监测站的测量

1、无线电监测站的测量 李潇珂 重庆市万州无线电监测站 2010年3月 频谱监测的目的 协助解决电磁干扰，使各种无线电业务和 台站间能够相互兼容共存； 协助确保公众广播和电视信号达到可以接 受的接收质量； 为主管部门的频谱管理工作提供有价值的 监测数据； 为上级无线电管理机构的各种工作提供有 价值的监测信息。 1 监测站的主要任务 监测电磁环境情况，使之符合目前的频率指 配现状； 频段的观测和频谱占用度的测量； 调查电磁干扰的案例； 识别非法干扰源并停止其发射。 2 监测站的其他任务 在诸如重大运动会和国家领导访问之类的特 殊场合承担无线电安全保障工作； 无线电覆盖范围的测量； 无线电兼容性和电磁

2、兼容的研究； 科学和技术研究。 3 监测站的测量任务 频率测量 场强和功率通量密度测量 频谱占用度的测量 带宽的测量 调制的测量 测向 识别 信号分析 4 一、频率测量 监测站进行的所有频率测量均为远程测量， 必须借助于接收机才能完成。 频率测量通常是指在一个未知频率与一个已 知频率（参考频率）之间进行比较处理。 精确频率测量的用途台站指纹识别 1、概述 2、指纹特征提取 3、指纹识别方法 5 6 1、概述 电台指纹识别技术由设计和实现组成 设计是指用一定数量的样本 ( 训练集 ) 进行分类 器设计 实现是指用设计的分类器对待识别的样本进行分 类决策 信息获取预处理特征提取和选择分类器设计 分

3、类决策 7 2、电台指纹特征提取 目的 找到特征集中表征显著类别差异的信息 缩小数据集， 提高识别效率， 减少计算 原则 单调关系：判决取最大值时错误概率最小 可加性：特征独立可加 度量特性：特征一一对应 8 信号技术特征的分布“域” 频域特征：信号的工作频率、信号带宽、频谱结构等 时域特征：信号的波形特征、数字信号的码元速率等 空域特征：信号来波的方位、电波的极化和信号电平 调制域特征：信号的调制特征 信号的细微特征 信号载频的精确度 发射台的杂散输出 信号调制参数的差异 话音信号的语音特征 9 3、指纹识别方法 特征参数值域判别法 根据信号参数的值域范围进行模式识别 信号模本匹配识别法 与

4、模本库中的模本进行对比匹配识别 信号指纹识别分类器 根据分类算法进行统计模式识别 常用算法：基于决策理论神经网络分类器 新课题：组合分类器 10 频率测量的方法 传统方法 拍频法 偏置频率法 直接李沙育法 频率计数器法 鉴频器法 相位记录法 扫描频谱分析仪法 基于DSP(数字信号处理器)的方法 瞬时频率测量法 FFT法 10 保证频率测量精度的方法 测量应该在最佳的接收条件下进行，不因衰落和干扰引入新 的变化； 信号的发射类型不同，频率测量误差可能不同，所以必须确 定信号的发射类型； 由于每次测量会有不同的误差，因此对结果要进行统计处理； 获得的结果应指明测量误差。 11 频率测量中的频率标准

5、源 温度补偿晶体振荡器 以原子钟作为频率标准源 以GPS锁定的晶振作为频率标准源 温度补偿 晶体振荡器 GPS控制 晶体振荡器 铷原子 频率标准 短期不稳定度 110-9510-12210-12 长期不稳定度 210-6110-12110-11 常用频率标准的典型特性 12 二、场强和功率通量密度的测量 确定无线电信号的强度是否合适，并确定给 定业务发射源（例如发射机）的效率； 确定给定的无线电发射的干扰影响（电磁兼 容）； 对有电磁能量辐射的设备，确定其无意发射 产生的干扰影响，并评估抑制措施的有效性； 测量传播现象，以研究和验证传播模型。 13 场强的测量方式 固定点上的测量固定点上的测量

