RSA5000实时频谱分析仪在高铁沿线频谱检测领域的研究设计说明书

XXX{设计}.引言1.1研究背景随着移动通信的快速发展，电磁环境越来越复杂，无线电频谱资源变得越来越宝贵，各制式间的保护带越来越窄，甚至有频谱重合的情况，导致干扰问题出现。而我国使用了与GSM、CDMA系统频段相邻的EGSM频段频率建设了铁路GSM-R系统，导致各系统间存在相互干扰问题。为了保证铁路通信系统的高质量服务，我们要逐一查清干扰存在的具体地点，排除干扰，解决各系统间的冲突。国内已经开展GSM-R网络干扰监测、监测技术的研究，利用实时频谱仪来查找定位干扰已经在实验当中。1.2铁路移动通信系统——GSM-R简单介绍GSM-R（GSMforRailway）中文全称为全球铁路移动通信系统，它基于目前世界上最成熟、最通用的GSM公众无线通信平台，在GSMPhase2+高级语音呼叫业务，特别是语音组呼叫业务（VGCS）、语音广播业务（VBS）和增强多优先级与强拆（eMLPP）业务的基础上，专门针对铁路系统的各种需要开发了许多特殊的功能，如接入矩阵、功能寻址以及基于位置寻址等来满足铁路专用调度通信的需求，将现有铁路系统中的通信应用融入到单一网络平台中，并以此作为信息化平台，以便铁路部门的用户在此平台上开发各种铁路应用。从2002年正式确定将GSM-R作为我国铁路移动通信的发展方向，到我国最初在青藏铁路、大秦铁路以及胶济铁路建成三个GSM-R网络，再到现在GSM-R网络在客运专线以及高铁线进行大规模建设，GSM-R在我国已经发展了10余年。我国自选定GSM-R技术体制以来，在国际GSM-R标准基础上，根据我国铁路通信的需求，增加了一些特殊应用。我国GSM-R网络主要承担的业务主要包括：（1）CTCS-3级列控、机车同步操控信息传送为代表的电路域数据传输业务，还提供调车机车信号和监控信息传送。（2）司机与调度员、车站值班员为主的调度语音通信、区间作业维护人员、公安人员、站场通信等语音通信业务。（3）无线车次号校核信息传送、调度命令传送信息传送、列尾信息传送等分组数据传送业务。此外，还提供动车组、机车CIR出入库检测、工务轨道动态检测、冻土检测等各种检测系统信息传送。（4）还具备应急语音通信、应急图像传送能力。1.3GSM-R中的干扰问题GSM-R网络承载着列车控制数据，传输的安全可靠直接关系到列车的行车安全，而无线通信系统的干扰是影响无线网络质量和传输可靠性的重要因素之一[1]。根据干扰来源分为外部干扰和内部干扰。一、外部干扰一般分为以下几类：1、强信号干扰：强信号干扰是指占用合法频率合的法信号，由于发射功率过强从而造成邻近频段接收设备阻塞，从而影响正常信号的接受。分析GSM-R系统的工作频段可以看出，由于中国电信800MHzCDMA系统基站发射频段为870～880MHz，铁路GSM-R系统基站接收频段为885～889MHz，两系统之间只有5MHz保护带。因此CDMA系统基站和直放站的发射很有可能对GSM-R系统基站和直放站的接收产生有害干扰[2][3]。2、固定频率干扰：该干扰频率稳定且频谱干净，上下行均可能存在。由于铁路GSM系统与中国移动共用900MHz频段，因此固定频率的干扰主要来自于中国移动900MHz增补频段的基站。由于GSM-R系统基于GSM系统，因此在中国移动的SIM卡并没有把GSM-R网络设为禁止接入网络，且由频点分配方案可知，中国移动900MHz增补频段与中国铁路GSM-R频段共用，因此当中国移动用户接入网络时，若GSM-R系统信号强于中国移动信号，则用户容易向GSM-R网络发出接入申请，而SIM卡所属网络鉴别由MSC完成，并不由BTS完成，因此用户会不断在随机接入信道发出“信道请求消息”，虽然用户最后不会接入GSM-R网络，但是在进行信道请求时会占用信道资源，引起SDCCH拥塞率高，对GSM-R系统产生干扰，此种干扰在列车进入險道时尤为严重，因为隧道中中国移动信号大大减弱，大量用户将尝试接入GSM-R系统。3、不可预测信号干扰：该干扰主要包括射频转发直放站系统信号干扰、对讲机及微波系统的杂波干扰和有线电视倍增器的杂波泄漏干扰。