可扩展的经济型射频频谱监控和管理

一、介绍

随着频谱分析和管理扩展到了更新和更有挑战的新领域，传统的台式频谱分析仪的短板越来越显现：难以适应如今极其注重外场应用的模式。

此外，传统频谱仪由于把所有的功能集于一身，使得其成本居高不下，这导致了传统频谱仪在如今外场部署的应用场合实用性很差，因为这样的应用是需要大量的经济型分析仪以监控远程设备或者信号情报。

这份白皮书展示了一个全新的方案应对这些挑战，这套方案最大化了便携式频谱仪的能力，有可扩展的开源软件，可用笔记本电脑通过API非常容易的，完全控制分析仪，不但降低了总体的成本，还最大化了灵活性。

二、外场射频频谱管理的趋势和驱动因素

人们对于高性能频谱分析仪的需求已经早就不局限于传统的实验室或已知的可控环境中了。从宽泛的工业领域到非常专业的一些应用领域，高端的频谱分析仪都已经变得是必需品，用以支持各种外场测试的远程控制部署。

通讯设施

全球无线设备和应用的激增使得无线频谱分配和管理面临重大挑战，容量和带宽的需求与日俱增，而同时设备和设备之间留的频率间隔越来越小。随着通信和商用无线系统越来越多样和拥挤，想要取得成功，能监控管理、解决问题并保护射频频谱的能力就显得尤为重要。

要实现这些目的，可以用两种不同的方案用来实现射频频谱分析和管理。第一种方案是靠外场工程师/技术员，去发现和分析信号以支持安装，监控和故障排查等。

第二种方案是在外场部署可远程控制的经济型信号检测系统，向控制中心回传数据、分析和报警。在通信建设中，由于所需的设备数量多，所以这些检测系统必须要足够的经济性，并且必须设计成可以远程的完全控制，如重起，系统恢复和软件升级，而不是需要专门有技术人员在外场支持。

质量保证和客户外场服务

使用频谱资源的系统的增多，会对其他的无线应用产生干扰，这将要求设备生产商、安装商和服务人员在各种外场环境都需要有能力去发现、分析、诊断和修正信号问题或者干扰问题。而质量工程师在进行供应商拜访时，如果需要自己去评估不同生产线产品的信号性能时，便携式频谱仪就会显得非常重要。

客户服务和质量保证部分也经常需要将数据远程的从外场采集到集控中心，用以进行额外的实时分析，或者将射频数据记录到外场计算机的硬盘方便后面进行归纳或者系统级的趋势分析。质量保证或客户服务中，网络控制的能力并能集成外场分析仪和后端分析资源，这不仅对解决即时的问题很重要，而且对识别潜在的问题，避免大规模纠正措施造成的经济损失也非常重要。

政府、管理机构和隐蔽的频谱管理应用

大多国家都会把无线频谱资源视为国家财产，事实上国际电信联盟(ITU)法指出“ 每个政府有规划其电信的主权”。政府负责分配、调整和监控无线频谱的使用;识别和解决干扰;不同频谱资源使用者之间的调解;优化可用频谱的整体使用并协调同其他国家在边界上的频谱问题。

如今全球化并日益拥挤的无线环境，有效的政府频谱管制对于国际性频谱管理的成功尤为重要，但也是非常有难度的。政府需要有外场频谱分析和远程控制部署的卓越能力，去捕获违规信号，解决争议，预见问题。

政府频谱管制中包含一个重要的专门领域，就是部署一些隐蔽检测点用以获取外场的信号信息。对于这些应用，频谱分析系统需要在硬件上有远程控制的灵活性，整个系统需要很好的可扩展性。根据部署方案，远程的隐蔽信号分析系统可能需要单独的长时间运行，并且对软件根据每个独特的环境而定义的参数给出响应。例如，一个远程频谱分析系统可能需要在某些特定频点上做扫描去判断信号，然后根据指定的条件去做射频记录或者数据采集。有些隐蔽检测方案甚至需要远程控制软件去识别一些相关的频点、调制和/或信号活动，以触发远程计算平台的记录或分析工作。

