信號監測系統的最基本配置包括接收機、天線、低噪聲放大器、輸出顯示屏，可能還有某種自動執行信號搜索和數據存儲的軟件。傳統的可調諧掃描頻譜分析儀對監測接收機的要求最低。頻譜分析儀是一個非常靈活的平臺，具有廣泛的頻率范圍、高動態范圍和包括限制線的圖形顯示，這些限制線可用于設置幅度電平檢測閾值。通常，在天線和分析儀之間會放置一個低噪聲放大器(LNA)，用于增加信號幅度并降低測量系統的噪聲系數，從而提高頻譜分析儀的靈敏度。大多數高性能頻譜分析儀，例如Keysight MXA系列分析儀，都有內置的LNA選件。很多頻譜分析儀已經內置了模擬解調功能，但是使用這一功能往往需要重新調諧分析儀的中心頻率和掃寬，以適用于感舉趣的信號。當改變分析儀的頻率設置時，分析儀必須能夠迅速調諧儀器的內置本地振蕩器(LO)，否則可能會減少截獲短周期、間歇性信號的幾率

。

多種接收機體系結構都可實現表1中所示的特征。例如，很多傳統的頻譜分析儀就使用了下圖中所示的超外差體系結構。輸入的射頻信號經過濾波，使用混頻器和本地振蕩器 (LO) 下變頻到中頻 (IF)。使用頻譜分析儀通過掃描本地振蕩器和測量中頻濾波 (也稱 為RBW濾波)后的信號幅度，可以測量廣泛的射頻頻率。在信號監測應用中，需要快速掃描接收機的本地振蕩器以捕獲間歇的信號和提高截獲幾率(POI)。當分辨率和靈敏度要求使用窄RBW時，掃描時間會按比例增加，有可能導致POI降低。為了克服這種掃描時間限制，很多接收機體系結構使用了數字中頻，并在數字域中執行中頻濾波。與模擬濾波相比，數字濾波能夠大幅度改善掃描時間。在中頻上進行的數字信號處理(DSP) 還使工程師可以非常方便地進行靈活的解調，測得的信號需要進行進一步的分析和識別。圖2還顯示了一個經由模數(ADC)轉換器的單獨的中頻路徑，模數轉換器使用DSP 技術檢測和處理信號幅度。

圖1 超外差接收機方框圖

在需要對測得的信號進行解調的系統中，中頻的瞬時帶寬必須大于信號的調制帶寬， 否則就會有一部分占用頻譜出現衰減。在傳統的AM和FM模擬通信系統中，信號的瞬時帶寬通常遠遠小于200 kHz。在這種情況下，一個中頻濾波器大概和模擬調制系統的信道間隔相當，例如 30 kHz，這樣就能恰當地傳送目標信號，并由于中頻帶寬相對較窄而能夠提供良好的接收機靈敏度。為了達到更高的數據速率和引入數字調制方案， 在很多新興的無線系統 (例如 WiMAX? 和 3GPP LTE) 中，信號的瞬時帶寬都增加到了 5-20 MHz。隨著瞬時帶寬的增加，要想正確地解調和識別信號，接收機的中頻濾波器帶寬也需要提高。遺憾的是，中頻帶寬越寬，解調器的信噪比就會按比例降低。為了克服 SNR 限制，監測系統可以通過增加前置放大器增益、增加天線增益或者使監測系統更靠近發射機來提高進入接收機的信號電平。

實際上，這些技術也都有各自的不足之處。例如，當有更高幅度的其他信號存在時，增加前置放大器增益會使接收機在工作時產生多余的互調失真(IMD)。天線增益的增加可能導致高定向天線的物理尺寸增加，并有可能降低工作帶寬。將監測系統放置到發射機附近的物理位置可能不現實，原因有多種，包括在大片地理區域中，發射機的位置是未知的。因此，在監測寬帶、高載波頻率信號時，除非能夠以更高的密度來安裝一套低成本傳感器來緩解很多信噪比問題，否則增加在周邊環境中所部署的接收機數量無異是增加整個系統成本。

