航空航天和国防应用中的射频干扰信号流化、分析与回放

理想状态下，接收机将使用砖墙式滤波器，放大器和混频器将永不失真，命令中心始终协调频谱运行，“堵塞”是一个仅会在早餐和举行音乐会时出现的术语。此时，干扰将会出现。

干扰分为有意干扰和无意干扰两类。无意干扰是射频环境的一部分: 手机、无线链路、无绳电话、地面电视、医疗电子设备等都会产生无意干扰。有意干扰是专门创建的信号，目的是破坏目标接收机的运行。我们重点关注有意干扰，最终目标是抵制多余信号。建议的解决方案包括四步:
● 捕获现场信号
● 在实验室进行分析
● 仿真并回放信号
● 开发解决方案

由于此类干扰都是间歇的瞬时信号，捕获信号可能需要数秒、数分钟或数小时的数据。为了确保完整的分析图，捕获数据必须是无间隙的连续信号。

应用安捷伦和 X-COM Systems 的商用现货 (COTS) 硬件和软件组件即可实现上述目标。该系统可加快筛选和深入分析 TB 级数据的速度，并且能够在捕获、分析、仿真和回放整个流程中保持最初的信号保真度。所有组件均为商用现货产品，因此该解决方案能够提供可追踪的性能，可以轻松针对传统应用重新部署。

问题

通常，发射有意干扰具有明确的目的: 中断通信、阻塞雷达系统、欺骗或破坏目标接收机。此类干扰属于间歇或瞬时信号，通常很难发现或确定来源。

在此情形下，我们需要捕获和分析包含干扰信号的整个频谱数据集合。这需要采集数秒、数分钟乃至数小时的频谱数据，并将占用几GB 乃至几 TB 的磁盘空间。

大多数情况下， 存储容量可能是最容易解决的问题，连续采集高保真数据的难度更大。捕获并存储海量无间隙数据后，接下来的挑战是如何筛选出一个或多个干扰事件。提取每个事件有用的信号信息— 时域、频域和调制域，我们可以获得深入的分析。

解决方案

解决方案的设计理念是“捕获干扰即信息”。提取信号信息的速度越快、精度越高，您就能更好地理解干扰信号对目标系统的影响，进而更快地制定和部署应对措施。

此解决方案的方框图如图 1 所示。如上所述，该系统可以执行捕获、分析、仿真和回放等重要步骤。

图 1. 将捕获的干扰数据转换为有用信息的系统方框图流程

信号捕获和分析

信号捕获和分析使用三个硬件元件: 信号分析仪、数据记录仪和外部数据包。如图 2 左侧和中间图片所示。

Agilent X 系列信号分析仪:图中显示的 PXA 是安捷伦旗舰级信号分析仪产品。取决于性能要求，用户也可使用 MXA 或 EXA。使用 X 系列分析仪作为前端下变频器和中频数字化仪可以从开始即确保最高的信号保真度。

X-COM IQC-2110 数据记录器:输入记录器的是信号分析仪的数字 I/Q样本流。IQC-2110 对 I/Q 数据进行格式化，使用外部标记事件为其添加标签，并添加时间和 GPS 标识，然后发送至数据包。

X-COM 数据包:该设备可采用 2、4、8、12 或 16 TB 的容量配置。

结合解决方案中的软件组件，您可以执行不同的后期处理活动。

X-COM Spectro-X 信号分析软件: 主要功能包括预处理大型数据集和定位可疑信号。Spectro-X 包含搜索引擎， 可以识别和“ 标记”(fingerprint) 波形，并具有“剪切和保存”功能，支持在 89600 矢量信号分析 (VSA) 软件中回放信号。

Agilent 89600 VSA 软件: 安捷伦业界领先的信号分析 (VSA) 软件提供多个观测复杂信号的方法，内置功能支持超过 70 类标准和信号，可实现比特级调制分析。

图 2. COTS 硬件和软件组合能够确保高保真捕获、分析、仿真和回放

信号仿真和回放

该系统包括信号生成软件、基带发生器和矢量信号发生器，用于信号仿真和回放。如图 2 中底部和右侧图片所示。
X-COM 射频编辑器: 该软件可用于创建包含记录文件的信号情景。该软件的功能包括波形剪切、缝合、转换、过滤和循环。生成的波形可下载至 CPG-2110 进行回放。

X-COM CPG-2110 连续回放发生器: 该基带发生器用于驱动矢量信号发生器的 I 和 Q 调制输入。安捷伦矢量信号发生器: 示例型号包括 PSG、EXG 和新型 MXG。矢量信号发生器对 I/Q 调制进行上变频转换，并作为空中信号源。

