为什么传统的基于硬件的频谱分析仪不适用于当今的频谱监测—介绍软件定义的频谱分析

导言

无线通信技术已成为当今信息驱动世界的重要组成部分。在如此依赖它的情况下，很容易忘记仅仅几十年前频谱环境的不同之处。这一转变也使频谱监测要求远远超出了以前的标准。 但是，虽然频谱的使用继续发展，用于监测频谱的设备基本上保持不变。 然而，这些传统的频谱分析仪不再满足当今复杂、密集和多样化环境下的监测要求。

幸运的是，对于用户来说，已经为这些新的现实设计和构建了一种新一代软件定义的频谱分析仪。 基于相对较薄的软件定义无线电(SDR)硬件设计，这些分析仪提供了更大的通用性，更好的性能，并增加了相对于传统硬件，实验室和手持设备的能力。 这使用户有能力以更低的成本和更丰富的多功能性获得在今天的市场上的替代品，而且不损害性能。

本文将:

• 解释频谱的使用如何发展，以及它如何影响频谱监测应用？例如信号情报/电子情报（SIGINT /ELINT），技术性反监视对策（TSCM）和管理监控。
• 说明为什么传统的基于硬件的频谱分析仪不适合这种新的现实应用？
• 介绍软件定义的频谱分析仪如何为用户带来全新的变革？
• 展示三个常见的应用案例，这些案例展示了利用软件定义的无线电技术进行频谱监测应用的优势。

无线通信的兴起

在过去的几十年里，技术以惊人的速度进步。智能手机、平板电脑、可穿戴设备、新兴的物联网 （物联网）和其他连接设备改变了我们的工作、玩乐和交流方式。不到10年前的尖端设备现在被认为是完全过时的。当然，随着这些无线设备的不断发展和普及，有必要应对频谱监测的要求。

Cisco公司最近的一份报告强调了这一新的现实情况。2015年，全世界估计有163亿个连接设备。随着物联网和其他技术的进步越来越广泛，这一数字将继续迅速增加。 同一份报告预计至少会有2020年有262亿个连接设备，每个设备都利用日益拥挤的频谱。

不仅有更多的设备，而且这些设备现在也发送和接收更多的信号。一个标准的iPhone7 可以检测和传输多达9种不同类型的信号，从4G/LTE到蓝牙和GPS。 这只是一个开始，因为研究人员正在继续推动高频和宽带信号的边界，以供商业用途。最近的5G实验已经测试了24、28、32和42 GHz频段的生存能力，远高于2020年使用的传统6 GHz范围。

所有这些进步导致大量数据通过固定或移动无线网络传输。IBM估计，我们已经每天创造了超过 2.5艾个字节的数据，即25亿万字节的数据。这也越来越多地推动了对无线流量的需求，如视频流或游戏，或需要高速和低延迟的关键任务数据。这些要求进一步推动了对新的无线标准和技术的需求，这些标准和技术可以满足最终用户的需求。

重要的是，对于SIGINT/ELINT、TSCM和监管机构的频谱监测用户来说，这种多样化的信号环境继续以快速的速度发展。试回想仅仅几十年前的频谱监测和今天的需求之间的差异。

随着无线环境和依赖它的设备的变化如此之多，为什么监控设备看起来仍然与它以前所做的几乎相同？为什么当需求发生如此巨大的变化时，监控用户仍然在笨重的台式机上闲逛，或者与动力不足的手持分析仪妥协？最重要的是，是否有一个可行的替代方案不牺牲性能或能力？

为什么传统的频谱分析仪不足以适用？

在这种情况下，传统的基于硬件的频谱分析仪，实验室和台式机设备，仍然被认为是频谱监测应用的标准。然而，随着世界围绕这些设备发展，这种设备的可行性和有用性仅限于少数几种情况。