射频数据采集和射频数据记录

以上所有应用领域，连续的数据采集和射频数据记录功能都非常重要。这里值得专门提起是因为当你考虑频谱分析仪的可扩展性时，向硬盘实时采集射频数据的功能就是一个非常重要的因素。根据频谱的特性、所需采集或者记录的数据大小，远程系统的配置将会需要完全不同的硬件性能。

实时的调节和数字化I/Q数据对频谱仪来说是非常有挑战的，远程系统需要有能力传输足够高速率的数据以支持连续的采集。此外，需要在本地存储的数据量会决定存储器的大小和类型，连续将数据采集到控制中心的需求，将会影响远程计算以及网络接口规范。接下来的部分我们会讨论到，这种取决于应用的硬件规范各式各样，传统的台式频谱仪很难适配这样的情形。

三、传统的台式频谱仪的局限性

昂贵&可扩展性有限

传统的台式频谱分析仪将用户所需的所有功能设计在一个机箱内，这意味着这样的频谱仪集成了客户定制的FPGA以及其他的支持功能部分如显示器，CPU、内存、数据存储器和输入/输出接口等。带来的结果就是这样一套完整的频谱分析仪通常都会在$15,000 到$40,000的价格。

除了价格昂贵之外，传统台式频谱仪在硬件可扩展性上也不好，一旦初始配置选定了，台式频谱仪系统通常就很难去再加存储器、升级CPU、更改网络接口或其他的硬件变更。

设计未迎合便携性或应用灵活性

传统的高性能频谱仪已经逐渐演化成只在实验室环境中使用了，所以它们更适合在固定的地方配备，而不适合作为外场应用。传统的高端频谱仪在典型的实验室和固定测试方案配置中，一般配有专用的计算机资源和专门的特殊软件程序以优化在控制设置内的端到端流程。

如果用传统的设计方法，将所有的功能都设计在一个箱子里面并且能达到便携和外场应用的灵活性的话，那将在性能，特点和实用性上做折中考虑。比如，大多便携式和手持式频谱仪只有有限的预配置测量选项，而非真正的可完全设置的频谱分析系统。

此外，这些简化版的传统台式分析仪缺少可配置性、网络能力和软件适应性去支持外场分析和频谱管理的动态特性。这些弊端在做干扰诊断、频谱资源规划、射频采集以及专门的隐蔽信号监控应用中就会显得尤为突出。

通常按照传统台式频谱仪的方案设计出来的系统还是比较贵的，而且缺少如今在外场分析中所需的性能和灵活性。

更糟糕的是，随着外场频谱管理需求的不断变化和不停出现的新挑战，这些昂贵的功能固化的台式频谱仪就很有可能需要更换或者升级，去应对新的通信协议和应用需求。

四、Signal Hound：一个开放的射频频谱分析系统方案

建筑哲学：优化而非复制

在传统台式频谱仪设计方案基础上，通过改变基础设计架构并做整体系统优化，Signal Hound从根本上改变了高性能频谱仪分析系统的高成本和灵活性。

USB3.0接口将一个小巧的高性能频谱仪连接到主机上，通过灵活频谱分析软件，这套开放的解决方案使得整个系统可为专门的应用做各种所需的优化。

正如后面部分要讨论的那样，这使得所有的系统配置都会在性能，特点和成本上得到最大平衡，并且软件、硬件都很容易升级以适应新的需求，而不需要从新替换整个系统。

性能

对于任何频谱仪的首先要求是可以处理所需的频率范围，分辨率带宽，扫描速度和能完成测试或者分析任务的所需精度，这是必要条件。

第一代的BB60A在市场备受好评，现在Signal Hound BB系列进入了第二代，在实际中的应用也证明了BB系列完全胜任。新的BB60C产品比BB60A做的更好：SFDR典型值提高了20dB，拉平了全频段噪底，提供了温度扩展型号(-40℃到+65℃)，并将I/Q数据带宽扩展到从250KHz到27MHz可变。BB60C提供了27MHz的瞬时带宽和24GHz/s的扫描速度。