6、 测量期间改变测量天线的高度和方向，以读取 并记录最大场强。 沿路径的测量沿路径的测量 必要的测量点数目和平均间隔 测试点的采样应在40的平均区间内以0.8 （波长）的间隔进行选择（即在40内有50个测量 值）。 GPS系统，电子地图。 14 场强测量中应注意的问题 应使用天线系数已知的天线测量场强； 如果所测信号的发射带宽比场强仪的带宽还 宽的话，则必须考虑场强仪有限带宽对接收 信号实际场强读数的影响； 应在不同高度上对所感兴趣的信号进行场强 测量； 使用强方向性天线进行场强测量时，信号源 的大致传播方向上应该没有遮挡； 测量装置的校准。 15 三、频谱占用度的测量 频谱占用度的测量对于频谱

7、管理工作来说是一种 很有价值的工具。 这些数据可以用于找出特定频带内的空白频段， 并避免在使用繁重的频带内增加更多的指配。 这类数据还可以用于及时发现在未指配的信道内 出现的信号，或已指配的频率没有被使用的情况。 占用度的统计值，可以反映同一地区同一频段内 频率使用的变化趋势。 当现有频段太拥挤时，这些信息还可以帮助预测 和规划额外频段中的频率指配。 16 频道占用度 在给定时间段内，对某一给定频道的信号 电平进行M次测量，如果其中有N次测量值 超过给定门限值，则该频道在这个给定时 间段内的占用度就是N与M之比，即： 频道占用度 = 100 % 17 18 0.00 10.00 20.00 3

8、0.00 40.00 50.00 60.00 70.00 78.61 占用度 % 2010-3-18 10:30:00 0:00:00 2010-3-19 13:30:00 时间 频率: 2140.400000 M Hz 测试参数: Level 增益: 34.0 dBV/m 频段占用度 频段占用度是指在对监测频段的一次扫描 过程中，超过给定门限值的抽样点数N与该 频段中所有的抽样点数M之比，即： 频段占用度 = 100 % 19 20 频谱占用度数据 频谱占用度数据的采集是建立在自动化的基 础上的，通过计算机控制扫描接收机来完成 数据采集工作。 应做好数据与存储空间之间的折衷选择，通 常每5分

9、钟将占用度数据保存一次。 应注明占用度数据的条件：测量时间段、地 点、门限值。 21 频谱占用度测试系统的实现 数据的采集 采集被测频段中每个抽样点的电平值 5（或1）分钟存储一次电平值 不计算占用度 特点 数据量大 可恢复每5 （或1）分钟的频谱图 除可得到占用度数据外，还可得到电磁环 境、背景噪声、信号频谱等其他数据。 22 占用度的计算 频段占用度的计算 根据被测频段中某一祯的电平数据，估算出 该频段的背景噪声曲线，从而确定计算该频段占 用度的门限曲线。 按定义计算出该频段每分钟的占用度值，从 而形成不同时间单元的占用度统计图。 频点占用度的计算 根据占用度统计时间段中，该频点的所有电

10、平数据，确定该频点在占用度统计时间段中的背 景噪声曲线，从而确定计算占用度的门限曲线。 按定义计算出该频点在该时间段中的占用度 值。 23 监测频段:108137MHz 24 监测频段:108137MHz 25 26 监测频段:108137MHz 26 27 频率占用度测量中频率占用度测量中 信号门限电平的设置方法信号门限电平的设置方法 门限电平的设置直接影响无线电频率占用度 的测量结果。 如何确定门限电平没有一套完整的理论。 运用信号检测理论，对门限电平的设置方法 进行分析和探讨。 28 1、信号和噪声概率密度分布信号和噪声概率密度分布 无线电噪声服从高斯分布，其幅度包络服从 瑞利分布。 空

11、中的无线电信号根据传播环境的不同，其 幅度包络分别服从瑞利分布或莱斯分布。 当存在多径时，非视距传播的无线电信号振 幅叠加的结果是信号服从高斯分布，而信号 包络服从瑞利分布。 当随机信号中含有一个不变的分量时，其包 络分布服从莱斯分布。 29 高斯分布 其随机变量X的概率密度函数由下式表达： 这里：和 都是常数，分别为随机变量X的均值和 方差。即 (sigma ) 一般情况下均值为零， 就是高斯随机信号的平 均功率。 2 2 () 2 2 1 ( ) 2 x fxex 2 E x 2 Var x 2 30 瑞利分布 数学表达式为： 设定 是高斯随机变量v(t)的方差，则其振幅a(t)的 均值和

