标签: 频谱监测

最新规划 工信部最新发布了《关于微波通信系统频率使用规划调整及无线电管理有关事项的通知》（工信部无〔2022〕176号），在本通知中，工信部针对微波通信系统频率进行重新调整划分，并从今年2月1日起开始施行，根据最新通知： “调整后微波通信系统可使用频段为：4500-4800MHz、7125-7725MHz、7725-8500MHz、10.7-11.7GHz、12.75-13.25GHz、14.5-15.35GHz、21.2-23.6GHz和71-76GHz/81-86GHz。” 这一通知是根据我国微波通信行业发展现状与未来方向做出的调整，补充了对毫米波频段的规划，并对中低频段进行重新调整，以最大程度满足行业发展需求，为5G与互联网进一步发展做好铺垫。 根据《工信微报》的解读，《通知》的制定在于“通过频率使用规划调整保障各方使用需求。通过新增毫米波频段（E波段，71-76/81-86GHz）大带宽微波通信系统频率使用规划、优化中低频段既有微波通信系统频率和波道带宽、调整波道配置与国际标准接轨等方式，进一步满足5G基站等高容量信息传输（微波回传）场景需求，并为我国5G、工业互联网以及未来6G等预留了频谱资源，更好满足各方需求，推动微波通信等无线电产业高质量发展。” 毫米波 在3GPP R15已发布的V15.0.0版TS38.104规范中，首次出现了5G NR这一概念，根据标准，5G NR的频率范围被定义为不同的FR，分别为FR1与FR2。FR1频率范围为450MHz-6000MHz，通常被称为Sub-6GHz，FR2为24.25GHz-52.6GHz。尽管严格来讲，毫米波频段应该大于30GHz，但由于3GPP的推进，24GHz频段也经常被使用，因此也习惯性将这一波段称为毫米波。 随着科技的发展，越来越多的行业和应用开始使用毫米波，毫米波具有多种优势： 频率资源丰富、带宽极大 易与波束赋形技术结合 可实现极低时延 可支持密集小区部署 可进行高精度定位 设备集成度高 手持式频谱分析仪提供了同时提高射频测试速度和降低设备成本的最佳选择，能够满足许多射频应用中的需求，其功能可以为现场测试应用量身定制。在已有的案例中，与使用万用表相比，与时间相关的成本节省了40-70%。最重要的是，在毫米波频率范围内，手持式频谱分析仪的成本至少比其他分析仪低数倍。SC V2覆盖了5G无线接入网（RAN）测试所需的所有范围，其中FR1测试可以选用0.3-3GHz和2-8GHz频段，而24-43GHz是专为毫米波（FR2）网络规划和部署而设计的，具有多种测量功能： 通道功率 相邻信道功率 信号带宽 中心频率 干扰检测 遮罩模式等

前言 使用频谱分析仪，最简单最直观的目的就是寻找并观测范围内的频谱信号，乃至将其保存下来做更进一步的数字处理或分析。因此在除了最基本的中心频率与扫宽设置外， 合理使用VBW,RBW等参数设置才能获取更为真实准确的信号 。 合理调整参数获取需要的频谱数据 RBW与VBW设置 RBW 频域中FFT bin的大小，或 分辨带宽（Resolution Bandwidth，RBW） 的带宽，决定了频谱分析仪可以分辨和分析的信号的频率分辨率。例如，如果使用较大的FFTbin，或较小的RBW范围，则频谱分析仪可以观察和分析更多的信号细节，如果想要获取更高的灵敏度，就需要调小RBW，以降低噪声电平的值从而保证信号不被噪声淹没。另一方面，降低RBW也会降低每次扫频的速度，所以，扫频的分辨率和测试的速度之间有一个权衡。 大RBW很有可能错失信号细节 除此之外，我们在平常的测试中，经常遇到通过频谱仪 测试最大功率时发现功率小了几dB 。在这种情况下，有部分客户认为仪器是不是没有校准或者出了问题。 实际上很大的可能是RBW的设置不够合理。RBW决定了采样过程中采集点的数量，当采样点少（RBW大）时，很可能 信号的峰值落在2个频点之间，最终导致捕获到的峰值功率并不是实际的值。 VBW 除了RBW之外， 视频带宽（Video Bandwidth，VBW） 滤波器通过对FFT引擎输出的信号进行数字滤波和处理，对信号的幅度进行平滑处理。