由于移动通信运营商采用的射频转发直放站系统大多为宽频段，会接收到不同频段通信系统基站的射频信号，并经放大后转发，因此容易将与GSM-R网络频率相邻或相同的射频信号进行放大，从而对GSM-R网络造成干扰[4][5]。4、非法信号千扰：该干扰也称作人为干扰，是指非法使用者违反无线电管理条例，在未得到频率使用许可的情况下，非法使用与铁路系统相同的频段而对网络造成干扰。5、设备内部干扰：该干扰主要指网络设备内部，包括发射机、接收机及元器件等产生的干扰。比如，在系统的基站中，振荡器、放大器和倍频器等元器件在工作时均会产生热噪声，这些噪声如果被调制，就会形成干扰信号，与有用信号一起发射出去；发射机的寄生福射、邻道辐射和接收机的寄生响应等设备自身因素，也会对基站的覆盖效果产生影响[6]。二、内部干扰内部干扰主要包括同频干扰、邻频干扰和互调干扰。同频干扰：同频干扰简而言之就是指恰好与有用信号频率相同的干扰信号，这样无用信号和有用信号一样，均落到接收机通带内，经过放大、变频后落到中频通带内，由于二者载频非常接近甚至相同，因此只要接收机的输入端存在同频干扰，接收系统就不易抑制和滤除它。同频干扰可能造成接收机阻塞，引起接收灵敏度降低甚至通信中断等严重后果。同频干扰在上行链路和下行链路均存在。图1-1表示下行链路同频干扰。图1-1下行链路同频干扰示意图Figure1-1DownlinkCo-channelInterferenceDemonstration同频干扰主要是由同频复用引起而在同频小区之间产生的。由于无线电频谱资源极其有限，为了提高频率利用率，扩大系统容量，一般采取在蜂窝网中相隔一定距离的两个基站同时使用相同的频率。频率复用是蜂窝网的主要优点之一，但如果同频复用距离规划不当，势必会造成同频干扰，同频基站之问的相互干扰会令通信质量大大降低。通常，同频复用距离越小，同频干扰越大，但频率利用率越高，系统容量越大；反之，同频干扰越小，频率利用率越低，系统容量越小。因此，在进行频率规划时两者要兼顾考虑，在保证通信质量的前提下，尽量提高频率利用率，扩大系统容量。对于GSM-R系统，同频千扰产生的原因上要有以下三种：1、GSM-R系统内部同频小区。由于GSM制式采用多频点复用，相邻小区不会使用同一频点。但当远处小区功率控制出现问题或小间频率规划不当时，远处小区同频点信号可能干扰到本小区。2、由于GSM-R系统与中移动按地域共用900MHz的频段，因此GSM-R系统的同频干扰源还有中国移动使用同频的基站。因此，清频工作一定要全面、彻底。3、多径传播。这种情况下，中断业务时，多径信号同时中断，测试难度很大。同频干扰的频率范围定义为，其中为有用信号载波频率，为接收机中频带宽。同频干扰大小用同频载干比来衡量，定义为有用载频功率和同频干扰信号功率的比值，用表示。由于GSM-R系统对网络的QoS具有更高的要求，因此要求主控制信道及列车控制业务信道频率的，语音信道和非安全类电路域数据信道频率的，分组域数据信道频率的[7]。设同频干扰小区数量为，在只考虑损耗的条件下，下行链路上移动台接收载干比的本地均值可表示为：（1-1）式中，为移动台接收到的基站的信号功率，为移动台接收到的第个同频基站的信号功率。利用自由空间电波传播模型估算接收功率的本地均值表示为：（1-2）式中，为接收功率，为距基站处的参考点功率，为路径衰减指数。假设每个同频基站具有相同的发射功率和路径衰减指数，则同频干扰载干比的本地均值可近似表示为：（1-3）式中，为移动台距基站的距离，为移动台距第个同频基站的距离。邻频干扰：由于使用相邻频率而产生的信号干扰称为邻频干扰。根据干扰信号与有用信号的频率间隔，若干扰信号频率为，有用信号频率为，且满足，则称该干扰信号为阶邻频干扰信号。其中，为正整数；表示最小频率间隔，即200kHz。在实际工程应用中，由于三阶及以上的邻频干扰影响比较小，通常只考虑一阶邻频和二阶邻频干扰。图1-3为邻频干扰示意图。图1-2邻频干扰示意图Figure1-2AdjacentChannelInterferenceDemonstration邻频干扰主要是山发射机和接收机的滤波器的非理想性所引起的。