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應用方案

基于實時頻譜分析儀模塊化的頻譜監測和管理

發布時間:2017-09-02信息來源:Singal hound

一、介紹

隨著頻譜分析和管理擴展到了更新和更有挑戰的新領域,傳統的臺式頻譜分析儀的短板越來越顯現:難以適應如今極其注重外場應用的模式。

此外,傳統頻譜儀由于把所有的功能集于一身,使得其成本居高不下,這導致了傳統頻譜儀在如今外場部署的應用場合實用性很差,因為這樣的應用是需要大量的經濟型分析儀以監控遠程設備或者信號情報。

這份白皮書展示了一個全新的方案應對這些挑戰,這套方案最大化了便攜式頻譜儀的能力,有可擴展的開源軟件,可用筆記本電腦通過API非常容易的,完全控制分析儀,不但降低了總體的成本,還最大化了靈活性。

二、頻譜管理的趨勢和驅動因素

人們對于高性能頻譜分析儀的需求已經早就不局限于傳統的實驗室或已知的可控環境中了。從寬泛的工業領域到非常專業的一些應用領域,高端的頻譜分析儀都已經變得是必需品,用以支持各種外場測試的遠程控制部署。

通訊設施

全球無線設備和應用的激增使得無線頻譜分配和管理面臨重大挑戰,容量和帶寬的需求與日俱增,而同時設備和設備之間留的頻率間隔越來越小。隨著通信和商用無線系統越來越多樣和擁擠,想要取得成功,能監控管理、解決問題并保護射頻頻譜的能力就顯得尤為重要。

要實現這些目的,可以用兩種不同的方案用來實現射頻頻譜分析和管理。第一種方案是靠外場工程師/技術員,去發現和分析信號以支持安裝,監控和故障排查等。

第二種方案是在外場部署可遠程控制的經濟型信號檢測系統,向控制中心回傳數據、分析和報警。在通信建設中,由于所需的設備數量多,所以這些檢測系統必須要足夠的經濟性,并且必須設計成可以遠程的完全控制,如重起,系統恢復和軟件升級,而不是需要專門有技術人員在外場支持。

質量保證和客戶外場服務

使用頻譜資源的系統的增多,會對其他的無線應用產生干擾,這將要求設備生產商、安裝商和服務人員在各種外場環境都需要有能力去發現、分析、診斷和修正信號問題或者干擾問題。而質量工程師在進行供應商拜訪時,如果需要自己去評估不同生產線產品的信號性能時,便攜式頻譜儀就會顯得非常重要。

客戶服務和質量保證部分也經常需要將數據遠程的從外場采集到集控中心,用以進行額外的實時分析,或者將射頻數據記錄到外場計算機的硬盤方便后面進行歸納或者系統級的趨勢分析。質量保證或客戶服務中,網絡控制的能力并能集成外場分析儀和后端分析資源,這不僅對解決即時的問題很重要,而且對識別潛在的問題,避免大規模糾正措施造成的經濟損失也非常重要。

政府、管理機構和隱蔽的頻譜管理應用

大多國家都會把無線頻譜資源視為國家財產,事實上國際電信聯盟(ITU)法指出每個政府有規劃其電信的主權。 政府負責分配、調整和監控無線頻譜的使用;識別和解決干擾;不同頻譜資源使用者之間的調解;優化可用頻譜的整體使用并協調同其他國家在邊界上的頻譜問題。

如今全球化并日益擁擠的無線環境,有效的政府頻譜管制對于國際性頻譜管理的成功尤為重要,但也是非常有難度的。政府需要有外場頻譜分析和遠程控制部署的卓越能力,去捕獲違規信號,解決爭議,預見問題。

政府頻譜管制中包含一個重要的專門領域,就是部署一些隱蔽檢測點用以獲取外場的信號信息。對于這些應用,頻譜分析系統需要在硬件上有遠程控制的靈活性,整個系統需要很好的可擴展性。根據部署方案,遠程的隱蔽信號分析系統可能需要單獨的長時間運行,并且對軟件根據每個獨特的環境而定義的參數給出響應。例如,一個遠程頻譜分析系統可能需要在某些特定頻點上做掃描去判斷信號,然后根據指定的條件去做射頻記錄或者數據采集。有些隱蔽檢測方案甚至需要遠程控制軟件去識別一些相關的頻點、調制和/或信號活動,以觸發遠程計算平臺的記錄或分析工作。

射頻數據采集和射頻數據記錄

以上所有應用領域,連續的數據采集和射頻數據記錄功能都非常重要。這里值得專門提起是因為當你考慮頻譜分析儀的可擴展性時,向硬盤實時采集射頻數據的功能就是一個非常重要的因素。根據頻譜的特性、所需采集或者記錄的數據大小,遠程系統的配置將會需要完全不同的硬件性能。