视频带宽反映的是频谱分析仪接收机中位于包络检波器之后的视频滤波器的带宽。这种滤波器也影响显示的噪声，但与分辨带宽的方式不同，在视频滤波器中，噪声的平均电平保持不变但噪声的变化减少。因此，视频滤波器的作用是 “平滑” 信号的噪声,因此，改变VBW不能改善灵敏度，但在测量小功率信号时，VBW改善了识别能力和再现性，其测试曲线更加光滑，但扫描时间也相应增加。 如果来自锁相环(PLL)或互调失真产物的尖刺可能会压倒感兴趣的信号，而 降低RBW 将降低噪声底线， 降低VBW 将进一步平滑剩余的噪声，那么频谱分析仪就可以揭示出以前隐藏的信号的精确测量。 AMP与ATT设置 AMP 低噪声放大器（ LNA，Low Noise Amplifiers ），或 前置放大器（AMP） ，一般分为射频前端放大器和中频放大器，他们的目的都是适当的放大信号便于后续处理。如果信号的功率很低，在经过预选或中频滤波器后，ADC可能无法对其进行充分的处理，那么增加前置放大器的增益可以使信号达到足够的电平，已进行采集与处理。现有的前置放大器类型多种多样，以虹科R5550的前置放大器模块为例： 前置放大器模块 其前置放大器有两个独立的放大器单元组成，先绕过第一个放大器，然后再绕过第二个放大器，就可以逐渐提高设备前端的功率处理能力。而同时打开两个放大器可提供最大的灵敏度，但会降低处理大信号时不失真的能力，下表总结了前端增益的可用设置，需要选择合适的放大器设置来均衡灵敏度与饱和电平： 放大器效果分级 ATT 衰减器（ATT） 是和放大器功能相反的设备，它是为了保护频谱仪不受损坏，在测量高电平信号时，为了不损坏频谱分析仪，必须对信号进行衰减，同时也可以通过调整衰减器进入混频器的电平，可以得到较大的动态范围。而将衰减器调的很小时，则可以降低噪声电平的值，使得信号不被噪声淹没，以提高频谱分析仪的灵敏度。 总结 在使用频谱分析仪观测信号时，需要结合信号特征进行调整，需要根据需求对各项参数进行尝试，一切以捕捉所需信号为目的，合理的使用频谱分析仪才可以获得更好的观测效果。

GPS定位和测向的四种技术 知道感兴趣信号的位置对于许多应用很重要。军事用户获得了更好的态势感知能力，诸如机场或公用事业基础设施之类的敏感设施可以找到RF干扰源，电信公司可以识别恶意发射机或其他干扰其覆盖范围的设备。通过嵌入式GPS功能了解测量的时间和位置，用户可以确定感兴趣信号的位置。对于未知或不合作的信号（例如上面示例中提到的信号），用户需要将多个单元联网在一起以确定时间，信号强度，频率或角度的差异。可以使用四种主要技术来定位发射机。 到达时间差 到达时间差（TDOA，Time difference of arrival）至少需要三个接收机来定位信号，并且需要使用GPS很好地同步这些接收机。通过比较每个单元接收信号的时间来确定发射机的位置，从而得出双曲线位置。通过找到这些线相交的位置来找到发射机（参见图5）。 图5. 到达确定位置的时间差 TDOA在广泛的地理区域内都能很好地工作，最适合宽带和长脉冲信号。它还可以将信号定位在噪声流之下，并解决多径效应。必须将数据发送到公共站点进行分析并确定发射机的位置。 到达功率差 到达功率差（PDOA，Frequency difference of arrival）还使用三个接收机上的差分信号来定位发送器。PDOA不用时间上的差异，而是依靠同步单元上信号功率之间的差异（见图6）。因为可以使用路径损耗模型预测传播，所以可以确定距离。但是，这些路径损耗的统计模型可能很复杂，并且会因环境而异。 图6. 到达确定位置的功率差 PDOA在功率差异更可测量的近距离环境中很有用。在长距离上，功率变化很小，可能不足以准确确定位置。PDOA易于设置，并且避免了其他技术的一些困难。 到达频率差 到达频率差（FDOA，Frequency difference of arrival）取决于天线远离或移向信号源时发生的频率多普勒频移。至少两个接收机之间的差分多普勒频移可用于定义位置线。频谱分析仪可以放在车辆上进行这种类型的分析。FDOA可以与TDOA结合使用，以进一步提高准确性。