在发射机方面，山于GSM系统为频分多址，频率间隔只有200kHz，如果频率稳定度太差或调制度过大，会造成发射频谱过宽，就可能造成对其他站的邻频干扰；在接收机方面，主要取决于其预检滤波响应和中频滤波器的阻带衰减幅度，当邻频信号与有用信号一起进入接收机，接收机响应对邻道发射机的主要福射衰减不够大，因此邻频信号进入通带并被接收机误认为有效信号而构成邻频干扰。与同频干扰类似，有用信号载频功率与一阶邻频干扰信号功率、二阶邻频干扰信号功率的比值分别称为一阶邻频干扰载干比和二阶邻频干扰载干比。根据GSM-R系统协议规定，主控制信道及列车控制业务信道频率的，语音信道和非安全类电路域数据信道频率的，分组域数掘信道频率的：主控制信道及列车控制业务信道频率的，语音信道和非安全类电路域数据信道频率的，分组域数据信道频率的。利用自山空间电波传播模型估算的本地均值表示为：（1-4）式中，为路径衰减指数，、分别表示移动台距雄站及一阶邻频越站的距离。（1-5）式中，、分别表示移动台距基站及二阶邻频基站的距离。互调干扰：互调干扰由传输信道中的非线性电路产生，当多个不同频率的信号加到非线性器件上时，经过非线性变换将产生许多新的组合频率信号，其中一部分可能恰好落到接收机的通带内，对有用信号造成干扰，称为互调干扰[8][9]。产生互调干扰必须同时具备三个条件：①系统中存在非线性器件，将输入信号混频产生互调成分；②不同输入信号频率必须满足其频率组合后能够落到接收机的通频带内；③输入信号的功率足够大，从而产生幅度较大的互调干扰信号。由于GSM-R系统和中国移动共用900MHz频段，且移动信号整体较强，因此很容易对GSM-R系统产生三阶互调干扰，且发现困难、影响严重。互调干扰产生的根本原因是电路的非线性特性。但是，当单机互调指标一定时，各干扰信号产生互调干扰必须同时具备二个条件：①满足相应的频率关系；②干扰信号的功率达到一定的强度。因此，我们可以从这二个方面设法破坏构成互调干扰的条件。该问题在系统设计时应充分考虑，同时也是网络优化时消除互调干扰的一个有效方法[10]。1.4干扰检测方法随着移动通信技术的飞速发展，电磁环境越来越复杂，干扰问题亟待深入分析和解决。然而要解决干扰，改善通话质量，首先就是要发现干扰，然后釆取适当的手段定位干扰，最后是排除或降低干扰，因此干扰监测是消除干扰的前提。在系统中，尚未真正意义上的在线干扰监测系统，而存在的是干扰检测手段。可以用来发现干扰的方法有：话务统计、路测、用户申告等[11][12][13]。目前针对干扰监测主要从以下四个方面进行研究[14][15][16]，如图1-3所示。图1-3干扰检测方法分类Figure1-3InterferenceDetectionClassification一、基于电磁仿真的干扰检测基于电磁仿真的千扰检测主要根据电磁波的传播机理和干扰形成原理，建立GSM-R无线传播模型和干扰形成模型，进行链路预算，从理论上计算分析各种干扰指标（如同频干扰、邻频干扰、码间干扰及综合载干比等）。这种技术主要用于网络规划阶段，并不能直接用于运营阶段的在线干扰监测。但是一旦在线干扰监测系统自身形成网络后，该技术对监测点的选点、组网等规划工作，有着重要的指导和借鉴意义[17]。二、基于频谱分析的干扰检测基于频谱分析的干扰检测从频域角度分析无线信号是否正常，并尝试分离异常频谱，然后与频谱库里的记录进行比对匹配，从而判断干扰信号类型和制式。这种技术可捕获的干扰类型广泛，但是对于GSM-R同制式干扰，干扰信号和有用信号的频谱具有相同的特征，导致这种方式无法区分，显得束手无策[18]。三、基于话务统计的干扰检测基于话务统计的千扰检测是从网络整体性能到小区性能、从主要指标到次要和相关指标分析逐步细化的过程。这种方式通过对各项统计指标进行统计，发现通信质量恶化的小区，作为可疑的受干扰小区，进一步通过路测手段，发现干扰的存在。这种方式能较准确地发现干扰的存在，但是只能发现持续，频繁的干扰，而且是在干扰的影响已经发生后，积累一定的样本进行统计，问题的发现大大滞后于干扰的发生，无法达到及时告警目的，更无法进行预警。