美国车载式频谱测量系统研究

梁　骁，罗士伟

（国家无线电监测中心哈尔滨监测站，哈尔滨　150010）



美国车载式频谱测量系统研究

梁骁，罗士伟

（国家无线电监测中心哈尔滨监测站，哈尔滨150010）

摘要：美国车载式频谱测量系统（RSMS）是世界上具有代表性的无线电监测车产品之一，本文将对其主要技术性能与应用进行介绍。

关键词：RSMS；技术性能；应用

1　引言

无线电监测车是无线电管理工作中重要的技术手段，美国在这方面的研发工作起步很早，发展到今天已形成具有世界先进水平的一套完整、成熟的产品体系，即车载式无线电频谱测量系统（Radio Spectrum Measurement System，RSMS）。国家电信和信息管理局（NTIA）是美国重要的无线电监管机构，也是RSMS的研发与使用单位。下面将对NTIA的基本情况以及RSMS的搭载平台、系统布局、设备配置、监测能力、实际应用等要点进行研究和介绍。

2　NTIA简介

国家电信与信息管理局（NTIA）成立于1978年，隶属于美国商务部，主要负责美国联邦政府的电信管理工作，其部分职责是建立并完善频谱应用相关政策，并为不同机构和部门提供指导以确保他们的电信活动符合这些政策[1]。NTIA收集联邦政府的无线电频谱数据，用来支持以下方面的频谱分析工作：频谱资源评估，电磁兼容分析，涉及政府无线电系统的干扰解决以及联邦政府使用的新无线电系统的技术复审等。针对上述监管职责和工作需求，NTIA下属的电信科学研究院（ITS）研发了车载式无线电频谱测量系统（RSMS），并利用其开展无线电监测工作。

NTIA的无线电监测工作主要由下属的频谱管理办公室（OSM）和ITS承担。其中，OSM主要负责管理美国联邦政府机构的无线电频谱使用；ITS是NTIA的设计研发与项目建设中心，RSMS的行政管理权归其所有[2]。上述两个机构在无线电监测方面一直开展着卓有成效的合作，双方通过磋商来安排具体的监测工作。ITS负责实际监测操作，为OSM提供测量数据；OSM则依靠这些数据对政府部门使用的无线电系统进行跟踪监测和长期监督，并对频谱使用情况进行分析。

3　RSMS研究与介绍

3.1RSMS承担的职责与任务

RSMS作为NTIA重要的无线电监测工具，负责为联邦频谱管理者、国会及行政部门提供无线电频谱数据、数据分析结果和相关报告[3]。RSMS承担的具体任务是：

⊙ 通过对30MHz-20GHz频段进行宽带频谱测量，来监测美国无线电频谱的使用情况。

⊙ 对独立发射器（包括雷达、通信链路、导航发射器等）的无线电发射特征进行测量，以确保其遵守监管规则。

⊙ 测量政府用户与非政府用户的发射器（接收器）之间的电磁兼容情况。OSM依据测量结果开展频谱划分工作，以提高频谱利用率、降低未来发生无线电干扰的几率。

⊙ 解决涉及到联邦政府无线电系统的无线电干扰问题。

3.2RSMS介绍

RSMS是独立的、由计算机控制的可移动无线电接收系统。NTIA当前使用的RSMS为第三代产品，称为RSMS-3，具备先进的频谱测量与分析能力，主要测量频段为30MHz-20GHz，典型的现场测量工作频段为100MHz-18GHz。RSMS可在全自动、半自动、全手动的工作模式下对以下无线电发射器所发射的信号进行测量和分析：大功率雷达、移动无线电台及其基站、导航信标及转发器、点对点微波通信链路、地球站发射机、低功率发射设备等[4]。

（1）测量系统的搭载平台。为了能够在不同地理环境下开展现场监测，ITS将测量系统设计的轻巧、便携，以便于将其装载在高性能雪佛兰卡车上；若有远距离快速部署需求，则可用运输机运送RSMS。如图1所示。

