如何对射频信号进行现场识别和分析以提高GPS应用设计(一)

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　　关键字：GPS 射频信号 频谱分析仪 频谱图 FFT

　　随着无线系统中的复杂数字调制信号越来越多，对GPS等射频信号进行现场识别和分析越来越具挑战性，特别是在市区环境中。但是，现场信号识别和分析对提高GPS应用设计而言又非常重要。如何利用先进的测试设备和方案解决这一问题呢?

　　信号识别对许多本地和联邦政府组织来说非常重要，特别是在安全、法律实施和智能应用方面。随着无线系统中使用的复杂数字调制信号越来越拥挤，特别是在市区环境，现场的信号识别和分析越来越具挑战性，需要正确地结合测量设备和专业知识才能正确地分离和识别指定频带内的许多不同信号。

　　现场信号识别并不像在实验室中使用大型固定装置那样方便。当然，也有些方法在执行现场数字信号分析时简单地使用为实验室设计的测量设备。但这种方法受制于移动性和效率，由此也促进人们去使用针对便携性设计的设备和技术。

　　对未知无线信号的识别和分析要求采用科学的方法，以最小化跟踪与隔离信号时可能发生的错误。发现信号的第一步是在一些指定的物理位置搜索射频能量。在感兴趣的带宽范围内用信号或频谱分析仪进行测量，当测到的信号表明有显著的功率电平时即可用于进一步分析。这个功率电平被设定在某个门限值，超过这个值被认为会对该区域内已有的射频/微波和其它系统(如计算机)造成潜在干扰。

　　使用频谱分析仪最容易检查和记录恒定(经常存在)的信号。间歇性信号较难检测，但可以使用处于“max hold(最大值保持)”模式或“spectrogram(频谱图)”模式的频谱分析仪去寻找，只要等待时间足够长就能捕获到间歇性信号。在寻找新信号时，许多现代频谱分析仪中都有的踪迹计算功能就起作用了。寻找新信号的踪迹计算涉及使用较早前记录的参考波形作为基准信号进行比较的操作。任何有疑问的新波形将从参考波形中减掉，从而产生一个差分波形。这个差分波形上的任何陷落都表明信号不再存在，而波形上的拱起或上升表明有新的信号。

　　模板测试是探测新信号的一种有用方法(图1)。过去在特定位置记录的任何信号都可以用来创建模板，以便与更新的信号进行比较。如果比较结果没有告警，那么新记录的信号中不包含任何新的感兴趣波形。如果发生模板违例，可以将信号踪迹记录下来供进一步调查。具有自动模板创建的仪器可以极大地加速和简化这种信号搜寻过程。

　　另外一种记录数据的方法是使用频谱图，它以三维方式显示频率、功率和时间。有种频谱图的实现是用不同颜色显示信号功率电平，并且垂直轴是时间轴。在暂停操作后，用户可以通过滚动频谱图上的时间轴在同一显示屏幕上根据频率对功率踪迹观察对应的频率对时间踪迹(图2)。

　　频谱图是一种很高效的方式，可以侦测到淹没在噪声中的微弱信号，也能轻松地查看到频谱踪迹中时有时无的间歇性信号行为。图2所示的频谱图例子中的间歇性信号很容易被侦测到，因为它们是垂直柱状图像，看似破折号。在传统的频率对功率显示器上，它们来去很快，因此很难见到它们的踪影。有了频谱图后，操作人员可以通过滚动捕获的数据轻松地进行分析。

　　在使用频谱图时，非常重要的一点是主频谱分析仪采用了快速傅里叶变换(FFT)信号分析功能。基于FFT的分析仪能够立即捕获到频率范围内的很大部分，不管是突发信号还是跳频信号，用户都能见到信号的真实形状。传统的扫频频谱分析仪在频谱图模式时将显示仪器伪信号，而不是突发信号。

　　也可以将频谱图用作时间索引来简化对所记录的信号数据的检查。长期频谱监视的一种有用技术是将频谱图踪迹功能设置为max-hold模式(用于捕捉突发信号)，并降低踪迹更新速率。由于每次频谱图更新时max-hold都会复位，因此仍有可能看到信号的变化，并且频谱图的时间戳使得这一技术愈加有用。

　　虽然信号记录、频谱图和频谱图记录在寻找未知信号时都很有用，但采用有组织的方式保持跟踪正在被监视和记录的所有信号也很有帮助。在全面搜索大量信号时，重要的一点是能识别到某个信号以前曾出现过，或某个信号未被识别过。这正是信号调查的用武之地。

　　在频谱分析仪的信号调查屏幕上，接近屏幕顶部的短条以及蓝色盒子代表了感兴趣的频谱区域(图3)。这些短条是可缩短的，盒子则是可扩展的。这些感兴趣区域可以很快创建，从而加快对感兴趣信号的定位和识别。

　　一旦找到射频能量并编入索引，信号就能被过滤掉。第一级过滤将识别频率、信道、带宽和形状等射频特征。一个非常熟悉当地曾被发现过的射频信号的熟练操作人员可以很快地放过许多信号。对模拟信号来说，有许多现成的技术可用来更好地理解它们是否合法。