傳統的機架安裝式監視系統(配置在傳統的頻譜分析儀或VXI接收機周圍)，并且不影響主接收機的搜索功能。要想監測廣泛頻率范圍內的信號，可能需要使用各種類型的天線才能覆蓋整個感興趣的范圍。在這種情況下，需要將一個射頻復用器連接到接收機，并在安裝到外部設施或車輛上的多個天線之間進行切換。

與傳統方法相比，工程師可以使用支持網絡的低成本接收機(又稱射頻傳感器摂)作為下變頻器和信號采集系統，通過有線網絡將采樣到的IQ數據傳送到遠程系統控制器進行信號處理、數據存檔和解調。典型的低成本射頻傳感器，例如N6841A射頻傳感器，是一個小型自含式防風雨接收機，可以輕松地安裝在掛柱、機架、車輛上或配置在人工便攜式系統中。為了提高接收機的靈敏度，射頻傳感器通常配備"軟件定義的"功能和寬帶數字中頻體系結構。下圖是Keysight N6841A射頻傳感器的簡化方框圖。傳感器有兩個天線輸入，用于連接到本地的寬帶和/或分集式天線。該系統還包括一套帶狀線預選濾波器。

圖2  N6841A射頻傳感器方框圖,

包括VHF/UHF接收機和軟件定義的信號處理程序

這些可選的濾波器旨在降低傳感器成本和提高可靠性，對在高功率傳輸中搜索小信號非常有用。使用和傳統頻譜分析儀相似的可調諧體系結構可以完成下變頻到中頻的任務。數字化中頻采用了數字下變頻器(DDC)把采樣到的中頻下變頻到基帶。N6841A射頻傳感器的完整數字中頻擁有高達20 MHz的可變帶寬，可適應各種無線技術和調制類型。嵌入式軟件控制接收機的觸發、FFT運算和存儲器捕獲。采樣的時間戳數據通過網絡傳輸到遠程服務器，由該服務器執行信號識別和數據記錄。接收機的內部時鐘可通過IEEE 1588 網絡定時協議或可選的GPS來控制。實施分布式信號監測系統的一般概念是: 在預計安裝發射機的物理位置附近部署更高密度的低成本射頻傳感器，將針對采樣數據的所有高級信號處理功能都集中到一個公用的、位于中心位置的服務器上來執行。

信號監測設備和相關天線的位置對于總體系統性能有著巨大影響。傳播信號的衰減，也就是路徑損耗，以及附近的干擾也會影響接收機偵測目標發射機所發射的能量。路徑損耗是射頻載波頻率和發射機與接收機相對距離的函數。載波頻率越高，路徑損耗就越大，所以必須將接收機安裝在發射機附近。來自周圍環境的干擾也可能會影響接收機的性能。例如，當接收機安裝在電視臺、廣播電臺、蜂窩基站和/或雷達系統附近時，雜散發射、諧波和互調失真可能會導致巨大的干擾。這些效應還可能包括由這些附近的高功率發射機所引發的接收機前端過載。因此必須從一開始就對預計接收機附近的頻譜進行監測，以便定量分析這些干擾源和高功率系統可能對接收機性能產生的影響。

信號監測系統中的接收天線通常安裝在塔頂、樓頂或山頂，以降低周圍環境造成的多路徑效應。在理想情況下，天線應該與周圍的金屬體間隔多個波長的距離，否則預期的天線方向圖就有可能發生扭曲。甚至安裝天線的金屬桿也會對增益方向圖產生巨大影響。另外，附近的其他天線也會改變天線方向圖，意外地降低系統性能。因此，恰當地安裝天線對于監測系統的整體性能至關重要，尤其是對于那些在廣闊的地理區域內安裝了有限數量的高性能接收機的應用更是如此。在另一方面，采用低成本射頻傳感器的系統由于使用了高密度的接收機而實現了鄰近增益，所以對天線的要求不那么高。

下圖所示的是安裝在屋頂上并與寬帶天線相連的射頻傳感器，另外還有一個天線安裝在獨立的金屬桿上。該傳感器安裝在離天線相對較近的位置，可以減少可能會降低系統噪聲系數的電纜損耗。

