梁　驍，羅士偉

（國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，哈爾濱　150010）

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美國車載式頻譜測量系統(tǒng)研究

梁驍，羅士偉

（國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，哈爾濱150010）

摘要：美國車載式頻譜測量系統(tǒng)（RSMS）是世界上具有代表性的無線電監(jiān)測車產(chǎn)品之一，本文將對其主要技術(shù)性能與應(yīng)用進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：RSMS；技術(shù)性能；應(yīng)用

1　引言

無線電監(jiān)測車是無線電管理工作中重要的技術(shù)手段，美國在這方面的研發(fā)工作起步很早，發(fā)展到今天已形成具有世界先進(jìn)水平的一套完整、成熟的產(chǎn)品體系，即車載式無線電頻譜測量系統(tǒng)（Radio Spectrum Measurement System，RSMS）。國家電信和信息管理局（NTIA）是美國重要的無線電監(jiān)管機(jī)構(gòu)，也是RSMS的研發(fā)與使用單位。下面將對NTIA的基本情況以及RSMS的搭載平臺、系統(tǒng)布局、設(shè)備配置、監(jiān)測能力、實(shí)際應(yīng)用等要點(diǎn)進(jìn)行研究和介紹。

2　NTIA簡介

國家電信與信息管理局（NTIA）成立于1978年，隸屬于美國商務(wù)部，主要負(fù)責(zé)美國聯(lián)邦政府的電信管理工作，其部分職責(zé)是建立并完善頻譜應(yīng)用相關(guān)政策，并為不同機(jī)構(gòu)和部門提供指導(dǎo)以確保他們的電信活動符合這些政策[1]。NTIA收集聯(lián)邦政府的無線電頻譜數(shù)據(jù)，用來支持以下方面的頻譜分析工作：頻譜資源評估，電磁兼容分析，涉及政府無線電系統(tǒng)的干擾解決以及聯(lián)邦政府使用的新無線電系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)審等。針對上述監(jiān)管職責(zé)和工作需求，NTIA下屬的電信科學(xué)研究院（ITS）研發(fā)了車載式無線電頻譜測量系統(tǒng)（RSMS），并利用其開展無線電監(jiān)測工作。

NTIA的無線電監(jiān)測工作主要由下屬的頻譜管理辦公室（OSM）和ITS承擔(dān)。其中，OSM主要負(fù)責(zé)管理美國聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)的無線電頻譜使用；ITS是NTIA的設(shè)計(jì)研發(fā)與項(xiàng)目建設(shè)中心，RSMS的行政管理權(quán)歸其所有[2]。上述兩個(gè)機(jī)構(gòu)在無線電監(jiān)測方面一直開展著卓有成效的合作，雙方通過磋商來安排具體的監(jiān)測工作。ITS負(fù)責(zé)實(shí)際監(jiān)測操作，為OSM提供測量數(shù)據(jù)；OSM則依靠這些數(shù)據(jù)對政府部門使用的無線電系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測和長期監(jiān)督，并對頻譜使用情況進(jìn)行分析。

3　RSMS研究與介紹

3.1RSMS承擔(dān)的職責(zé)與任務(wù)

RSMS作為NTIA重要的無線電監(jiān)測工具，負(fù)責(zé)為聯(lián)邦頻譜管理者、國會及行政部門提供無線電頻譜數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析結(jié)果和相關(guān)報(bào)告[3]。RSMS承擔(dān)的具體任務(wù)是：

⊙ 通過對30MHz-20GHz頻段進(jìn)行寬帶頻譜測量，來監(jiān)測美國無線電頻譜的使用情況。

⊙ 對獨(dú)立發(fā)射器（包括雷達(dá)、通信鏈路、導(dǎo)航發(fā)射器等）的無線電發(fā)射特征進(jìn)行測量，以確保其遵守監(jiān)管規(guī)則。

⊙ 測量政府用戶與非政府用戶的發(fā)射器（接收器）之間的電磁兼容情況。OSM依據(jù)測量結(jié)果開展頻譜劃分工作，以提高頻譜利用率、降低未來發(fā)生無線電干擾的幾率。