四、基于路测的干扰检测在GSM-R系统的干扰类型中，同频干扰影响最为严重，一旦发生，带来的性能恶化尤为明显。对于同频干扰，文献[9][20]研究了利用BCCH扫频和BSIC解码的技术进行检测，该技术通过连续扫描检测频段范围内所有BCCH频点，并跟踪每一个频点上的解码情况，来判断两个同频复用基站是否会相互干扰[19][20]。基站识别码(BSIC)用于区分不同运营者或同一运营者广播控制信道频率相同的不同小区。BSIC由NCC和BCC组成，其中NCC为PLMN色码，用来识别相邻的PLMN网。BCC为基站色码，用来识别相同载频的不同的基站。由于测试手机有BCCHScanning功能，连续扫描所有BCCH频点，并跟踪每一个频点上BSIC的解码情况。通过解析出来的BSIC，判断各个频点是否正常使用。由于某个位置周围配置了哪些GSM-R小区以及各小区的BSIC数值是多少都是已知的（网管上可以查看到），因此用测试手机做BCCHScanning的时候，若发现出现了不认识的BSIC，就说明是公网的基站；而若某个小区的BSIC值解析不出来，或者解析结果时有时无，就说明那个频点被干扰了。对于非BCCH载波的情况，则只能通过信号强度来判断。如果某个位置，某个频点本来没有配置，但是却发现信号比较强，就说明该频点在那周围被非法使用了。虽然该方法简单实用，容易实现，但是该干扰监测方法有二个生效条件：(1)中国移动900M或中国联通CDMA的频点与测试手机所在小区及相邻小区频点不同。(2)干扰频点为BCCH载波所在频点。因此，当上述二个条件不能同时满足时，BSIC码将无法解出，也就无法监测出来自中国移动或中国联通CDMA的系统外部干扰。此外，由于该技术并不是从接收业务信号中检验同频干扰的存在，因此准确度不够，并且无法检测TCH频点干扰的情况。综上，GSM-R网络干扰监测、检测技术在国内外均已经开展研究，但是尚未形成有效的在线干扰监测技术。2频谱分析仪2.1频域与频谱2.1.1频域与时域时域是真实世界，是实际存在的域。因为我们的经历都是在时域中发展和验证的，我们已经习惯于用时间作为参照来记录某时刻发生的事件，这种方法当然也适用于电信号，于是我们可以用示波器来观察某个点信号的瞬时值随时间的变化，即在时域中用示波器观察信号的波形。然而，傅里叶理论告诉我们，时域中的任何电信号都可以由一个或者多个具有适当频率、幅度和相位的正弦波叠加而成。也就是说，任何时域信号都可以变换成相应的频域信号，再通过频域测量就可以得到信号在某个特定频率上的能量值。通过适当的滤波，我们能将图2-1中的波形分解成若干个独立的正弦波或频谱分量，然后就可以对他们进行单独分析。每个正弦波都用幅度和相位加以表征。如果我们要分析的信号是周期信号，傅里叶理论指出，所包含的正弦波的频率间隔是1/T，其中T是信号的周期。某些测量场合要求我们考察信号的全部信息——频率，幅度和相位，这种信号分析方法称为矢量信号分析。现代频谱分析仪能够支持非常广泛的矢量信号测量应用。然而，即便不知道各正弦分量之间的相位关系，我们也同样能实施许多的信号测量，这种分析信号的方法称为信号的频谱分析。图2-1复合时域信号Figure2-1Complextimedomainsignal2.1.2频谱那么，什么又是频谱呢？频谱是一组正弦波，经过适当组合后，形成被考察的时域信号。图1-1显示了一个复合信号的波形。假定我们希望看到的是正弦波，但显然图示信号并不是纯粹的正弦波，而紧靠观察又很难确定其中的原因。图2-2同时在时域和频域显示了这个复合信号。频域图形描绘了频谱中每个正弦波的幅度随频率的变化情况。如图所示，在这种情况下，信号频率正好由两个正弦波组成。现在我们便知道了为何原始信号不是纯正弦波，因为它还包含第二个正弦分量。在这种情况下是二次谐波。图2-2信号的时域和频域关系Figure2-2Relationbetweentimedomainandfrequencydomainsignals2.2频谱分析仪2.2.1频谱分析仪种类除了本文中重点讨论的实时式频谱分析仪RSA5000外，还存在其它几种频谱分析仪结构。