圖3 屋頂上安裝的射頻傳感器和天線配置

當發射機的位置未知時，人們希望使用具有全向方向圖的天線來用于地面應用。但是，全向天線具有大約0dBi的低增益，無法改善接收機的SNR。增加天線增益或許可以提高SNR，但卻會導致天線方向圖(antenna pattern)偏向某個特定方向的信號接收。 除非高定向(高增益)天線能夠對發射機的方向進行物理或電氣掃描，否則很可能會由于低接收SNR而忽略未知的發射機。

現代無線通信常常使用較高的射頻載波頻率。與在較低 VHF/UHF 頻率上工作的類似系統相比，這將會導致自由空間損耗增加。在這些較高的載波頻率上，有必要將監測天線/接收機安裝在發射機附近，以便使 SNR 保持在適當水平。通過減小發射機與接收機的間隔而實現的信號性能改善稱為 "鄰近增益"。例如，假設兩個通信系統與發射機天線和信號監測天線間的距離相同，一個系統工作的射頻載波頻率為 100 MHz，調制帶寬為 20 kHz；另一個系統的工作頻率為 2.4 GHz，調制帶寬為 20 MHz。假設發射功率、天線增益、電纜損耗和接收機噪聲系數完全相同，每個系統 測得的SNR是多少? 造成SNR差別的主要因素是什么? 為了解答這些問題和估算每個系 統的性能，我們可使用下面的公式(1)來計算SNR

其中

SNR = 接收機信噪比(dBm)
GR = 接收機天線增益(dB)
PT = 發射機功率(dBm)
CL = 天線和接收機間的電纜損耗(dB)
GT = 發射機天線增益(dB)
NF = 接收機噪聲系數(dB)
PL = 路徑損耗(dB)
BW= 接收機帶寬(Hz)

路徑損耗(PL)是射頻載波頻率和發射機天線與接收機天線間距的函數。路徑損耗隨著頻率的升高、距離的增大而增加。路徑損耗(單位: dB)使用下面的公式(2)來計算。

其中

f =頻率(MHz)
R =距離(km)
K =32.45(R單位采用km)

例如，假設發射機正在距離監測系統 5 千米的位置發射具有 +20 dBm (100 mW) 功率的信號。在天線增益為 0 dBi、電纜損耗為 0 dB、接收機噪聲系數為 14 dB 的條件下， 100MHz頻率和20kHz帶寬的信號發射計算得出的SNR大約為+51dB。對于2.4GHz頻 率和20 MHz帶寬的信號，計算得出的SNR為-7 dB。在這些條件下，測量100 MHz信號很容易，但是要測量 2.4 GHz 信號就非常困難。表 2 總結了這兩種系統的路徑損耗和SNR性能。這兩種系統的SNR差異與載波頻率和調制帶寬有直接關系。

在本例中，2.4GHz系統由于載波頻率更高，所以路徑損耗增加，其相對SNR降低了28 dB；而由于調制帶寬更寬，所以噪聲功率增加，其相對 SNR 降低了 30 dB。由于要顯著改善接收機的噪聲系數和/或增加接收機的天線增益實際上非常困難，所以要想改善在高載波頻率上工作的系統的 SNR，必須縮短發射機與接收機之間的距離。鄰近增益將會超過在較高載波頻率上進行射頻信號發射所帶來的過多路徑損耗。

繼續使用上面的例子，如果要求的SNR最低為10 dB，那么鄰近增益需要將SNR從最初的-7 dB增加到要求的 +10dB，或17dB的總體增益。在此情況下，應將2.4GHz系統的發射機與接收機之間的距離從最初的5千米減少到0.7千米以內。必須注意的是，為了對同一個地理區域保持相同的監測覆蓋，當發射機在較高射頻載波頻率上工作時，還必須增加接收機的密度。