通过75%的快速傅里叶变化(FFT)重叠，整个27M的瞬时带宽内实现无缝频谱分析，这意味着每个数字采样点将被包含在4次FFT中，这种工作模式下，只要信号幅度足够，落在瞬时带宽内的任意短的信号都会被显示出来。如果需要显示最大幅度，这个信号必须能持续完成一次FFT，对于631KHz分辨率带宽，这将需要4us，这样即使1us的脉冲，幅度显示上也就衰减2到3dB而已。

对于一些困难的外场频谱分析应用，比如间歇性的干扰搜索来说，这样的系统就会是一个很好的选择。传统的频谱仪只能显示出落在RBW内的干扰信号，使得识别和量化干扰非常困难。一个实时频谱仪如BB60C，可以同时处理数以千种的分辨率带宽，使得干扰搜索变得简单。识别和分析跳频的扩频信号对于传统频谱仪来说也是一个挑战，因为传统频谱仪只能捕捉跳频信号中的一小部分。BB60C能同时分析整个从902MHz到928MHz的ISM频段，也能在约4ms内完成从2400MHz到2475MHz的扫描，这将大大简化跳频信号的分析过程。这可从下面的BB60C接收到的蓝牙信号图中看出。

经济性

这套方案的第二个重要目标就是提供一套经济型系统总体方案，以打破传统台式频谱分析仪的价格障碍，从而为更多的外场应用创造新的机会，部署更经济性的远程方案。

将BB60C连上电脑，用电脑完成信号处理的功能，这种模块化的方案消除了传统频谱仪里面的一大块成本(和利润)。传统频谱仪系统的设计是依赖于仪器中定制的FPGA去完成信号处理的，这块大大增加了成本。那些性能足以完成信号处理任务需求的FPGA每个需要$250-$1000的成本，而放在系统内至少要增值400%，这将会使得台式频谱仪每台增加$4000的价格。额外的硬件外设也会增加整体成本，比如显示器，电源，处理器，键盘和内部存储器。在系统成本中，厂家还需要分摊熟练FPGA工程师们的高昂费用，去开发、支持和升级信号处理算法。

所有这些因素使得传统台式频谱仪的价格高达$15,000- $40,000的范围，然而依然需要与计算机接口去实现和报告自动测试任务。与此相反，Signal Hound的方案低于$3,000，包含了成熟的API和开源的频谱分析软件。只要用合适的Windows版的PC，安装上应用软件，就是一套完整的方案用以部署。

可用性和便携性

BB60C小巧的设计便于携带，净重仅仅0.5kg，尺寸219mm x 81mm x 30mm。由于其通过USB3.0接口从电脑取电，也不需要额外的电源和电源线，极大的降低了空间和配件要求。

BB60C正是为灵活部署而设计的，典型的应用场景可以将它和相连的PC放到一个IP67型(防水防尘)的机箱内，安装到杆子上或屋檐下，也可将PC机和BB60C放到大厦的阁楼里、小空间、或配线箱里。如果是一个流动的外场技术员使用，也可以将系统包裹到一个结实的公文包类的包装中，方便很快地搭起系统，在任何地点都可以使用，或简单的把BB60C扎扣在电脑或者平板的背面。

连接

系统可以通过PC机的以太网口连接到网络上或者后端资源，用以支持全范围的通信，数据上传、软件更新和其他系统管理任务。给BB60C配任何一个带有Intel vPro技术的计算机，不管是高性能的台式计算机还是紧凑的NUC，整个系统即可实现远程管理，包括开机和系统运行。Intel的vPro技术让以太网口一直上电，即使计算机关机了，这使得下面的功能可以通过网络执行：