實時的調節和數字化I/Q數據對頻譜儀來說是非常有挑戰的,遠程系統需要有能力傳輸足夠高速率的數據以支持連續的采集。此外,需要在本地存儲的數據量會決定存儲器的大小和類型,連續將數據采集到控制中心的需求,將會影響遠程計算以及網絡接口規范。接下來的部分我們會討論到,這種取決于應用的硬件規范各式各樣,傳統的臺式頻譜儀很難適配這樣的情形。

三、傳統臺式頻譜儀的局限性

昂貴&可擴展性有限

傳統的臺式頻譜分析儀將用戶所需的所有功能設計在一個機箱內,這意味著這樣的頻譜儀集成了客戶定制的FPGA以及其他的支持功能部分如顯示器,CPU、內存、數據存儲器和輸入/輸出接口等。帶來的結果就是這樣一套完整的頻譜分析儀通常都會在$15,000 $40,000的價格。

除了價格昂貴之外,傳統臺式頻譜儀在硬件可擴展性上也不好,一旦初始配置選定了,臺式頻譜儀系統通常就很難去再加存儲器、升級CPU、更改網絡接口或其他的硬件變更。

設計未迎合便攜性或應用靈活性

傳統的高性能頻譜儀已經逐漸演化成只在實驗室環境中使用了,所以它們更適合在固定的地方配備,而不適合作為外場應用。傳統的高端頻譜儀在典型的實驗室和固定測試方案配置中,一般配有專用的計算機資源和專門的特殊軟件程序以優化在控制設置內的端到端流程。

如果用傳統的設計方法,將所有的功能都設計在一個箱子里面并且能達到便攜和外場應用的靈活性的話,那將在性能,特點和實用性上做折中考慮。比如,大多便攜式和手持式頻譜儀只有有限的預配置測量選項,而非真正的可完全設置的頻譜分析系統。

此外,這些簡化版的傳統臺式分析儀缺少可配置性、網絡能力和軟件適應性去支持外場分析和頻譜管理的動態特性。這些弊端在做干擾診斷、頻譜資源規劃、射頻采集以及專門的隱蔽信號監控應用中就會顯得尤為突出。

通常按照傳統臺式頻譜儀的方案設計出來的系統還是比較貴的,而且缺少如今在外場分析中所需的性能和靈活性。

更糟糕的是,隨著外場頻譜管理需求的不斷變化和不停出現的新挑戰,這些昂貴的功能固化的臺式頻譜儀就很有可能需要更換或者升級,去應對新的通信協議和應用需求。

四、一個開放的無線信號頻譜分析系統方案

建筑哲學:優化而非復制

在傳統臺式頻譜儀設計方案基礎上,通過改變基礎設計架構并做整體系統優化,Signal Hound從根本上改變了高性能頻譜儀分析系統的高成本和靈活性。

USB3.0接口將一個小巧的高性能頻譜儀連接到主機上,通過靈活頻譜分析軟件,這套開放的解決方案使得整個系統可為專門的應用做各種所需的優化。

正如后面部分要討論的那樣,這使得所有的系統配置都會在性能,特點和成本


上得到最大平衡,并且軟件、硬件都很容易升級以適應新的需求,而不需要從新替換整個系統;

性能

對于任何頻譜儀的首先要求是可以處理所需的頻率范圍,分辨率帶寬,掃描速度和能完成測試或者分析任務的所需精度,這是必要條件。

第一代的BB60A在市場備受好評,現在Sig-nal Hound BB系列進入了第二代,在實際中的應用也證明了BB系列完全勝任。新的BB60C產品比BB60A做的更好: SFDR典型值提高了20dB,拉平了全頻段噪底,提供了溫度擴展型號(-40℃到+65℃),并將I/Q數據帶寬擴展到從250KHz27MHz可變。BB60C提供了27MHz的瞬時帶寬和24GHz/s的掃描速度。

通過75%的快速傅里葉變化(FFT)重疊,整個27M的瞬時帶寬內實現無縫頻譜分析,這意味著每個數字采樣點將被包含在4FFT中,

這種工作模式下,只要信號幅度足夠,落在瞬時帶寬內的任意短的信號都會被顯示出來。如果需要顯示最大幅度,這個信號必須能持續完成一次FFT,對于631KHz分辨率帶寬,這將需要4us,這樣即使1us的脈沖,幅度顯示上也就衰減23dB而已。