表2. 計算出的兩類無線系統的鏈路預算

基本參數

PT=+20dBm
GT=0dB
GR = 0dB
CL=0dB
NF=14dB
R=5km

上面顯示的路徑損耗計算是在理想的視線 (LOS) 條件下進行的，沒有不利的多路徑衰落和/或陰影效應。多路徑可能在接收機上產生額外的信號損耗，通常用衰落深度來描述。為了測量不同地形中的多路徑衰落并進行建模，人們進行了大量研究，但是總體而言，在VHF/UHF頻率范圍內工作的系統在市區和郊區使用時會出現5到40dB的衰落深度。當估計信號監測設備(特別是在窄帶系統中)的總體鏈路預算和配置時， 必須考慮到接收機上額外出現的幅度損耗。

有許多方法可以減少多路徑的不利影響，增加鄰近增益只是其中之一。另一種相對簡單的方法是使用第二個天線，通過采用空間分集或極化分集技術來改善衰落特征。我們知道，間距大于四分之一波長或處于交叉極化方向上的兩個天線將會擁有不相關的多路徑特征。當一個天線遇到較深的多路徑衰落時，另一個天線有可能接收到具有適當功率電平的信號。監測系統可以在這兩個天線之間進行掃描，尋找最強的信號進行分析。大部分信號監測系統都配有射頻多路復用電路，以便根據工作環境的需要添加更多的天線。例如，N6841A射頻傳感器擁有三個天線端口: 兩個用于天線多路復用，一個用于可選的GPS子系統。這兩個天線多路復用端口可以用于空間分集和/或極化分集，以減少多路徑衰落；或在使用窄帶天線時通過配置，用于擴展被測頻率范圍。了解到多路徑對系統性能的影響，工程師就需要使用專門設計的先進測量工具在工作臺上仿真多路徑條件。

發射信號識別的目標和方法

如前所述，任何信號監測系統都面臨著一個挑戰―性能和速度必須能夠快速偵測、識別并有可能定位那些可能是間歇性的、持續時間非常短或是寬帶并具有低 SNR 的無線信號發射。感興趣的信號可能包括多媒體廣播系統、廣域網(WAN)通信(包括手機 和基站發射)、無線局域網(WLAN)通信、點對點微波鏈路(包括衛星上行鏈路和下行鏈路)以及射頻識別(RFID)閱讀器/標簽通信(包括有源和無源標簽技術)所發射信號。在任何一個時刻，在廣闊頻率范圍內進行的測量都會包含許多信號類型，而信號監測系統 負責仔細檢查大量的信號，以只識別和分析那些感興趣的信號。

“信號搜索與監測。 捕獲并分析頻譜事件。 觸發和報警功能。 射頻信號的調制識別、記錄和定位。”

如果只依靠工程師使用獨立的頻譜分析儀來人工執行，很難高效地對頻譜數據進行分類。借助Keysight N6820E Signal Surveyor等軟件分析工具，可以更好地自動執行信號 搜索和識別。當信號監測工具配備了高性能接收機(例如E3238S VXI接收機或N6841A RF 傳感器) 后，通過使用閾值和軟件告警 (可以設置為當被測信號功率超過預先確定的 幅度時便會觸發系統響應)，可以執行自動信號檢測。下圖是通過網絡連接到信號檢測 軟件的射頻傳感器的典型配置。當把中頻帶寬配置為 200 kHz 或更低頻率時，射頻傳 感器可以連續不斷地傳輸數據流。由于10/100 TCP/IP網絡協議中的延遲，具有更寬中 頻帶寬、頻率高達20 MHz的信號需要使用時間編碼數據塊來傳送數據。信號監測軟件 對感興趣信號的采樣數據進行處理。該軟件經過配置后還可以自動識別調制類型(選件 MR1)或儲存時間序列或頻率數據。工程師隨后可以使用各種商用和定制的軟件工具對 歸檔數據進行后期處理。

圖4  自動信號監測軟件從接收機和數據存儲器收集時間序列數據進行后期處理

限制線和其他軟件告警功能對任何信號監測系統來說都是一個重要的特性。這些告警功能可以配置為自動執行對未知發射機的偵測過程，以及確定已知發射頻譜一致性。閾值電平可以通過在基線射頻環境中進行測量來確定，也可以由系統自動配置或由用戶定義。例如，下圖顯示了使用N6820E信號監測軟件可以采用的三種閾值方法。上面的圖顯示了與頻譜分析儀中的限制線功能類似的電平閾值摂。當本底噪聲保持平坦不變時，電平閾值可以很好地發揮作用，就像在VHF/UHF和微波頻譜中那樣。中間的圖顯示了自我定形到本底噪聲的"自動閾值"技術。當本底噪聲不平坦(例如在高頻范圍內)和/ 或隨著時間變化時，這個功能非常重要。