图1 RSMS

（2）内部布局。如图2所示，在车辆后轴部位，横向设置了四个标准高度的设备机柜，这些机柜将箱状设备舱分成前后两部分。前部为工作区域，监测者可在这里操作设备；而后部区域则提供了面向机柜背面的通道；机柜下部设有用来保存机密资料的保险柜；车厢内装有两个伸缩式天线杆，并由一台发电机和两个空调来平衡大天线杆所在那侧的重量；车厢内的测量隔间十分密闭且没有窗户，与外界隔离的独立空间为监测系统提供了良好的无线电频谱测量环境；可伸缩的天线杆能将天线升到离地面八米多的高度。这些设计保证了RSMS具备良好的信号接收与测量能力。

（3）系统配置。RSMS装配了两套独立的频谱测量系统（见图3中的左右两列机柜），分别适用于测量频谱的高频及低频部分。高频系统用于测量1GHz-19.7GHz，天线的射频前端位于大天线杆顶部。测量时，天线会从装在车厢后部的大天线杆上升起，射频前端会起到减少过载线路损耗的作用；低频系统工作在100MHz-1GHz，天线的射频前端位于操作室内。在进行频谱测量时，天线会从装在车厢前部的天线杆上升起。

图2 RSMS结构图

图3 RSMS的设备机柜

图4 RSMS现场测量情景

两套系统使用独立的天线、射频前端、天线杆、频谱仪和计算机，但共同使用进行特殊监测、分析和检修的辅助设备。辅助设备包含脉冲序列分析仪、调制解调器、调制域分析仪、旋转控制器、信号发生器、电源、低噪声放大器等。

（4）天线配置。全向天线和斜极化双锥天线是RSMS进行现场测量时最常用的，这些天线可对不同的信号极化方式作出良好响应。

RSMS配备了测量0.1-1GHz斜极化对数周期天线，以及测量0.5-20GHz，1-12GHz，2-8GHz，8-20GHz的全向斜极化双锥天线。RSMS通常还携带一副覆盖0.1GHz-20GHz的宽带天线作为补充。除对数周期天线和全向天线外，RSMS也装备了多种宽带背腔螺旋天线，覆盖频段范围分别为1-12GHz，8-18GHz，0.4-2GHz。这些天线适用于测向，也可用作现场测量的辅助天线。图4为RSMS在洛杉矶进行现场测量时的场景，从中可以看到一些天线。

（5）操作软件DA。ITS专为RSMS研发了名为“数据捕获”的操作软件，英文简称DA（Data Acquisition）。该软件有四个子程序，分别为接收机算法子程序、频谱分析子程序、射频前端子程序和核准子程序，监测者通过它们来控制测量系统的各项功能。

（6）常用测量算法。由于发射器的特性十分多样，人们对相关数据的需求又很大，因此，ITS有针对性的研发出许多不同类型的测量算法。将这些测量算法与DA子程序结合起来，就可组成不同的测量系统。不过，由于所有的算法都基于对感兴趣频段进行扫描或者对频谱进行一系列的离散步进测量，故而可将算法分为扫描算法和步进算法。

在频谱测量中，扫描算法通常用来测量高性能连续发射机对频段的占用情况，如移动无线电台和电视发射机；步进算法则用来测量小功率发射机对频段的占用情况，如无线电定位设备等。

3.3RSMS应用实例

ITS使用RSMS在美国多地开展过现场测量（宽带频谱测量）工作[5]。现场测量的目的是摸清目标地区内感兴趣频段的频谱利用情况。监测者需根据所测频段的特点设置好监测系统的各项配置，选择合适的测量算法。测量获得的数据主要用于分析频谱占用情况，找到那些未被占用的频段以及分析外部噪声与热噪声对测量的影响。RSMS通常要在一个地点进行为期两周的测试，才能得到充分的数据。测试系统会在计算机控制下进行每天24小时连续监测。

图5 RSMS现场测量138-162MHz频段结果

图5为138MHz-162MHz频率占用度测量结果。图中三条线分别标记了每个截收信号的最大、最小和平均电平值的情况，图上红框里则标注了监测频段所对应的业务类型：军用陆地移动无线电业务、业余业务和商业陆地移动无线电业务。