⊙ 解決涉及到聯(lián)邦政府無線電系統(tǒng)的無線電干擾問題。

3.2RSMS介紹

RSMS是獨(dú)立的、由計(jì)算機(jī)控制的可移動無線電接收系統(tǒng)。NTIA當(dāng)前使用的RSMS為第三代產(chǎn)品，稱為RSMS-3，具備先進(jìn)的頻譜測量與分析能力，主要測量頻段為30MHz-20GHz，典型的現(xiàn)場測量工作頻段為100MHz-18GHz。RSMS可在全自動、半自動、全手動的工作模式下對以下無線電發(fā)射器所發(fā)射的信號進(jìn)行測量和分析：大功率雷達(dá)、移動無線電臺及其基站、導(dǎo)航信標(biāo)及轉(zhuǎn)發(fā)器、點(diǎn)對點(diǎn)微波通信鏈路、地球站發(fā)射機(jī)、低功率發(fā)射設(shè)備等[4]。

（1）測量系統(tǒng)的搭載平臺。為了能夠在不同地理環(huán)境下開展現(xiàn)場監(jiān)測，ITS將測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輕巧、便攜，以便于將其裝載在高性能雪佛蘭卡車上；若有遠(yuǎn)距離快速部署需求，則可用運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送RSMS。如圖1所示。

圖1 RSMS

（2）內(nèi)部布局。如圖2所示，在車輛后軸部位，橫向設(shè)置了四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)高度的設(shè)備機(jī)柜，這些機(jī)柜將箱狀設(shè)備艙分成前后兩部分。前部為工作區(qū)域，監(jiān)測者可在這里操作設(shè)備；而后部區(qū)域則提供了面向機(jī)柜背面的通道；機(jī)柜下部設(shè)有用來保存機(jī)密資料的保險(xiǎn)柜；車廂內(nèi)裝有兩個(gè)伸縮式天線桿，并由一臺發(fā)電機(jī)和兩個(gè)空調(diào)來平衡大天線桿所在那側(cè)的重量；車廂內(nèi)的測量隔間十分密閉且沒有窗戶，與外界隔離的獨(dú)立空間為監(jiān)測系統(tǒng)提供了良好的無線電頻譜測量環(huán)境；可伸縮的天線桿能將天線升到離地面八米多的高度。這些設(shè)計(jì)保證了RSMS具備良好的信號接收與測量能力。

（3）系統(tǒng)配置。RSMS裝配了兩套獨(dú)立的頻譜測量系統(tǒng)（見圖3中的左右兩列機(jī)柜），分別適用于測量頻譜的高頻及低頻部分。高頻系統(tǒng)用于測量1GHz-19.7GHz，天線的射頻前端位于大天線桿頂部。測量時(shí)，天線會從裝在車廂后部的大天線桿上升起，射頻前端會起到減少過載線路損耗的作用；低頻系統(tǒng)工作在100MHz-1GHz，天線的射頻前端位于操作室內(nèi)。在進(jìn)行頻譜測量時(shí)，天線會從裝在車廂前部的天線桿上升起。

圖2 RSMS結(jié)構(gòu)圖

圖3 RSMS的設(shè)備機(jī)柜

圖4 RSMS現(xiàn)場測量情景

兩套系統(tǒng)使用獨(dú)立的天線、射頻前端、天線桿、頻譜儀和計(jì)算機(jī)，但共同使用進(jìn)行特殊監(jiān)測、分析和檢修的輔助設(shè)備。輔助設(shè)備包含脈沖序列分析儀、調(diào)制解調(diào)器、調(diào)制域分析儀、旋轉(zhuǎn)控制器、信號發(fā)生器、電源、低噪聲放大器等。

（4）天線配置。全向天線和斜極化雙錐天線是RSMS進(jìn)行現(xiàn)場測量時(shí)最常用的，這些天線可對不同的信號極化方式作出良好響應(yīng)。

RSMS配備了測量0.1-1GHz斜極化對數(shù)周期天線，以及測量0.5-20GHz，1-12GHz，2-8GHz，8-20GHz的全向斜極化雙錐天線。RSMS通常還攜帶一副覆蓋0.1GHz-20GHz的寬帶天線作為補(bǔ)充。除對數(shù)周期天線和全向天線外，RSMS也裝備了多種寬帶背腔螺旋天線，覆蓋頻段范圍分別為1-12GHz，8-18GHz，0.4-2GHz。這些天線適用于測向，也可用作現(xiàn)場測量的輔助天線。圖4為RSMS在洛杉磯進(jìn)行現(xiàn)場測量時(shí)的場景，從中可以看到一些天線。