结果: 信号捕获和分析

图 3. 直观观察捕获的频谱数据, 发现四个需要关注的区域。

下面我们通过实际干扰案例简要介绍该解决方案的功能。首先，使用 PXA 信号分析仪采集数据，并将 40 MHz 宽的捕获数据流化，输入IQC-2110 记录器和 2-TB 数据包。持续无隙捕获数据 10 分钟，生成 120 GB的数据。

干扰信息

使用 Spectro-X 可直观查看捕获的数据，以寻找需要关注的干扰信号。全部 600 秒捕获数据的幅度/时间测量概览图显示有四个不同时间段可能存在我们需要关注的活动(图 3)。

快速分析约 400 秒至 500 秒时段可知信号为 802.11b Wi-Fi 传输信号。此外，Spectro-X 的搜索工具发现其余三个包含大量活动的时段: 50 秒至 140 秒、230 秒至 350 秒和 510 秒至540 秒。频域分析提供以下信息:
● 时段 1: 约 50 秒至 140 秒，共包括137000 个载波信号。
● 时段 2: 在一台 IEEE 802.11g 发射机运行的约 230 秒至 350 秒之间，概图清晰显示存在未知信号。未知信号持续约五秒时间。
● 时段 3: 约 510 秒至 540 秒，有 20000个任意载波信号。

图 4. 在频谱图 (上图) 中, 疑似干扰信号侵入了有序载波信号。

如图 4 所示，关注时段 2 频谱图和持续频谱格式的视图。频谱图 (上图) 显示，有序载波信号频谱中插入了两个猝发干扰。

Spectro-X 的“标准搜索”功能可用于识别有序载波 (本例中载波确认为 802.11g 信号)。如图 5 所示，搜索参数包括置信限制 (本例中设为 40%)、可选标准类型 (此处设为802.11a/g) 以及关注的捕获数据时间范围 (设为 250 秒至 300 秒)。

置信限制可以帮助确定与理想无线标准相似的信号。置信值与理想无线标准信号有关，用于定义参考信号和捕获信号之间需要的关联度。该数值小于 100%，可以反映干扰信号影响目标信号的严重程度。

在本例中，搜索发现了超过 92000个与 802.11g 参考信号相似的信号。

同预期一致，出现严重衰减的区域正是出现干扰信号的区域: 如图6 所示，关联度从 80% 以上降至 50%以下。

图 5. 利用“标准搜索”对话框选择参数, 例如可选无线
标准和需要的关联度

图 6. 搜索结果概览显示高置信度和低置信度区域

使用频谱图显示查看所有关联度较低的区域 (图 7)，这样可以准确找到干扰信号出现的五秒时段。
接下来，我们将相关的 I/Q 数据导出到 89600 VSA 软件进行详细分析。在干扰信号出现之前，多项关键指标显示调制质量良好 (参见图8)。干扰信号对调制质量产生了重大影响: 干扰信号对传输的干扰完全扰乱了信号导频和净荷载波 (图 9)。

案例背景

上述案例发生在一个网吧中。案例中的无意干扰来自一台微波炉:员工每次加热油酥饼或三明治时，它就会破坏 Wi-Fi 连通性。尽管本例是一个相对简单的情景，但建议的步骤适用于其他包含干扰的情景: 例如无线通信、遥测链路、飞行区间运行、信号情报(SIGINT)、信号互操作性等。该流程也适用于三种最常见的使用情景: 记录威胁并在实验室回放、在实验室记录并在实验室回放、在实验室创建并在现场回放。

图 7. Spectro-X 60-μs (从顶部至底部) 的频谱图显示干扰扰乱了
802.11g 信号的参考序列 (3-11 μs) 和净荷 (11 μs 及以上)。

图 8.干扰信号出现之前: OFDM 星座图 (左上角)、EVM 图 (右上角) 和
频谱图 (左下角) 均显示正常。

图 9. 干扰信号出现后: OFDM 星座图 (左上角)完全散乱, EVM 图
(右上角) 出现异常, 频谱图 (左下角) 出现大的尖峰。

结论

各类干扰都可能影响关键国防系统。拥有射频诊断工具对设计人员至关重要，这可以帮助他们发现电磁频谱中的真实情况。为了开发成功的干扰抑制战略和解决方案，提取有用的射频诊断信息是第一步。

如前所述，安捷伦和 X-COM 通力合作，推出了性能出众的测量与分析系统，可以确保在广泛频率范围和长时间无间隙数据捕获中保持高信号保真度。捕获信号后，我们可以搜索信号以寻找特定干扰类型，并展开详细分析。我们还可以应用软件处理信号，以仿真其他干扰情景。此外，重新播放完整的干扰记录可用于仿真电磁环境 (EME) 和测试互操作性。