其中最重要的扫频调谐超外差式频谱分析仪：它是具有显示装置的扫频超外差接收机，主要用于连续信号和周期信号的频谱分析。它工作于声频直至亚毫米的波频段，只显示信号的幅度而不显示信号的相位。它的工作原理是：本地振荡器采用扫频振荡器，它的输出信号与被测信号中的各个频率分量在混频器内依次进行变频变换，所产生的中频信号通过窄带滤波器后再经过放大和检波，加到视频放大器作示波管的垂直偏转信号，是屏幕上的垂直显示正比于各频率分量的幅值。本地振荡器的扫频由锯齿波扫描发生器所产生的锯齿波锯齿电压控制，锯齿波电压同时还用作示波管的水平扫描，从而使屏幕上的水平显示正比于频率。扫描调谐超外差式频谱分析仪在频率范围、灵敏度和动态范围等方面有优势，实时频谱分析仪的优点是能够捕获单脉冲信号，并且还能测量信号的相位和幅度。2.2.2传统频谱以优缺点——扫频频谱分析仪传统的频谱仪以扫频的方式处理数据，所以又叫扫频仪或者叫超外差式频谱仪。据了解，这种仪表产生于二十世纪六十年代，这种仪表具有的测试频带很宽，可以达到几十个GHz，动态范围大，噪声低等特点，所以被广泛的用于生产、研发等领域。扫频频谱分析仪最初是使用纯模拟器件构建的，之后一直随着其应用的不断发展。当前一代扫频频谱分析仪也加入各种数字单元，如ADC、DSP和微处理器，但仅仅是中频部分部分。其基本扫描方法在很大程度上保持不变，其最适合观测受控的静态信号。由于其技术方面的天生缺陷，无法满足数字信号，尤其是瞬变信号的测试要求。如下图是该种频谱仪的简单框图：图2-3扫频频谱分析仪结构图Figure2-3Structurediagramofthefrequencyspectrumanalyzer如图2-3所示：扫频频谱分析仪通过把感兴趣的信号向下变频，并扫描通过分辨率带宽（RBW）滤波器的传输频带，来测量功率随频率变化。RBW滤波器后面跟有一个检测器，检测器计算选择的跨度内每个频率点的幅度。它一次只能计算一个频率点的幅度数据。分析仪在频率跨度内扫描需要很长时间，在某些情况下要达到几十秒。这种方法基于这样一个假设，即分析仪能够完成多次扫描，而被测信号没有明显变化。结果，这种方法要求输入信号相对稳定及不变。传统的扫描式频谱仪的最小扫描时间为：其中，Span是测试频谱带宽，RBW指中频滤波器带宽，K是中频滤波器因子。当Span=10MHz，RBW=10KHz，K=1.5时，代入公式得到最小扫描时间为150ms，即扫描10MHz带宽一次需要150ms。如果某个跳频信号在某个频点上出现很短时间如10ms，则很可能就无法捕获这个信号，至少无法百分百地捕获该信号。当然，我们可以通过加大RBW的方法来减少扫描时间，但加大RBW会带来几个问题：首先，仪器的本底噪声会提升，假如我们把RBW设置为RBW=1MHz，代入公式得到最小扫描时间为10微妙，但本底噪声会提升10Log(1M/10K)=20dB。如果原先底噪声是-100dBm，现在就是-80dBm，那么可能一些弱的噪声信号就无法测试了。其次，仪表的频率分辨率会降低，假如两个信号频率相差很小，比如是100KHz，当RBW=1MHz在一起显示上看到的就是一个信号而无法分辨出两个信号。如下图所示：图2-4Figure2-4上图中，红色轨迹是当RBW=30KHz时测试结果，我们以为只有一个信号，当我们减小RBW=3KHz时，我们看到了蓝色轨迹，这时可以清楚看到在中间大信号的旁边还有一个小的信号。当然我们也可以手工调节扫描时间，但当我们设置的时间小于最小扫描时间时，测试的信号会出现频率升高，幅度降低的情况。如下图：图中间红色信号是正确设置下测试的信号，而蓝色信号是强行减小扫描时间测试的波形，从图中看到信号的频率升高，同时幅度降低。在仪表的左上角也显示红色UNCAL文字，表示该状态下测试的结果是不准确的。图2-5Figure2-5扫频仪只能给出幅度和频率的关系，没有时间信息，无法描述信号随时间的变化过程。由于其内存的限制，一般只有几百KByte，如FSP(128KByte)，所以只能存储一个界面，也无法存储一段时间的信息。同时由于检波后丢失了信号相位信息，扫频仪无法进行数字解调分析，对数字信号测试无能为力。