要了解为什么会发生这种情况，重要的是要记住基于硬件的分析仪从来没有专门为频谱监测而设计。相反，它们在研究实验室中用于研究特定的感兴趣信号。它们很少需要移动，研究人员将使用它们对特定波形进行深入分析。结果，它们具有广泛的硬件功能，并内置了处理，显示和拨盘。这使它们体积庞大，不适应且昂贵，通常每个设备成本高达10万美元以上。
尽管它们并未针对监管进行优化，但它们一度是可用的最佳选择。通过提供比其他可用设备更高的频率和带宽性能，它们可以满足当今基本的集中监管要求。但是随着监管的发展，传统台式仪器的限制变得更加明显。

由于没有合理的方式升级设备，用户只能使用可用的硬件组件的功能。而且由于它们是如此昂贵，因此更换它们的想法是一个冒险的决定。另外，用户对它们很熟悉并且感到满意。结果，他们只是习惯了这些限制，接受了它们，并认为没有更好的方法。

传统频谱分析仪在频谱监测应用中的使用已达到一个极点，因为与此设备相关的局限性限制了它们的实用性。 那么，存在哪些替代方案？与当前标准相比，它们具有哪些优势？

基于传统硬件的频谱分析仪的优势

• 高频和带宽性能
• 用户熟悉功能
• 在深入分析已知或特定感兴趣信号时有效

基于传统硬件的频谱分析仪的局限

• 不适用于频谱监测
• 庞大，笨重且耗电，导致缺乏便携性
• 昂贵，通常每单位成本超过100,000美元
• 缺乏灵活性或多功能性，使用户无法使用内置的硬件功能
• 随着时间的推移难以升级或适应，使它们过时或无效
• 并非为远程或就地监视应用程序设计的网络功能

软件定义的无线电如何带来全新的变革？

软件定义的无线电是一类可以通过软件而非硬件进行重新编程和重新配置的无线电。基本上，它采用了专用硬件组件中曾经完成的一些工作，例如调谐，接收和解调，并将它们转移到软件功能上。

SDR技术，计算和网络技术的进步相结合，带来了新一代软件定义的频谱分析仪，这些频谱分析仪是专为复杂的频谱监控应用而设计和构建的。

在软件定义的频谱分析仪中，该软件在薄而宽的硬件上运行，以提供更大的灵活性和多功能性。硬件组件往往仅构成从RF到IF的数字转换。然后可以连接便宜的标准PC，以提供用于数字信号处理，信号分析和其他功能所需的计算能力。

结果，用户不仅限于内置的性能和功能。通过连接到任何笔记本电脑，分析仪可以利用PC获得计算能力的提高和高性能处理成本的降低。然后可以将软件功能为各种环境，感兴趣的信号和应用而调整。

专为频谱监管应用而设计和制造
与传统的分析仪相比，软件定义的频谱分析仪已经过设计和制造，可以从一开始就进行监控。 使用更少，更简单的硬件组件，可以大大减少这些分析仪的尺寸，重量和功耗。 这种紧凑的外形，加上专用的可联网性，使其对于在任何位置的远程部署都极为灵活。

与传统硬件的另一个主要区别在于，软件定义的分析仪可以轻松升级，而无需更换设备本身。随着更高频率和更宽带宽中引入新标准的推出，这些分析仪以较低的成本提供了适应性和演进性的灵活性，从而大大延长了设备的使用寿命。

基于软件定义的频谱分析仪的优势

• 具有更大的多功能性，可以在更多环境中进行部署和监视。
• 更好的频率和带宽性能，可实时检测复杂的波形和各种感兴趣的信号。
• 无需更换硬件组件即可进行升级的功能，以访问其他功能并延长设备的使用寿命。
• PC驱动以充分利用任何笔记本电脑的高性能，多功能性和低成本。
• 紧凑的外形，减少了尺寸，重量和功率（SWaP）要求。
• 用于就地监视应用程序的远程部署。