下面的圖顯示的是"環境閾值"，它使用當前頻譜的屏幕快照(包括任何現有的信號)，然后使用該波形作為以后測量的閾值。 用于自動識別感興趣信號的另一種選擇是使用"通用信號檢測"軟件。此類專用軟件(例 如Keysight N6820E選件USD)通過測量射頻發射的特征來自動識別信號。通用信號檢 波器包括帶寬和波形濾波器、頻率規劃、寬帶檢波器和窄帶確認器(confirmer)。寬帶和窄帶技術相結合，可以高效地對擁擠的頻譜進行篩選，顯著提高截獲幾率。寬帶搜索功能將會對射頻環境中的全部信號進行處理，使用信號檢波工具過濾掉除感興趣的信號之外的所有信號。一旦識別出感興趣的信號，系統就會把它們的數據收集和記錄下來，以備日后進行分析。當檢測到新信號時，就會更新能量歷史記錄。

(a)電平

(b)自動

(c)環境

能量檢測閾值技術

能量歷史記錄會把每次掃描中超過閾值的所有能量的參數自動存儲起來。這些參數還可以用作告警條件來觸發系統響應。

￣ 頻率
￣ 帶寬
￣ 帶寬占用率
￣ 首次截獲的日期和時間
￣ 最后一次截獲的日期和時間
￣ 幅度統計數據
￣ 持續時間

現代通信系統正朝著更高載波頻率、更寬帶寬的方向發展，這會帶來更高的路徑損耗和接收機噪聲。如前所示，已知信號和未知信號的偵測幾率與發射機的射頻載波頻率和調制帶寬有直接關系。無線行業―特別是新興的蜂窩系統 (例如 3G和4G)―的另一個發展趨勢是架設更高密度的基站。許多行業和學術機構正在對微微蜂窩和毫微微蜂窩拓撲進行研究，希望實現更高頻率的再利用和更低的發射功率級[11、12]。更高路徑損耗加上更低發射功率級，將降低偵測在更寬瞬時帶寬上工作的信號的幾率。

要克服這些難題，信號監測系統可以通過增加接收機的鄰近增益(換句話說，就是把監測系統布置在更接近發射機的位置)來改善系統性能。增加鄰近增益不用花費任何費用。如果需要將發射機與接收機的間距縮短一半以獲得適合的 SNR，那么相應的覆蓋范圍也會隨之縮減到原來的四分之一。為了保持足夠的偵測幾率，移動和/或便攜式接收機可以移動到發射機的預計工作區域。或者，可以在整個環境中布置更高密度的監測接收機(包括固定的低成本射頻傳感器)并連成網絡，以改善總體系統性能。這種傳感器網絡還可在地理定位的過程中用來估計發射機的位置。

近些年來業界已經在多種應用(包括環境傳感、資產跟蹤和生產流程)中對傳感器網絡進行了研究和實施，但是將這一技術擴展到信號監測和頻率管理方面對于業界來說還是一種相對較新鮮的概念。用于信號監測的射頻傳感器網絡將對分布式接收機(通過有線回程網絡相互連接)所提供的測量結果實施非相干或相干偵測。由于需要處理的信號減少，回程網絡負載降低，所以傳感器網絡中使用非相干偵測法的接收機將獲得更快的偵測速度。然而，當噪聲使功率測量結果出現偏差，并掩蓋了低電平信號時，非相干偵測可能會導致系統無法分離信號與噪聲。在這種情況下，需要一個正值的 SNR 以增加使用非相干偵測的偵測幾率。另一方面，與非相干方法相比，使用相干偵測技術的射頻傳感器網絡結合多個接收機所捕獲的信號，可以顯著提高偵測幾率。一種相干處理方法使用了互相關功能。在這種情況中，來自兩個單獨傳感器的同一發射信號的測量結果是互相關的，導致獨立噪聲特征受到抑制。在長互相關時間的理論極限中，接收機和環境噪聲不是問題，接收機的性能(包括其噪聲系數)對系統偵測性能的影響變得更小。即使當信號持續時間很短時，使用多個傳感器的相干偵測也比非相干偵測方案更具優勢。