从以上分析可以看到，扫频仪无法分析数字信号，也很难捕获瞬态信号，越来越难满足现代瞬态复杂信号的测试挑战。2.2.3传统频谱仪优缺点——矢量信号分析仪随着数字调制信号的普遍出现，简单的频谱测试难以满足要求。大约在二十世纪九十年代出现了矢量信号分析仪。矢量信号分析仪是为进行数字调制分析专门设计的工具，但并不完全适合瞬态信号的捕获和分析。下图是简化的VSA方框图：图2-6矢量信号分析仪结构图Figure2-6Structurediagramofthevectorsignalanalyzer在VSA内部，射频信号下变频到中频，然后ADC数字化宽带IF信号，下变频、滤波和检测均以数字方式进行。时域到频域转换使用FFT算法完成。ADC的线性度和动态范围对仪器的性能至关重要。同样重要的是，还必须有足够的DSP处理能力，以能够进行快速测量，如下图显示：图2-7矢量信号分析仪丢失信号示例Figure2-7Vectorsignalanalyzerlosessignals矢量信号分析仪采集一帧数据，然后需要一段时间处理分析进行FFT变换把采样信号变换到频域然后显示出来。当处理时间较长，如图中第二帧时出现了一个异常信号(红色信号)，但这个时候VSA在处理数据无法捕获这个信号所以就丢失了这个异常信号。到了第三帧VSA再采集数据时异常信号已经消失了。所以从仪表中只能看到图中顶部的第一帧和第三帧信号。在实际的仪表设计中往往采用批处理技术，如下图：图2-8矢量信号分析仪批处理信号示意图Figure2-8Vectorsignalanalyzerbatchdealingsignals在信号捕获时我们可以设置捕获时间长度，一次采集许多帧的数据然后再进行处理，这样需要的处理时间就更长，丢失瞬态信号的可能性就更大。除非DSP的处理速度非常快，但这是非常难的，因为一般的VSA是采用软件做DSP运算，速度受到很大的限制。同时，大多数(但不是全部)VSA都旨在了解任何时间点上的输入信号概况，因此很难存储很长的一串采集记录，获得信号在不同时间上行为特点的累积历史。与扫频频谱分析仪一样，触发功能一般也局限于IF电平触发和外部触发，这些触发方式对于异常的频谱事件无能为力，如果这些瞬态信号刚好出现在VSA的捕获时间内就可以被显示出来，但更多的情况是瞬态信号出现在处理时间(因为处理时间远远大于捕获时间)内，则就会丢失该信号。2.2.4RSA实时频谱分析仪实时频谱分析仪旨在解决与上一节中介绍的瞬时动态RF信号有关的测量挑战。实时频谱分析的基本概念是能够触发RF信号，把信号无缝地捕获到内存中，并在多个域中分析信号。这可望可靠地检测和检定随时间变化的RF信号。实时频谱仪是第三代无线信号分析仪，它源自于扫频仪和矢量信号分析仪但又在综合能力方面超越它们。实时频谱仪可以做频谱分析、数字解调分析，同时还具备了瞬态信号捕获和分析所需的一切功能。下图是简化的RSA(实时频谱仪)方框图：图2-9RSA实时频谱分析仪结构图Figure2-9Structurediagramofthereal-timespectrumanalyzer从这个图中我们可以看到，实时频谱仪和矢量信号分析仪基本原理几乎是一样的。同样是射频信号下变频到中频，然后ADC数字化宽带IF信号，下变频、滤波和检测均以数字方式进行。时域到频域转换使用FFT算法完成。其中关键的区别就在于数字信号处理部分即图中红色圆圈部分。在实时频谱仪中增加了实时FFT专门的硬件设备，这个设备提供实时FFT处理和频域模板触发功能。其处理能力远远高于软件FFT处理，能够实时地处理采集到的数据。如下图：图2-10RSA实时频谱分析仪批处理信号示意图Figure2-10Real-Timespectrumanalyzerbatchdealingsignals时域采集的信号通过FFT变换转变到频域，当处理速度足够快时就可以做到实时处理。如上图所示，第二帧出现的瞬态异常信号就可以在下面的频谱图中显示出来。在实时频谱仪中也采用了批处理的技术，也可以设置捕获时间长度，连续捕获很多帧，然后再处理。这样也会带来丢失异常信号的可能性。