12、方差分别为： 信号的平均功率为： 2 2 2 2 0 () 00 x x ex fx x 2 Ex 2(2 ) 2 Var x 2 222 ( )( )( ) 2E xE xVar x 31 莱斯分布 数学表达式如下： 这里： 表示修正的零阶贝塞尔函数； 是噪声的平均功率； (rou)为常数，表示为信号与噪声的功率比。 =0时，莱斯分布退化为瑞利分布。 22 2 2 0 22 ()0 ( ) 00 x xx eIx f x x 0( ) I x 2 32 2、信号检测理论 接收机噪声和空中的无线电信号都是随机信号，其 噪声或信号强度是随着时间变化的，我们借用信号 检测理论展开研究。 假定接收机

13、测量得到一个随机的电平结果，它可能 包含信 号，也可能只有噪声不包含信号。分别假 定其状态分别为H0和H1，其数学表达式为： 由于两者必居其一，所以： 和 分别表示事件H0和H1发生的概率。 0 1 H H ：r(t)=s(t)+n(t) ：r(t)=n(t) 01 ()()1P HP H 0 ()P H 1 ()P H 33 重要概念虚警概率、漏警概率和检测概率 虚警概率是指实际信号不存在，而判决结果却存在 信号而导致发生错误判断的概率，这里我们用 表示。通常是根据已知的噪声概率密度函数，根据 门限电平来计算虚警概率。 检测概率是指在信号存在条件下，能正确判断信号 存在的概率，用 表示。 漏

14、警概率是指信号存在，判决结果不存在而导致的 错误概率，用 来表示。 检测概率+漏警概率=1 10 (|)P D H 11 (|)PD H 01 ()P D H 34 图示为漏警概率、虚警概率和检测概率之间的关系。 35 3、门限电平设定原则 门限电平是由虚警概率和检测概率决定的，主 要由虚警概率决定。如果门限电平升高，则 虚警概率和检测概率均降低。通过调整门限 电平的值可以改变虚警概率和检测概率，我 们可以在两者之间实现最佳选择。 36 门限电平与虚警概率的关系 假定信号的门限电平为y，则虚警概率为 设 ，根据Matlab仿真得到 （epsilon）和虚警 概 率之间的关系如下图所示。 2 2

15、 2 2 10 22 ()( )exp() 2 x yy xy P D Hf x dxedx 2 2 2 y 37 （图）门限电平和虚警概率的关系 我们可以看出，门限电平设置越大，虚警概率越小。 38 不同信噪比下虚警概率和检测概率的关系 瑞利分布 虚警概率的计算公式为 检测概率的计算公式为 由上述两式我们可以推导出： 2 2 2 10 2 ()( ) n x n nyy x P D Hfx dxedx 2 22 2() 11 22 ()( ) ns x n s nsyy x P D Hfx dxedx 22 exp(/2 ) n y 222 exp(/2() ns y 39 根据 ，将式子进

16、行合并整理，我们可以得出 之间的函数关系为： 2 2 s n SNR ,SNR 2 1 1 SNR 40 SNR与检测概率的关系 上图表明，随着信噪比的增大，检测概率也随之增加。 41 莱斯分布 虚警概率的计算公式为 检测概率的计算公式为 这里： 为外界噪声平均功率； 为信号中的噪声平均功率； 为信噪比， 。 2 2 2 10 2 ()( ) n x n nyy x P D Pfx dxedx 22 22 2() 110 2222 ()( )() sn x n s snsnyy xx P D Pfx dxeIdx 2 n 2 s 22 ns s 42 经过化简得到 之间的函数关系为： 其中，c

17、为常数。 经Matlab仿真得到不同信噪比下，虚警概率与检测 概率 的关系。 133 442 1 ln 111 1.(ln) .() .1 2 () 22 cQSNR SNR , 43 可见，检测概率是虚警概率和信噪比的函数。随着信噪比的 升高，虚警概率逐渐减小，检测概率逐渐增加。 44 结 论 信号门限电平与虚警概率和检测概率有着密 切的数学关系。门限电平增加，虚警概率越 小，检测概率也会变小，对应的漏警概率变 大，给测量带来误差。我们可以在两者之间 做出最优选择。 45 当门限电平为噪声平均电平时，虚警概率为 当门限电平比噪声平均电平高5dB时，也就是说门 限电平值是噪声平均电平的 倍,虚

