设计者使用软件定义的模块来控制现成的、低成本的外部射频硬件和商品处理器，从而容易地实现真实世界的无线电系统。GNU Radio还提供了一个名为GNU Radio Companion （GRC）的GUI（图形用户界面）开发环境，以帮助开发信号处理块和创建包含无线应用程序的流程图。为了提高运行时的速度，信号处理块的实际操作用c++代码实现。软件无线电设备由GNU无线电模块通过USB或网络接口控制。GRC还提供了一些测量工具来支持信号分析，如频域FFT接收器、时域示波器接收器、频谱使用的瀑布显示和星座图（数字通信）。GRC开发环境采用了QT GUI和WX GUI两种类型。在接收到波形之后，软件定义的无线电可以将波形解调为位流进行进一步的处理，即音频或视频播放。GRC的可重构性和灵活性使我们能够构建无线电监测系统的基本体系结构。

3.2 研究方案

本研究采用了与R820T调谐器集成的RTL2832U接收机和USRP B200接收机两种模型。这两种型号的软件无线电设备都可以由GNU无线电控制。

3.3 监控系统的配置及测量结果

监控调频广播和无线电视广播业务是世界各国频谱监管机构的主要任务之一。大部分非法电台传送调频无线电信号。在执法和审查之前，需要确定非法无线电信号的参数。对于无线电视服务，监控的重点是场强或体验质量。

调频广播是一种传统的模拟通信技术。模拟调频广播由于其设备成本低、音频传输质量高等优点，在世界范围内得到了广泛的应用。模拟调频广播使用88～108兆赫的频率范围，信道带宽为150千赫。音频信号l+r在30赫兹到15千赫兹的基带范围内传输。在l-r信号的调制范围为23～53千赫，使用38千赫的DSB-SC（双边带抑制载波）信号。一个19千赫的导频音也被发送给接收机再生38千赫子载波与正确的相位。这些复合信号和其他子载波一起调制调频发射机。

本文提出的软件无线电监测系统通过TCP/IP技术作为内部网或VPN（虚拟专用网）连接，这样可以很容易地维护安全性和传输速度。控制中心负责远程站点的控制。控制中心所需的设备包括一个路由器、一个以太网和几台计算机。其中一台计算机必须装备成工作站，供工作人员进行监测测量。在本研究中，我们采用一台通用电脑（笔记型电脑）作为安装操作系统和GNU Radio的监控工作站。测量结果包括信号强度，信息流，和视频内容的监测信号显示在工作站。实际上，监视工作站可以被视为度量客户端。在实践中，控制中心需要一个频谱数据库来验证无线电台[4-5]。为了简化，本研究中没有实现数据库。

远端网站需要的设备包括路由器，以太网，计算机，SDR设备和接收天线。一般而言，天线应该是全向的，适合长期在户外使用。本软件无线电设备/接收机能检测天线发出的RF耦合信号，并将其转换成i/q采样数据。首先，软件无线电设备的测量任务需要重构，并且必须由监测中心进行控制。作为数据传输服务器，远程站计算机负责SDR与控制中心工作站之间的数据通信。本文采用了RTL2832U和USRPB200两种不同的软件无线电接收方式。我们使用Raspberry Pi作为除笔记本外的数据传输服务器，以简化监视框架。拉斯普贝里皮是一款信用卡大小的电脑，面板，基于linux平台。