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基于gnalhound BB60C实时频谱分析仪模块化的频谱监测和管理(一)

发布时间:2018-07-05信息来源:Singal hound

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、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 $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、一个开放的无线信号频谱分析系统方案

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Sig-nal Hound BB60C系列进入了第二代,在实际中的应用也证明了BB60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250KHz27MHz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4FFT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23dB而已。

BB60C规格

频率范围

9KHz – 6GHz

实时带宽

25K-27M

RBW

10Hz-10MHz

扫描速率

24GHz/s

DANL

-158dBm/Hz+1.1dB/GHz>10MHz

残余响应:参考电平≤ -50dBm0dB衰减下

-106dBm>500KHz

杂散和镜像抑制

-50dBc

工作环境

0-65℃;选件-4065

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902MHz928MHzISM频段,也能在约4ms内完成从2400MHz2475MHz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。


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