18、警概率为 2 2 2 2 10 22 22 ()( )exp()45.6% 4 x x P D Hf x dxedx 2 2 2 2 10 22 1.581.58 1.58 ()( )exp()8.36% 2 x x P D Hf x dxedx 3.16 46 当门限电平为噪声平均功率电平时，虚警概率为 的当门限电平比噪声平均功率电平高5dB时，也就是说门限 电平值是噪声平均功率电平的3.16倍，虚警概率为 2 22 2 2 10 22 22 12 ()( )exp()36.8% 22 x P D Hf x dxedx 2 22 2 2 10 22 6.326.32 16.32 ()( )e

19、xp()4.24% 22 x P D Hf x dxedx 四、带宽的测量 占用带宽：指这样一种带宽，发射信号在此 频带的下限之下和频带的上限之上的平均功 率分别等于该发射信号的总平均功率的规定 百分数 /2 。 /2值一般取0.5。 “x-dB”带宽：指频带的宽度使得在其上限 和下限之外任何离散频谱分量或连续频谱功 率密度至少比预先设定的参考电平低 x dB， 一般 x=26 。 47 带宽的测量方法 现代的测量/监测接收机都是建立在数字信号 处理技术的基础上的，因此使用该技术能够 以%或“x-dB”方法确定带宽。 %方法可以允许带宽测量独立于信号的调制。 因此它应该是较好的方法。 在干扰案

20、例中，“x-dB”的值可能更有用。 48 五、调制的测量 模拟调制 调幅：调制深度 m(%)= 调频：调频指数 数字调制 ASK、FSK、PSK fmax fm = = 100% 49 调制的测量 模拟调制使用调制分析仪 数字调制使用DSP处理或I/Q解调器 50 六、测 向 现代测向技术大致分为三类： 幅度测向 相位测向 幅度相位相关矢量测向和超分辨率测向 到达时间差TDOA测向 51 测向机的主要测向指标 测向精度 在四周无障碍物的环境中，典型测向精度值可以达到 1；而在城市杂乱的环境中，则可恶化到约10。 测向灵敏度 在良好接收条件下，可以扩大测向机的覆盖范围； 在不好的接收条件下，仍能

21、可靠测向。 抗波前失真性能 建议采用测向天线直径D相对于信号波长较大的测向 天线，以减小由于失真电磁场引起的测向误差。 响应时间 测向系统应该能够检测持续时间为10ms或更短的信号。 52 53 TDOA基本原理及应用基本原理及应用 TDOA概念概念 TDOA定位定位基本原理基本原理 TDOA关键技术关键技术 TDOA定位优点定位优点 DOA与与TDOA的比较的比较 无线电监测应用无线电监测应用 54 1、 TDOA概念概念 Time Difference Of Arrival TDOA 到达时间差到达时间差 距离差距离差=时间差时间差电磁波速度电磁波速度 55 2、TDOA定位基本原理定位基

22、本原理 基本原理基本原理: 通过测量无线电信号到达不同监测地点通过测量无线电信号到达不同监测地点 的天线单元时间差，来对发射无线电信号的的天线单元时间差，来对发射无线电信号的 发射源进行定位。发射源进行定位。 注意：注意：TDOA定位不是定位不是TDOA测向测向 56 TDOA定位流程定位流程 从监测站将同一时间测量同一信号得到的数从监测站将同一时间测量同一信号得到的数 据发送至主监测站据发送至主监测站 主监测站分别计算出无线电信号到达两个监主监测站分别计算出无线电信号到达两个监 测站天线的时间差（利用相关算法）测站天线的时间差（利用相关算法） 根据两站之间时间差转换为距离差，可以得根据两站之