（5）操作軟件DA。ITS專為RSMS研發(fā)了名為“數(shù)據(jù)捕獲”的操作軟件，英文簡稱DA（Data Acquisition）。該軟件有四個(gè)子程序，分別為接收機(jī)算法子程序、頻譜分析子程序、射頻前端子程序和核準(zhǔn)子程序，監(jiān)測者通過它們來控制測量系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

（6）常用測量算法。由于發(fā)射器的特性十分多樣，人們對相關(guān)數(shù)據(jù)的需求又很大，因此，ITS有針對性的研發(fā)出許多不同類型的測量算法。將這些測量算法與DA子程序結(jié)合起來，就可組成不同的測量系統(tǒng)。不過，由于所有的算法都基于對感興趣頻段進(jìn)行掃描或者對頻譜進(jìn)行一系列的離散步進(jìn)測量，故而可將算法分為掃描算法和步進(jìn)算法。

在頻譜測量中，掃描算法通常用來測量高性能連續(xù)發(fā)射機(jī)對頻段的占用情況，如移動無線電臺和電視發(fā)射機(jī)；步進(jìn)算法則用來測量小功率發(fā)射機(jī)對頻段的占用情況，如無線電定位設(shè)備等。

3.3RSMS應(yīng)用實(shí)例

ITS使用RSMS在美國多地開展過現(xiàn)場測量（寬帶頻譜測量）工作[5]。現(xiàn)場測量的目的是摸清目標(biāo)地區(qū)內(nèi)感興趣頻段的頻譜利用情況。監(jiān)測者需根據(jù)所測頻段的特點(diǎn)設(shè)置好監(jiān)測系統(tǒng)的各項(xiàng)配置，選擇合適的測量算法。測量獲得的數(shù)據(jù)主要用于分析頻譜占用情況，找到那些未被占用的頻段以及分析外部噪聲與熱噪聲對測量的影響。RSMS通常要在一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行為期兩周的測試，才能得到充分的數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)會在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行每天24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測。

圖5 RSMS現(xiàn)場測量138-162MHz頻段結(jié)果

圖5為138MHz-162MHz頻率占用度測量結(jié)果。圖中三條線分別標(biāo)記了每個(gè)截收信號的最大、最小和平均電平值的情況，圖上紅框里則標(biāo)注了監(jiān)測頻段所對應(yīng)的業(yè)務(wù)類型：軍用陸地移動無線電業(yè)務(wù)、業(yè)余業(yè)務(wù)和商業(yè)陸地移動無線電業(yè)務(wù)。

圖6為902MHz-928MHz測量結(jié)果，由于測量對象為軍用雷達(dá)，因此監(jiān)測者選擇步進(jìn)算法進(jìn)行測量，并輔以正波峰檢波器。

圖6 RSMS現(xiàn)場測量902MHz-928MHz頻段結(jié)果

圖7為2300MHz-2500MHz測量結(jié)果，由于測量對象為微波發(fā)射器，因此監(jiān)測者選擇掃描算法，并使用了最大保持檢波器。

圖7 RSMS現(xiàn)場測量2300MHz-2500MHz頻段結(jié)果

圖8 RSMS現(xiàn)場測量2500MHz-2700MHz頻段

圖8為2500MHz-2700MHz測量結(jié)果。針對該頻段業(yè)務(wù)（多路微波分配業(yè)務(wù)、教育電視固定服務(wù)、個(gè)人點(diǎn)對點(diǎn)通信業(yè)務(wù)）特點(diǎn)，監(jiān)測者使用高增益拋物面天線并結(jié)合掃描算法進(jìn)行測量，同時(shí)使用了最大保持檢波器。圖中藍(lán)色線條表示了天線在360度旋轉(zhuǎn)時(shí)測量系統(tǒng)所截收信號的最大電平值。

通過上述圖示可看出RSMS具備比較強(qiáng)大的監(jiān)測能力，此外，RSMS也能執(zhí)行其他測量任務(wù)。

（1）測量擴(kuò)展發(fā)射頻譜。測量獨(dú)立發(fā)射機(jī)（尤其是雷達(dá)）的輻射和發(fā)射頻譜，是RSMS的一大強(qiáng)項(xiàng)。高靈敏度與交互式射頻前端衰減的結(jié)合，讓RSMS能夠在幾千兆赫茲的頻段范圍內(nèi)對無線電發(fā)射機(jī)的頻譜進(jìn)行常規(guī)測量。