BB60C規格

頻率范圍

9KHz – 6GHz

實時帶寬

25K-27M

RBW

10Hz-10MHz

掃描速率

24GHz/s

DANL

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

殘余響應:參考電平≤ -50dBm0dB衰減下

-106dBm>500KHz

雜散和鏡像抑制

-50dBc

工作環境

0-65℃;選件-4065

對于一些困難的外場頻譜分析應用,比如間歇性的干擾搜索來說,這樣的系統就會是一個很好的選擇。傳統的頻譜儀只能顯示出落在RBW內的干擾信號,使得識別和量化干擾非常困難。一個實時頻譜儀如BB60C,可以同時處理數以千種的分辨率帶寬,使得干擾搜索變得簡單。識別和分析跳頻的擴頻信號對于傳統頻譜儀來說也是一個挑戰,因為傳統頻譜儀只能捕捉跳頻信號中的一小部分。BB60C能同時分析整個從902MHz928MHzISM頻段,也能在約4ms內完成從2400MHz2475MHz的掃描,這將大大簡化跳頻信號的分析過程。這可從下面的BB60C接收到的藍牙信號圖中看出。



經濟性

這套方案的第二個重要目標就是提供一套經濟型系統總體方案,以打破傳統臺式頻譜分析儀的價格障礙,從而為更多的外場應用創造新的機會,部署更經濟性的遠程方案。

BB60C連上電腦,用電腦完成信號處理的功能,這種模塊化的方案消除了傳統頻譜儀里面的一大塊成本(和利潤)。傳統頻譜儀系統的設計是依賴于儀器中定制的FPGA去完成信號處理的,這塊大大增加了成本。那些性能足以完成信號處理任務需求的FPGA每個需要$250-$1000的成本,而放在系統內至少要增值400%,這將會使得臺式頻譜儀每臺增加$4000的價格。額外的硬件外設也會增加整體成本,比如顯示器,電源,處理器,鍵盤和內部存儲器。在系統成本中,廠家還需要分攤熟練FPGA工程師們的高昂費用,去開發、支持和升級信號處理算法。

所有這些因素使得傳統臺式頻譜儀的價格高達$15,000-$40,000的范圍,然而依然需要與計算機接口去實現和報告自動測試任務。與此相反,Signal Hound的方案低于$3,000,包含了成熟的API和開源的頻譜分析軟件。只要用合適的Windows版的PC,安裝上應用軟件,就是一套完整的方案用以部署。

可用性和便攜性

BB60C小巧的設計便于攜帶,凈重僅僅0.5kg,尺寸219mm x 81mm x 30mm。由于其通過USB3.0接口從電腦取電,也不需要額外的電源和電源線,極大的降低了空間和配件要求。

BB60C正是為靈活部署而設計的,典型的應用場景可以將它和相連的PC放到一個IP67型(防水防塵)的機箱內,安裝到桿子上或屋檐下,也可將PC機和BB60C放到大廈的閣樓里、小空間、或配線箱里。如果是一個流動的外場技術員使用,也可以將系統包裹到一個結實的公文包類的包裝中,方便很快地搭起系統,在任何地點都可以使用,或簡單的把BB60C扎扣在電腦或者平板的背面。

連接

系統可以通過PC機的以太網口連接到網絡上或者后端資源,用以支持全范圍的通信,數據上傳、軟件更新和其他系統管理任務。給BB60C配任何一個帶有Intel vPro技術的計算機,不管是高性能的臺式計算機還是緊湊的NUC,整個系統即可實現遠程管理,包括開機和系統運行。IntelvPro技術讓以太網口一直上電,即使計算機關機了,這使得下面的功能可以通過網絡執行:

- 遠程重啟計算機--開機或者關機

- 遠程管理軟件升級(包括重啟操作)

- 計算機或者BB60C死機或鎖定時遠程實現系統恢復

擴展性

Signal Hound方案中一個重要的改變格局的地方就是基于windows的開源頻譜分析軟件,這讓工程師能快速的使用起來BB60C的全部功能。

集成軟件支持傳統的控制方式,比如頻率掃寬、中心頻點、起始和截止頻率,分辨率帶寬,視頻帶寬,參考電平,可配置的跡線以及頻標。利用OpenGL去平衡現代電腦的GPU加速功能從而豐富地顯示二維和三維的頻譜瀑布圖以及實時余輝模式,增加用戶體驗,讓信號識別變得更簡單。

成熟的API結合開源的標準頻譜分析軟件,讓用戶能很容易的開發自己的程序和頻譜儀一起實現想要的功能,從而可以讓客戶很方便的擴展系統能力。詳細文檔描述的API是用C/C++寫的,可以觸發后記錄信號、實時分析和數據采集。編程者可以利用開源軟件來定制開發程序,也可以完全開發自己的程序。