作為使用非相干偵測的接收機與使用相干偵測的網絡系統在偵測幾率方面的比較，圖 7 顯示了使用傳統技術與互相關技術的三個射頻傳感器的偵測幾率等高線圖。在該圖中，藍色區域是偵測1.6GHz信號(發射功率為300 mW、帶寬為200 kHz)的幾率達到或超過80%的區域。紅色陰影區域是偵測幾率低于20%的區域。

如圖a所示，獨立監測信號電平的傳感器只在非常小的區域內具有較高的偵測幾率。對于這個傳統的非相干方案，偵測性能受到接收機性能和鄰近增益的限制。

對于另一種方案，圖b顯示了使用相同測量、但是現在進行了相干的相同傳感器的偵測幾率性能。如圖所示，與使用傳統方法相比，高偵測幾率區域有了顯著增加。使用傳感器網絡偵測信號的方法使您可以采用低成本的接收機或射頻傳感器，這種方法可以提供"恰好夠用"的性能，同時又能提供可以擴展和遠程管理的系統。

射頻傳感器方法的另一個好處是有可能定位周圍環境中的發射機。尋找室內和/或室外無線發射機所在位置的應用有許多，包括搜索和救援、跟蹤貴重設備、尋找違法的或干擾發射機的活動等等。業界已經開發出許多不同的技術來定位無線發射機，包括接收信號強度(RSS)、到達角(AOA)、到達時間(TOA)和到達時間差(TDOA)。這些方法大多需要從三個或更多個獨立位置進行測量。無論測量涉及的是功率電平、飛行時間還是其他一些參數或這些參數的組合，發射機的地理位置通常都是由接收信號的數學三角關系決定的。使用射頻傳感器網絡測量的信號的相干處理過程非常適用于進行地理定位。對于這種應用，前面討論的互相關屬性也可以導致傳感器對之間出現到達時間差。利用三對或更多對射頻傳感器之間的TDOA，可以根據傳感器的位置，通過三角函數計算出未知發射機的位置。例如，圖8顯示了兩對傳感器之間的互相關測量結果。在該圖中，從傳感器1和傳感器2獲得的測量結果之間的互相關以藍色顯示，傳感器2和傳感器3之間的互相關以黃色顯示。圖中沒有顯示傳感器1和3之間的相關，但這種相關對確定發射機位置必不可少。互相關中的峰值與在相關接收機對上測得的信號之間的相對時間相符。本圖中的所有相關測量結果都是來自一個發射寬帶 CDMA 信號的發射機。使用互相關響應中的峰值之間的時間差，可以計算出發射機的位置。在此例中，1-2和2-3相關峰值之間的時間差Δt大約等于10微秒。使用1-2/1-3和2-3/1-3傳感器對的峰值時間差，可以通過三角函數計算出發射機的位置。應該知道，使用更多的傳感器可以顯著改 善地理定位精度，特別是在路徑較多的環境中。

圖7 使用非相干偵測方案

和相干偵測方案的偵測幾率

圖8 多個射頻傳感器之間的互相關響應

掃描調諧接收機(頻譜儀)

?大的頻率范圍內快速掃描
?窄的頻率范圍掃描慢
?單臺儀器

單信道測試接收機

?窄的頻率范圍內快速掃描
?系統帶寬與被測信號相當

寬帶測試接收機 (偵測系統)

?大的頻率范圍內快速掃描
?窄的頻率范圍內快速掃描
?系統帶寬大于被測信號帶寬
?對持續時間短的信號獲得高POI

以上是信號監測的基本概念，射頻頻譜的信號監測與頻率管理所采用的技術、目標和發展趨勢，并掌握一些新監測技術，它們采用低成本、分布式的射頻傳感器，可以改善監測系統的偵測能力。最后，還介紹了一種確定無線發射機地理位置的方法。