它要求分析仪具有足够的网络连接能力和便携性，以便于部署在车辆或应用于其他移动部署中。与TDOA和PDOA相比，FDOA仅需要两个接收机即可发挥作用。 到达角度 到达角（AOA）使用天线阵列上的幅度变化来计算信号的位置。通过查找位置线的交点，仅使用两个阵列即可进行地理定位。AOA易于部署，并且可以跨信号类型和差异很好地工作。 图7. 到达确定位置的角度差 AOA不需要将接收机进行同步，但是在多路径环境中或将接收机和发送机放置在一条直线上时会遇到困难。单个接收机可以使用相同的技术进行测向。 确定感兴趣信号的位置 具有内置GPS功能的网络化频谱分析仪使用户能够确定发射机的位置。无论用户是在寻找干扰、确定对方发射机的位置以进行态势感知、探测和定位恶意监听设备，还是维护公共安全，都必须知道测量的时间和位置。 结论-为现今复杂的频谱监测赋能 SDR技术正在重新定义频谱分析设备，并改变了频谱监测用户的游戏规则。与传统的基于硬件的设备相比，软件定义的频谱分析平台轻便，轻便，并且具有更高的性价比。结合专用网络功能，这使得它们易于在各种部署方案中使用，以进行就地，远程和移动频谱分析。嵌入式GNSS技术使使用这些联网单元进行地理定位和测向应用程序来定位感兴趣的信号源成为可能。虹科软件定义的频谱分析仪非常适合当今的监测应用。随着频谱监测的越来越趋于分布式，越来越分散化，复杂化和多样化，那么便携式，灵活且经济高效的频谱分析设备将使用户能够进行更深入的分析。

导言 无线信号无处不在。无线网络为我们的移动设备，物联网（IoT），智能城市，自动驾驶汽车等提供动力。从基本视频流到整个公用电网的所有内容现在都依赖于可靠，高速和不间断的连接。这一新现实给频谱监测用户带来了越来越大的压力，并且正在改变频谱分析设备的要求。 传统的基于硬件的频谱分析仪不再能满足当今复杂，密集和不断发展的频谱环境的需求。用户需要能够将网络单元组合在一起以进行远程部署，可在车辆中部署的便携性以及嵌入式全球导航卫星系统（GNSS）功能（例如全球定位系统（GPS））来进行地理位置定位和直接查找应用。 为了满足这些需求，软件定义无线电（SDR）技术的进步带来了新型的频谱分析设备。软件定义的频谱分析平台是为分布式频谱监测而设计和构建的，根据应用和要求，可以将其部署在各种无线传感器网络（WSN）拓扑中。 本文将展示SDR技术，可联网性和嵌入式GPS功能如何组合在一起，从而创建出一种便携式，多功能且适用于各种部署方案的频谱分析仪，例如测向与定位，干扰搜寻，覆盖图，态势感知和无线公共安全。 不断变化的无线网络格局 TA的最新报告预测，到2025年，将有342亿台互联设备。其中超过210亿将是物联网设备，而智能手机，平板电脑和其他移动设备将占剩余的130亿。为了争夺有限的频谱资源，无论是恶意的还是无意的，干扰的风险都成为一项重大挑战。 同样，随着更多人连接，所需的数据量和带宽也在增加。如今，智能手机用户平均每月要消耗2.9 GB的数据。英特尔估计，一辆自动驾驶汽车每天将需要超过4,000 GB的数据。在此水平上，当前的信号标准和技术无法跟上。 为了满足这些对接入的需求，新的无线标准将利用频率比目前的频率高得多的信号。例如，正在24、28、32和42 GHz频段内测试5G无线，该频段远高于移动设备当前使用的2 GHz以下范围。 对于RF工程师，CTO和RF应用开发人员而言，这些趋势正在改变频谱监测设备的要求。监测不再是集中的，静态的和简单的。当今的监测是分布式，分散，连续和移动的。结果，频谱监测设备必须联网，便携式且GPS使得能够被广泛部署。笨重，昂贵且无法联网的传统频谱分析仪不适合这些类型的环境。下面几节内容将演示用户如何部署频谱分析仪以实现更大的覆盖范围并确定感兴趣信号的位置。 部署网络化接收机以扩大覆盖范围的四种架构 网络化频谱分析仪（接收机）为用户提供了跨广泛地域部署分析仪的无线传感器网络（WSN）的能力。根据应用的不同，多个单元可以部署在现场或车辆上，也可以部署在各种网络拓扑中。与传统的基于硬件的频谱分析仪相比，用户可以自由地设计和构建最能满足他们需求的架构，同时利用软件定义的频谱分析平台的紧凑性、可移植性和可联网性。 