图6为902MHz-928MHz测量结果，由于测量对象为军用雷达，因此监测者选择步进算法进行测量，并辅以正波峰检波器。

图6 RSMS现场测量902MHz-928MHz频段结果

图7为2300MHz-2500MHz测量结果，由于测量对象为微波发射器，因此监测者选择扫描算法，并使用了最大保持检波器。

图7 RSMS现场测量2300MHz-2500MHz频段结果

图8 RSMS现场测量2500MHz-2700MHz频段

图8为2500MHz-2700MHz测量结果。针对该频段业务（多路微波分配业务、教育电视固定服务、个人点对点通信业务）特点，监测者使用高增益抛物面天线并结合扫描算法进行测量，同时使用了最大保持检波器。图中蓝色线条表示了天线在360度旋转时测量系统所截收信号的最大电平值。

通过上述图示可看出RSMS具备比较强大的监测能力，此外，RSMS也能执行其他测量任务。

（1）测量扩展发射频谱。测量独立发射机（尤其是雷达）的辐射和发射频谱，是RSMS的一大强项。高灵敏度与交互式射频前端衰减的结合，让RSMS能够在几千兆赫兹的频段范围内对无线电发射机的频谱进行常规测量。

（2）方向扫描。这种特殊的测量程序用于判断在特定位置上，所测量信号（包括那些通过非常规途径传输的信号）的可接收情况。测量时，RSMS抛物面天线会在地平线上360度旋转并记录下所接收的信号强度。这些数据形式的结果表明了在所有方向上信号的可接收程度，并可描绘出任何存在的视距传输外的传播路径。

（3）测量发射机的性能。RSMS能够测量和记录多种发射机所发信号的特征。测量中，可将某个接收到的信号挑出来，对其监测并进行细节分析。这些特殊的测量和分析可用于判断已知发射源的空间辐射特性或用来确认未知发射源。可测得的发射机特性包含：调谐频率、波束扫描方式、波束扫描间隔、辐射天线模式、调制类型、脉冲宽带、脉冲重复速率、脉冲抖动、脉冲交错和脉冲间隔调制。

3.4RSMS未来发展

随着无线电技术的快速发展，NTIA对RSMS无线电监测能力的要求也不断提高。为了给联邦政府提供在频谱管理、使用评估和无线电干扰解决等方面更直接、更有效的支撑，ITS正在实施第四代RSMS项目，即RSMS-4（如图9所示），它装备了更先进的设备、采用了更先进的测量技术，具备更强的分析能力。RSMS-4拥有新的宽带频谱测量与校准功能，可对新出现的无线电技术进行监测评估。同时，也加强了信号识别、发射源测向、远程控制等功能。

RSMS-4的投入使用将会增强美国联邦政府在更宽频段、更高频率相关监测方面的技术能力。同时，由于所使用的商业化专业测量设备可通过计算机接口进行本地或远程配置，因此，新测量功能将会更容易满足用户的测量需求。另外，车载电源系统会更安静，测量系统所处环境将更适合开展监测工作，尤其是对小信号进行测量。

图9 RSMS-4

4　结束语

根据上文的研究和介绍，可将RSMS的发展特点总结如下：经过长期的积累和改进，RSMS各方面的测量功能都比较完善，能够较好的满足美国无线电监测需求；NTIA不但拥有独立研制RSMS的能力，而且能够为车载系统开发相应的操作控制软件，可见其技术能力相当完备、强大；在RSMS的未来发展上，NTIA有着非常清晰的思路，其紧紧抓住了美国所面临的无线电监测挑战，做到了应用与预研的紧密衔接和深度结合。上述内容值得我国无线电管理部门思考和借鉴。

参考文献

[1]NTIA官方网站：http://www.ntia.doc.gov/offices,2015.10.11

[2]NTIA官方网站：http://www.ntia.doc.gov/category/institute-telecommu nication-sciences

[3]ITS官方网站：http://www.its.bldrdoc.gov/programs/rsms/rsms-home.aspx

[4]NTIA官方文档，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

作者简介：梁骁，2009年入职国家无线电监测中心哈尔滨监测站，从事无线电监测工作。罗士伟，2012年入职国家无线电监测中心哈尔滨监测站，从事无线电监测工作。

中图分类号：TN98文献标示码：A文章编码：1672-7274（2016）03-0062-05

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.03.018