五、實際應用中的好處和案例

客戶體驗反應Signal Hound的模塊化方案主要在兩個方面有優勢:1)降低成本和 2)以前不可能達到的可擴展能力。大多用戶都非常喜歡這兩個好處。

降低頻譜分析成本

對于很多公司來說,可以將每臺頻譜儀的成本降低510倍已經是個充足的理由去做更換了。用$3K加上計算機的錢完成的一套系統對比一個$15-$40K的傳統臺式頻譜儀,資金付出和投資回報是非常引人注目的。事實上,有些公司已經開始算這筆賬了,用同樣的資金支出只能買一臺傳統臺式頻譜儀,但是如果買BB60C則可以把他們的整個實驗室或者產線地板上都鋪滿。作為回報,他們將得到極高的投資回報率,和不會過時的產品,你可以通過升級軟件更新頻譜儀模塊,也可以在任何需要的時候更改計算機配置(硬盤大小,網絡接口速度等)。

對于遠程部署方案,經濟的成本使得在外場部署遠程系統成為可能,傳統臺式頻譜儀的價格是阻止這種部署的直接原因。這意味著通訊服務商可以非常經濟的將這種高性能的嵌入式頻譜管理系統放到他們的基礎設施中,從而消除技術員開工程車去外場檢測的成本和時間耽擱,而且同時提高服務的可靠性和客戶滿意度。

模塊外的擴展性

這套新的開放式頻譜分析系統還在另一個方向打破了傳統方案,它能提供擴展性很強的平臺以設計客戶量身定制的頻譜分析應用。在自帶的基礎分析軟件的基礎上,一些特殊應用的公司可以很容易地將其擴展,滿足他們獨特的需求。由于API有詳盡的文檔,可用C/C++編程,因此熟悉行業標準的軟件工程師都可以容易地設計、部署和維護何形式的定制功能。

可擴展性在如今快速變化的無線通信領域是非常重要的,因為現在的公司部署的遠程控制方案,需要日后很容易的去遠程更新軟件以滿足新的需求。

軟件定制對于設計特殊的頻譜分析功能,像在外場部署隱蔽信號分析平臺和政府的頻譜監控規劃系統這樣的應用,也是很重要的一個考慮因素。在這些例子中,頻譜分析程序經常需要用一些復雜的算法去發現、分析和追捕那些特殊的感興趣的信號,這就需要在遠程計算機上的軟件非常完善地和頻譜分析功能集成在一起。

寫在最后

如今全球分散的、多種多樣的信號管理需求已經使得過去傳統型臺式頻譜儀難以勝任,頻譜管理應用已經遠離實驗室,并正在將傳統實驗室設備拋在身后。這些應用急需一個新的頻譜分析系統設計方案。

正如Signal Hound BB系列所體現的優勢,這個新的設計方案,優化了前端的頻譜分析和射頻采集功能,可用標準WindowsPC機環境結合經濟型的頻譜儀模塊,組合成一套非臺式機式完整的經濟型解決方案。最終可以讓任何現有的頻譜管理應用,只需花傳統頻譜儀分析方案中的很小的一部分成本,就能過渡到這套新的方案平臺。

關于Signal Hound公司

Signal Hound公司由Test Equipment Plus (TEP) 建于1996年,公司的理念是向客戶提供高質量的經濟型二手測試測量設備,以保持公司成長并形成忠心的客戶。2006年,TEP擴大了他們的專注領域,開始設計和生產彩色LCD顯示器的翻新工具,來解決已經老化了的HP8566A8566B8568A8568B頻譜儀的顯示器問題,同時TEP開始提供HP/Atilent的步進衰減器的維修服務。2007TEP設計和生產了另一個LCD顯示器翻新工具,用以支持HP/Agilent 8560系列的頻譜儀。當年,TEP開始決定發揮自己的優勢,為安捷倫的頻譜儀,矢網和信號源提供維修服務。TEP的維修部分在射頻和微波測試領域已經被廣泛認可其世界級水平。

2009年,TEP決定自己研發設計緊湊型,輕便的經濟型頻譜儀,目標是做到目前市場上其性價比無出其右。USB-SA44B頻譜儀在20102月份問世,讓TEP實現了這個目標,也標志著Signal Hound的測試設備這個產品線的誕生。20144月,TEP開始正式以Signal Hound名義獨立運營測試設備研發設計生產。Signal Hound最新的革命性產品是BB60C,發布于20146月,其前身是備受市場好評的實時頻譜分析儀-BB60A


Signal Hound 中國代理:

深圳市國測電子有限公司

電子測試與測量和環境檢測設備集成供應商

深圳市龍華新區梅龍路皇嘉梅隴公館A805

電話:0755-85261178  E-mail[email protected]

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