基于软件定义的频谱分析仪的局限

• 不适用于需要专用硬件的高级功能的实验室环境。
• 用户对其现有设备感到不适的缺乏熟悉。
• 无内置显示器。

应用

信号情报/电子情报（SIGINT / ELINT）
SIGINT用户一直在监视频谱中是否存在感兴趣的已知或未知信号。他们需要在各种环境和部署场景中检测传统的窄带信号，间歇性和短时信号以及新兴的宽带数字通信。与任何航空航天和国防设备一样，SWaP和集成到更大系统中的能力是重要的要求。由于应用程序的关键任务性质和电子战的兴起，性能和可靠性也是必须的。

软件定义的频谱分析仪为SIGINT用户提供了性能，多功能性，适应性和紧凑外形的正确组合。这些分析仪具有更高的频率范围和带宽性能，快速的扫描速率以及极高的捕获概率，可最大限度地提高信号检测能力。宽的瞬时带宽，深的动态范围以及与领先的第三方软件一起使用的能力为用户提供了强大的分析工具。借助网络和触发功能，它们可以远程部署，以便对频谱环境进行连续监视，从而增加了检测的可能性。

技术监视对策（TSCM）
TSCM用户面临独特的挑战，因为他们通常不确定要寻找的信号类型，甚至不确定信号是否真正存在。通常，恶意行为者使用不频繁的低功率传输，这种传输可能会在工作时间之外不定期地发生。因此，具有进行就地监视和传统扫描以检测隐藏设备的能力非常重要。借助在线上高度敏感和机密的数据，受过训练的专业人员在各种复杂环境中检测，查找和删除非法设备的能力得到了很大的发挥。

增加检测可能性的一种方法是分布式部署，连续的监视解决方案，该解决方案利用了软件定义的频谱分析仪的优势。凭借紧凑，轻巧和便携的外形，TSCM专业人士可以使用单一一致的解决方案进行扫地和就地监控。能够在正常工作时间之外从远程位置连续进行监视的功能，为用户提供了另一种工具，以检测不常见或功率较低的信号，否则这些信号将丢失。

监管机构
随着无线通信技术的使用变得越来越广泛，新标准陆续推出，并且潜在的无论是无意的干扰还是恶意的干扰都在增加，监控站和现场的频谱调节器都要求性能和便携性的正确组合，这超出了传统手持设备的能力。

具有传统实验室频谱分析仪性能的联网，可远程部署和便携式软件定义的频谱分析仪可提供更高的频率范围和带宽覆盖范围，以在人口稠密的无线环境中进行监控。 软件提供的多功能性和灵活性使用户能够以较低的成本检测干扰或其他未经许可的信号，而无需牺牲最新标准所需的性能。

结论

传统频谱分析仪已经用于频谱监测应用多年，例如SIGINT / ELINT，TSCM和监管监测。但这主要是由于存在可行的替代方案有限的事实。但是，SDR技术的进步已被一类新的软件定义的频谱分析仪所取代，这些频谱分析仪是为在复杂环境中进行频谱监控而设计和构建的。随着传统设备的缺点越来越多地限制了它们的有效性，软件定义的频谱分析仪使用户能够以更低的成本，更小的外形尺寸以及更多的通用性和适应性来查看整个画面。

附：软件定义的ThinkRF R5550实时频谱分析仪
专为频谱监控应用（例如SIGINT / ELINT，TSCM和监管监控）而构建。与基于硬件的传统频谱分析仪相比，R5550分析仪具有高达27 GHz的频率范围和100 MHz的实时带宽（可通过选件扩展到160MHz），可提供更大的多功能性，更好的性能和更多功能。

使用获得专利的软件定义无线电技术以及广泛的第三方应用程序，API和开发环境阵容，可以在更多位置进行监视，检测复杂的波形并分析新技术和标准。文章参考：https://hongsat.com/source-support/article/spectrum-analyzer/why-sdr-spectrum/