但实时频谱仪采用了有效的触发技术，除了普通的IF电平触发和外部触发，还有独一无二的频率模板触发，即直接在频域上发现瞬态信号然后触发，这样在没有瞬态信号时可能会丢失一些帧的数据，但当瞬态信号出现时就可以触发捕获，保证了百分百地捕获率。如下图所示：图2-11RSA实时频谱分析仪模板触发功能Figure2-11Real-Timespectrumanalyzer’smasktrigger在上图中是调频电台信号，我们可以画一个模板（如图中所示）把所有正常的信号匡在模板内，一旦出现了异常瞬态信号超出了模板就引起触发，就可以把信号捕获下来，然后在时域、频域和调制域进行分析。3RSA5000实时频谱分析仪在高铁沿线频谱监测的应用3.1实时频谱分析仪的原理3.1.1实时频谱分析仪原理简介根据时域采样定理，若带限信号的最高角频率为，则信号可以用等间隔的抽样值唯一表示。而抽样间隔需不大于，或最低抽样频率不小于。实时频谱分析仪的FFT速度远大于其采样速度，可以做到边采集边分析，保证信息不丢失。基于这一特性，实时频谱分析仪所分析的被测信号在时间轴上具有完整性[21]。3.1.2数字荧光频谱技术数字荧光频谱技术简称DPX，是Tektronix公司申请的专利，但R&S的FSVR能达到同样的效果。简而言之，DPX技术是在短时间内累积数以万计的频谱图，计算不同频率不同幅度信号出现的概率，存入位图数据库，将不同的概率根据颜色对应算法对应到不同的颜色，将频谱快速变化的过程清晰的展现出来。由于DPX频谱的颜色表示信号出现的概率，因此同频上不同概率的信号叠加在一起时，可以用频谱清晰地显示，这位复杂电磁环境的分析打下了基础。图3-1示意出复杂电磁环境下多个雷达信号叠加在一起的频谱对比。上图为正常频谱显示，仅能看到一个脉冲雷达信号及三个线性调频雷达信号。图3-1正常频谱与DPX频谱显示对比Figure3-1theComparisonbetweenConventionalFrequencySpectrumandDPXFrequencySpectrum通过把频谱图划分成表示轨迹幅度值的行和针对频率轴上各点的列，可以作为密集的网格绘制位图数据库图像。这个格中的每个审元包含着进入该格的频谱命中的次数。数字荧光通过跟踪这些次数来实现配比，从而可以用眼睛把罕见的瞬变与常信号和背景噪声区分开來。实时频谱分析仪中的实际三维数据库包含着几百个列和行，我们用矩阵来说明这一概念。图3-2(左)显示了在单个频谱映射到数据库中之后数据库单元可能包含的内容。空单元格包含的值为零，意味着频谱中没有任何点落入里面。图3-2（右）显示的是在已经执行另外八次频谱变换及结果存储在单元中之后，我们简化的数据库中可能包含的值。在没信号的时间内，恰好计算了九个频谱中的一个频谱，本底噪声中的一串“1”值表明了这一点。频率频率幅度幅度频率频率幅度幅度图3-2在更新1次（左）和更新9次（右）后的三维位图数据库实例Figure3-2DimensionBitmapDatabaseafter1Renewal(left)and9Renewal(right)当把发生数量值与颜色标度对应起来时，数据会转换成信息。表3-1给出了颜色对应算法实例，其中暖色（红色、橙色、黄色）表明发生频次较高。除此外，还可以使用其它强度等级方案。表3-1颜色对应算法实例Table3-1theAlgorithmofColorMapping发生次数颜色0黑色1蓝色2浅蓝色3青色4竹绿色5绿色6黄色7橙色8红橙色9红色图3-3是根据九个频谱写入次数绘制的数据库单元格颜色。通过在屏幕上显示带颜色的单元格、每个像素一个单元格，可以看到非常壮观的DPX显示画面。幅度频率幅度频率图3-3带色码的低分辨率实例（左）和实际DPX显示（右）Figure3-3theLowResolutionwithColorCode(left)andDPXDisplayinReality(right)3.2基于实时频谱分析的GSM-R干扰监测方案一、测试目的借助动态检测车的运行，用实时频谱分析仪收集动态检测车运行沿线的频谱数据，在通信质量不好的地方，调出频谱数据进行分析，观察是否有干扰，并分析干扰产生原因以及干扰源。