（2）方向掃描。這種特殊的測量程序用于判斷在特定位置上，所測量信號（包括那些通過非常規(guī)途徑傳輸?shù)男盘枺┑目山邮涨闆r。測量時(shí)，RSMS拋物面天線會在地平線上360度旋轉(zhuǎn)并記錄下所接收的信號強(qiáng)度。這些數(shù)據(jù)形式的結(jié)果表明了在所有方向上信號的可接收程度，并可描繪出任何存在的視距傳輸外的傳播路徑。

（3）測量發(fā)射機(jī)的性能。RSMS能夠測量和記錄多種發(fā)射機(jī)所發(fā)信號的特征。測量中，可將某個(gè)接收到的信號挑出來，對其監(jiān)測并進(jìn)行細(xì)節(jié)分析。這些特殊的測量和分析可用于判斷已知發(fā)射源的空間輻射特性或用來確認(rèn)未知發(fā)射源。可測得的發(fā)射機(jī)特性包含：調(diào)諧頻率、波束掃描方式、波束掃描間隔、輻射天線模式、調(diào)制類型、脈沖寬帶、脈沖重復(fù)速率、脈沖抖動、脈沖交錯(cuò)和脈沖間隔調(diào)制。

3.4RSMS未來發(fā)展

隨著無線電技術(shù)的快速發(fā)展，NTIA對RSMS無線電監(jiān)測能力的要求也不斷提高。為了給聯(lián)邦政府提供在頻譜管理、使用評估和無線電干擾解決等方面更直接、更有效的支撐，ITS正在實(shí)施第四代RSMS項(xiàng)目，即RSMS-4（如圖9所示），它裝備了更先進(jìn)的設(shè)備、采用了更先進(jìn)的測量技術(shù)，具備更強(qiáng)的分析能力。RSMS-4擁有新的寬帶頻譜測量與校準(zhǔn)功能，可對新出現(xiàn)的無線電技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測評估。同時(shí)，也加強(qiáng)了信號識別、發(fā)射源測向、遠(yuǎn)程控制等功能。

RSMS-4的投入使用將會增強(qiáng)美國聯(lián)邦政府在更寬頻段、更高頻率相關(guān)監(jiān)測方面的技術(shù)能力。同時(shí)，由于所使用的商業(yè)化專業(yè)測量設(shè)備可通過計(jì)算機(jī)接口進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程配置，因此，新測量功能將會更容易滿足用戶的測量需求。另外，車載電源系統(tǒng)會更安靜，測量系統(tǒng)所處環(huán)境將更適合開展監(jiān)測工作，尤其是對小信號進(jìn)行測量。

圖9 RSMS-4

4　結(jié)束語

根據(jù)上文的研究和介紹，可將RSMS的發(fā)展特點(diǎn)總結(jié)如下：經(jīng)過長期的積累和改進(jìn)，RSMS各方面的測量功能都比較完善，能夠較好的滿足美國無線電監(jiān)測需求；NTIA不但擁有獨(dú)立研制RSMS的能力，而且能夠?yàn)檐囕d系統(tǒng)開發(fā)相應(yīng)的操作控制軟件，可見其技術(shù)能力相當(dāng)完備、強(qiáng)大；在RSMS的未來發(fā)展上，NTIA有著非常清晰的思路，其緊緊抓住了美國所面臨的無線電監(jiān)測挑戰(zhàn)，做到了應(yīng)用與預(yù)研的緊密銜接和深度結(jié)合。上述內(nèi)容值得我國無線電管理部門思考和借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]NTIA官方網(wǎng)站：http://www.ntia.doc.gov/offices,2015.10.11

[2]NTIA官方網(wǎng)站：http://www.ntia.doc.gov/category/institute-telecommu nication-sciences

[3]ITS官方網(wǎng)站：http://www.its.bldrdoc.gov/programs/rsms/rsms-home.aspx

[4]NTIA官方文檔，Radio Spectrum Measurement System,Appendix A

[5]Frank Sanders,Broadband Spectrum Survey Measurenments:Approachers and Results,For the International Symposium on,Advanced Radio Technologies,2008

The Study about RSMS

Liang Xiao,Luo Shiwei
(Harbin Station of the State Radio Monitoring Center,Harbin,150010)

Abstract:RSMS is a representative radio monitoring vehicle in the world,this article introduces its technical performance and practical application.

Keywords:RSMS;technical performance;practical application

作者簡介：梁驍，2009年入職國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，從事無線電監(jiān)測工作。羅士偉，2012年入職國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，從事無線電監(jiān)測工作。

中圖分類號：TN98文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A文章編碼：1672-7274（2016）03-0062-05

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.03.018