· 远程重启计算机--开机或者关机

· 远程管理软件升级(包括重启操作)

· 计算机或者BB60C死机或锁定时远程实现系统恢复

扩展性

Signal Hound方案中一个重要的改变格局的地方就是基于windows的开源频谱分析软件，这让工程师能快速的使用起来BB60C的全部功能。

集成软件支持传统的控制方式，比如频率扫宽、中心频点、起始和截止频率，分辨率带宽，视频带宽，参考电平，可配置的迹线以及频标。利用OpenGL去平衡现代电脑的GPU加速功能从而丰富地显示二维和三维的频谱瀑布图以及实时余辉模式，增加用户体验，让信号识别变得更简单。

成熟的API结合开源的标准频谱分析软件，让用户能很容易的开发自己的程序和频谱仪一起实现想要的功能，从而可以让客户很方便的扩展系统能力。详细文档描述的API是用C/C++写的，可以触发后记录信号、实时分析和数据采集。编程者可以利用开源软件来定制开发程序，也可以完全开发自己的程序。

五、实际应用中的好处和例子

客户体验反应Signal Hound的模块化方案主要在两个方面有优势：1)降低成本和2)以前不可能达到的可扩展能力。大多用户都非常喜欢这两个好处。

降低频谱分析成本

对于很多公司来说，可以将每台频谱仪的成本降低5到10倍已经是个充足的理由去做更换了。用$3K加上计算机的钱完成的一套系统对比一个$15-$40K的传统台式频谱仪，资金付出和投资回报是非常引人注目的。事实上，有些公司已经开始算这笔账了，用同样的资金支出只能买一台传统台式频谱仪，但是如果买BB60C则可以把他们的整个实验室或者产线地板上都铺满。作为回报，他们将得到极高的投资回报率，和不会过时的产品，你可以通过升级软件更新频谱仪模块，也可以在任何需要的时候更改计算机配置(硬盘大小，网络接口速度等)。

对于远程部署方案，经济的成本使得在外场部署远程系统成为可能，传统台式频谱仪的价格是阻止这种部署的直接原因。这意味着通讯服务商可以非常经济的将这种高性能的嵌入式频谱管理系统放到他们的基础设施中，从而消除技术员开工程车去外场检测的成本和时间耽搁，而且同时提高服务的可靠性和客户满意度。

模块外的扩展性

这套新的开放式频谱分析系统还在另一个方向打破了传统方案，它能提供扩展性很强的平台以设计客户量身定制的频谱分析应用。在自带的基础分析软件的基础上，一些特殊应用的公司可以很容易地将其扩展，满足他们独特的需求。由于API有详尽的文档，可用C/C++编程，因此熟悉行业标准的软件工程师都可以容易地设计、部署和维护何形式的定制功能。

可扩展性在如今快速变化的无线通信领域是非常重要的，因为现在的公司部署的远程控制方案，需要日后很容易的去远程更新软件以满足新的需求。

软件定制对于设计特殊的频谱分析功能，像在外场部署隐蔽信号分析平台和政府的频谱监控规划系统这样的应用，也是很重要的一个考虑因素。在这些例子中，频谱分析程序经常需要用一些复杂的算法去发现、分析和“追捕”那些特殊的感兴趣的信号，这就需要在远程计算机上的软件非常完善地和频谱分析功能集成在一起。

六、写在最后

如今全球分散的、多种多样的信号管理需求已经使得过去传统型台式频谱仪难以胜任，频谱管理应用已经远离实验室，并正在将传统实验室设备抛在身后。这些应用急需一个新的频谱分析系统设计方案。

正如Signal Hound BB系列所体现的优势，这个新的设计方案，优化了前端的频谱分析和射频采集功能，可用标准Windows的PC机环境结合经济型的频谱仪模块，组合成一套非台式机式完整的经济型解决方案。最终可以让任何现有的频谱管理应用，只需花传统频谱仪分析方案中的很小的一部分成本，就能过渡到这套新的方案平台。