23、间时间差转换为距离差，可以得 到一条双曲线；到一条双曲线； 通过三个或多个无线电监测站测得的时间差通过三个或多个无线电监测站测得的时间差 可以得到两条或多条双曲线相交来实现对发可以得到两条或多条双曲线相交来实现对发 射源的定位射源的定位 57 3、 TDOA关键技术关键技术 监测站高精度同步监测站高精度同步 实现方式： GPS、有线或无线方式 TDOA获取获取 方法：相关函数法 、广义相关法、相位谱法、 高阶累计量法等。 误误 差差 量量 级级 时差误时差误 差差 距离误距离误 差差 1ns0.3m 1300m 58 相关函数法相关函数法 基本原理基本原理： 通过计算两个监测站同时接收到的信号

24、的相关 函数，来得到信号到达两个天线时间差。 假定：同一时刻，天线1接收到的信号为x1 ，天线2 接收到的信号为x2，考虑到接收机的噪声n1、n2， 则： 为信号到达两个天线时间差，A为两个信号的幅度 比。 59 计算这两个信号的相关函数,得到： 假定信号与噪声之间互不相关 因此得到： 当t=时，相关函数Rx12为最大值 因此通过求Rx12的最大值就可以求得时间差。 121 2 x12sssnsnn n ( t)A R ( t)A R( t)R( t)R( t)R 0 60 4、 TDOA定位优点定位优点 系统简单系统简单 节省投资节省投资 u天线为监测天线 没有复杂的测向天线阵 u升级扩展方

25、便 监测系统仅需增加同步设备和数字信号处理设备 u环境兼容性好 对周围环境的要求宽松，具有一定得抗多径能力 定位精度高定位精度高 u 基线长度不受限制，使用长基线避免天线间互耦影响，使定位精 度提高；不存在相位模糊问题 u信号带宽越宽，时间测量精度越高。尤其适用于宽带低功率谱信号。 61 实验结果实验结果 对于带宽大于10KHz的无线电信号，时 间测量误差为100ns。 （距离误差为30m） 62 5、 DOA与与TDOA的比较的比较 所需监测站数量 监测站配置的复杂度 定位精度和灵敏度 结论 63 所需监测站数量所需监测站数量 由此可知 : TDOA至少需要3个监测站才能提供定位服务；而DO

26、A只需要两个监测站就能完 成此项任务。 DOATDOA 测向1 JJ 不能测向 LL 定位2 JJ 3 JJ 64 监测站配置的复杂度监测站配置的复杂度 TDOA基站的复杂度低于DOA基站 DOATDOA GPS同步 JJLL 测向天线 LLJJ 接收机 LLJJ 精度 LLJJ 高速数据传输 JJLL 安装 LLJJ 65 定位精度和灵敏度定位精度和灵敏度 DOA的精度不依赖于信号，而TDOA因为使用相干监测而更加灵敏 DOA TDOA 距离 LLJJ 测向 JJLL 灵敏度 LLJJ 信号带宽 JJLL 干扰 LLLL 多径 LLLL 66 6、无线电监测应用无线电监测应用 一个测向站与一

27、个监测站组网即可完成定位一个测向站与一个监测站组网即可完成定位 任务。任务。 67 未来应用未来应用 在行政区域内大面积布站增加监测覆盖面积 的基础上，仅需增加： 同步设备、数字信号处理设备同步设备、数字信号处理设备 就可以实现对无线电发射源的TDOA定位。 68 微波、雷达干扰源定位微波、雷达干扰源定位 对宽带无线电信号精度更高对宽带无线电信号精度更高 脉冲信号更有效脉冲信号更有效 七、识别 无线电规则规定：每个发射台都应该频 繁发送识别信号 识别方法包括：呼号、电台名称、电台方位 或位置、经营机构、水上移动业务标识、正 式登记的标识、飞行识别号码、选择性呼叫 号码或信号、特征信号、发射特性或其他易 为国际上承认的可明显区别的特征。 69 发送信号的识别 模拟信号的识别：通过解调后的声音、图像。 数字信号（FSK信号）的识别：偏移测量、 波特率测量、比特流分析。 有呼号发射机的识别：根据呼号的组成 没有呼号发射机的识别：使用测向网定位、 使用监测数据库配合电台识别。 70 71 发射标识的具体结构 国标GB/T12572-2008无线电发射设备参数通用 要求和测试方法规定，发射标识由九位字符组成。 具体结构如下： * * * * * * * 必要带宽发射类别发射类别 基本特性附加特性 其前四位字符表示必要带