通过多个分析仪收集数据，用户可以看到信号环境的全貌和更完整的视图。网络部署还增加了捕获短时间、低功率或零星信号的可能性。 可以部署的WSN架构主要有四种。根据应用和用户需求，每种方法都有优点和缺点。 星型拓扑架构(hub and spoke) 在中心辐射型拓扑（见图1）（也称为星形拓扑）中，分布在网络中的所有频谱分析仪都连接回到单个公共站点。层次结构清晰，所有数据均流经此中央网关。分析仪之间不会共享数据，也无法将彼此用作集线器的中介。 图1. 星型拓扑架构(hub and spoke)网络配置 这种方法适用于较小的地理区域内进行就地监测，或者适用于需要将某些单元移动或部署在车辆上的监视应用程序。 hub和spoke体系结构的一些优点是易于部署和修复。数据被集中在一个位置进行更深入的分析。但是，它的可扩展性不如其他拓扑，特别是对于无线部署，中央网关必须位于所有单个分析仪的无线电传输范围内，从而限制了可以覆盖的地理区域。如果中央网关发生故障，则整个WSN也会发生故障，从而容易遭受故障的影响。 树形拓扑架构（Tree） 树形拓扑结构(参见图2)，也称为级联星型，通过具有多个分别连接到多个分析仪的集线器，克服了与集线器和分支部署相关的一些挑战。这样，只需将新的分析仪连接到节点，即可轻松扩展网络。分析仪仅与树上较高的节点通信，而彼此之间从不相互通信。 图2. 树形拓扑架构(Tree)网络配置 树形拓扑具有更高的可伸缩性，并且可以扩展地理区域，因为每个集线器都可以用作较高单元的中介。这使其适用于分析仪不在中央网关覆盖范围内的应用。但是，如果中央网关发生故障或连接断开，它仍然容易出现故障。 无线网状拓扑架构（Wireless Mesh） 在无线网状拓扑中（参见图3），多个分析仪都直接相互连接，并在彼此之间传递信息。由于每个分析仪都充当一个接入点，，并且不依赖于集中式集线器，所以可以通过使用附近的节点作为中介，将网状网络部署在更广阔的地理区域中。单元动态确定数据流动的最佳路径。 图3. 无线网状拓扑架构（Wireless Mesh）网络配置 网状拓扑结构通常在就地部署中效果最好，因为很难不断更新移动单元的位置，同时又要实时共享数据。它们通常更可靠，因为没有单点故障，并且可以扩展无线网状网络而不会破坏现有体系结构。但是，它们更加复杂，并且部署成本可能更高。 混合网络拓扑架构（Hybrid） 混合网络结合多种拓扑结构来满足用户的特定需求(参见图4)。例如，就地分析仪可以部署在网格拓扑结构上，而移动设备可以部署在集线器和分支上。其中只有一些分析仪与其他单元通信的部分网状网络也是混合网络的一个示例。 图4. 混合网络拓扑架构（Hybrid）网络配置 混合架构可以克服其他拓扑的挑战，但是也会变得更加复杂和难以部署。 连接多个单元进行更深入的分析 便携、紧凑和网络化的频谱分析仪允许用户在最适合其应用程序的配置中部署多个单元。通过远程、就地和移动分析仪的组合，用户可以检测射频干扰、绘制地图覆盖范围，并确保符合政府法规。下一节将展示这些功能与内置GPS功能的结合，如何使用户进行地理位置和测向分析以定位感兴趣的信号源。

虚拟专用网（VPNs）通过公共网络提供跨远程站点的安全链接。VPN协议通常会以无缝专用网络的形式呈现。然而，在处理大数据包时，会出现一些已知的问题，这些问题通常发生在大文件传输和数据流期间，如虹科实时频谱分析仪(RTSA)。本文重点介绍VPN隧道的最大传输单元（MTU）和路径MTU方面，并提供一种解决方案，以 减少MTU的方式处理受网络影响的大数据包 。 概述 虚拟专用网络（VPNs）用于通过不可信的公共网络连接到远程网络。为了安全起见，对这些链接（VPN隧道）进行了身份验证和加密。从路由器的角度来看，隧道类似于物理网络接口，但由于隧道的开销，其容量略有减少。通常，数据通过大小不同的IP数据报在网络上传输。最大IP数据报的大小取决于源和目标之间具有的最小最大传输单元（MTU）的链路。此MTU称为 路径MTU（PMTU） 。 下图是两个远程站点通过VPN隧道连接在一起的典型情况。