二、测试内容数据采集：将实时频谱分析仪安装在动态检测车上，在动态检测车运行的同时使用专门配置的检测软件进行实时频谱数据的采集，同时采集公里标信息和GPS信息，以便在分析时确认采集数据对应的地理位置。三、前提条件动态检测车、动态检测车上的广播信道接口、实时频谱分析仪RSA5000、笔记本电脑并安装实时频谱分析仪配套使用软件。四、数据分析根据车载“GSM-R服务质量测试系统”发现的服务质量问题的地点信息去实时频谱分析仪采集到的频谱数据中查找问题点附近的频谱信息记录分析问题原因。五、测试结果分析案例京广高铁段图3-4-1Figure3-4-1图3-4-2Figure3-4-1（1）图3-4-1中某地下行出现话音服务质量严重下降，CSD传输无差错时间超标。根据公里标信息我们从实时频谱分析系统中调出记录的该地点频谱数据，图3-4-2为实时频谱测试看到该区域无线底噪有较大抬升，图中显示服务小区载干比在12dB附近，在电波变化中短时间载干比下降。根据频点可以判断出在这个区间存在中国移动网络的强信号基站。（2）在某处经常发现通信系统质量恶化的现象（图3-5-1），这个位置的质量恶化只发生在下行测试中，上行测试切换位置在该位置后200米处使用的是1006频段，因此该处干扰与1001频点有关。在对于该出的问题可以通过实时频谱仪的测试结果（图3-5-2）发现，在该处移动公司的一些信号的互调产物正好落在了所使用的通信频点上。图3-5-1Figure3-5-1图3-5-2Figure3-5-2见图3-5-2的实施频谱测试截图，图中所标记的两个中国移动GSM网络频点F1=937.4MHz和F2=944.4MHz，根据三阶互调计算公式2*F1-F2=930.4MHz，正好是该处铁路系统GSM-R基站的BCCH，对铁路的网络造成干扰。广深港高铁段图3-6-1和图3-6-2是广深港高铁某处两个相连的实时频谱测试截图，可以看到突然产生一个很强的底噪，尽管此时服务小区的信号达到-42dBm，还是影响了通信质量。图3-6-1Figure3-6-1图3-6-2Figure3-6-2在图3-6-2看到，在中国移动的频点中有两个信号（936.6MHz和941.8MHz）接收电平已经达到-12dBm，如此大的信号对列车上的通信终端造成了阻塞，降低了接收灵敏度。参看服务质量数据（图3-6-3）可以看到此时却是影响了测试模块的载干比。图3-6-3Figure3-6-3（2）图3-7-1Figure3-7-1在图3-7中载干比下降的地方，通话占用TCH=1006（931.4MHz），对照实时频谱图3-7-2看到有一个1007频点强于通话频点，产生临频干扰。图3-7-2Figure3-7-24结论与展望4.1结论随着国内铁路建设里程的增加和铁路信息化建设的迅速发展，GSM-R系统在轨道交通控制领域发挥着不可替代的作用，作为难点的干扰问题是铁路通信界新的研究重点。本文对GSM-R网络中的干扰检测进行了研究，提出基于RSA5000实时频谱分析仪的干扰查找方案，并进行了验证，成果如下：（1）简单介绍了GSM-R系统和干扰问题。（2）分析了GSM-R系统内的干扰类型以及产生原因，并就先行的干扰检测方案进行了简单分析。（3）分析频谱仪的发展、结构和原理，着重分析了RSA5000实时频谱分析仪的原理、结构和关键技术——数字荧光频谱技术，提出在高铁沿线频谱监测的应用方案。4.2展望基于实时频谱分析仪的铁路沿线频谱检测方案需要借助于铁路通信质量测评系统的辅助运行才能更有效更高效的判别出被测铁路沿线的干扰问题。如果这个干扰检测方案能够融入铁路自身的测试系统，加上定制的软件实现通信质量测评系统自动预警干扰检测系统，由干扰检测系统马上反应自动分析预警地点频谱环境，就能快速、准确的定位干扰，并发出告警信息，从而为GSM-R系统的安全提供更可靠的保障。致谢本论文的是在借助于我实习公司的项目完成的，感谢公司给我这个机会让我参与并深入的去了解这个项目，感谢上海的张工对我的帮助，感谢张院长对我论文的指导以及对我工作的关心。参考文献[1]