VPN路由器上的LAN和WAN端口是以太网接口。VPN隧道使用诸如IPsec之类的协议来对两个远程子网之间的数据进行加密和封装。 IP协议被设计为对连接设备透明，而这些设备对LAN外部的网络拓扑没有先验知识。此外，网络条件可以动态更改，因此协议还被设计为在整个连接周期内都是自适应的。 对于专用LAN内的事务，此MTU通常为1500字节，这是传统以太网的有效负载限制。对于跨越更广泛和更多样化网络的事务，数据路径可能会与其他较低的MTUs链路交叉（如无线电链路，串行线路等），从而影响整个PMTU。在上图中，如果PC1连接到名为R5500的虹科RTSA，则PMTU为1500，但如果PC2连接到R5500，则PMTU是低一些的任意数字。IPsec是在IP协议之上分层的协议，该协议允许在公共网络上路由加密的IP数据报。它需占用可用PMTU的额外58-73个开销字节。其他分层协议，如PPPoE，进一步增加了开销。源VPN路由器处理来自本地LAN的传入IP数据报，并准备将其通过公共网络发送。添加了具有公共IP地址的新IP标头，以允许其被公共路由。目标VPN路由器将反向处理，从WAN接收传入的IPsec数据报，并准备将其发送到远程LAN。 由于开销的原因，通常能够满足1500字节限制的大型数据报将不再满足要求。在这种情况下，将需要进行分片化和重组。根据配置和/或应用，VPN路由器可根据数据报大小执行以下操作之一： a) 无分片 对于大多数数据包而言，不需要分片，且IPsec处理非常简单: b) IPsec加密之前的预分片 但是，对于大小接近MTU的数据包，IPsec处理变得更加复杂。VPN路由器可在IP层上对原始IP数据报进行预分片，然后对各个IP分片进行加密: c) IPsec分片化之前的IPsec加密 对原始IP数据报进行加密，然后在IPsec层对经过加密的数据进行分片 路径 MTU发现和ICMP 路径MTU发现（PMTUD）是主机用来确定到给定目的地的PMTU的机制。因其计算成本高，故其目的是避免IP分片。它与Internet控制报文协议（ICMP）结合使用，后者是用于在网络节点（路由器和主机）之间发送错误和诊断信息的一组信息。 IP数据报具有一个可选的“不分片”（DF）标志，该标志让路由器了解是否允许IP分片。源主机通过尝试发送设有DF标志的大型IP数据报，以发现PMTU。当中间路由器接收到这样的数据报，而该中间报文由于下一跳较低的MTU无法转发而无法进行分片时，它将发送ICMP消息“目标不可达-需分片但未设置分片”（ICMP类型3 /代码4 ）返回给源。然后，源使用逐渐变小的数据报重新发送，直到成功为止，并设置相应的PMTU。如果网络拓扑发生变化，PMTUD将动态运行；它将尝试通过增加PMTU以周期性（每隔几分钟）重新发现PMTU，直到传输再次开始失败。 PMTUD用于发现路由器之间的WAN端口链接的PMTU发现以及通过VPN隧道本身路径的PMTU,PMTUD的这种嵌套使用是有问题的。出于安全原因，许多网络防火墙设置为拒绝来自WAN端口的ICMP信息。充分这样做的话会使PMTUD在整个公共网络中失效。大型数据报可能会于无声中消失，从而形成IP“黑洞”。仅当多次尝试重新传输丢失的数据报也失败时，才在IP层上发现。 解决方案 VPN隧道和PMTUs之间的交互已被详细记录。数据报可能会在没有警告的情况下丢失，从而导致重新传输并最终导致连接失败。避免这些问题的一种方法是人为地减少本地以太网接口本身的MTU，以使PMTU不再依赖于外部因素。MTU值的选取取决于您的特定网络。至少应减少MTU以应对IPsec开销。其他可能影响MTU选择的因素包括： 运行PPPoE的DSL连接 系统管理员减少WAN MTU，以解决WAN链路上的PMTUD问题 虚拟局域网（VLANs） 选择MTU值最方便的方法是反复试验。请注意，将MTU降低到超出所需范围会对总体吞吐量产生影响。虹科RTSA允许使用以下SCPI命令配置其以太网接口MTU： :SYSTEM:COMMUNICATE:LAN:MTU 更多相关的详细信息，请参阅RTSA的《程序员指南》。