軟件無線電在無線電監(jiān)測領域中的應用

2022-08-03 08:59陳鈺羽董城愿

數(shù)字通信世界 2022年7期

陳鈺羽，董城愿，陳棋

（國家無線電監(jiān)測中心云南監(jiān)測站，云南昆明 650031）

1 軟件無線電工作原理

軟件無線電，就是采用軟件數(shù)字信號處理技術，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來實現(xiàn)無線電臺的各部分功能，包括前端接收、中頻處理以及調制解調等，都由軟件編程來完成。相較于傳統(tǒng)硬件無線電接收機，其具有很強的兼容性、可拓展性、開放性[1]。如圖1、圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)硬件無線電接收機

圖2 軟件無線電監(jiān)測工作原理框圖

2 現(xiàn)有軟件無線電在無線電監(jiān)測領域應用情況

隨著軟件無線電技術的快速興起，軟件無線電設備在市場上種類很多，如USRP系列、Airspy系列、SDRplay系列、KiwiSDR、FlightFeeder、WR-G33DC等產品。軟件無線電產品主要可分為兩類，一類是高性價比，深受無線電愛好者喜愛；另一類是高性能指標，此類設備廣泛應用于移動通信或是無線電監(jiān)測等領域。

針對本文重點研究軟件無線電在無線電監(jiān)測領域的應用，無線電管理部門主要采用高性能指標的WRG33DC等設備作為獨立的監(jiān)測接收機，高性價比的軟件接收機使用較少。然而高性價比的FlightFeeder、KiwiSDR已經(jīng)在網(wǎng)絡上形成了可數(shù)據(jù)共享的監(jiān)測測向網(wǎng)絡，分別為航空無線電愛好者、無線電愛好者提供了精準的航空飛行數(shù)據(jù)及良好的信號監(jiān)測平臺，為此，下文主要介紹FlightAware、KiwiSDR兩種監(jiān)測測向網(wǎng)絡，可為無線電管理部門開展無線電監(jiān)測工作提供借鑒。

2.1 FlightAware監(jiān)測測向網(wǎng)絡[2]

FlightAware主要用于向用戶提供準確的飛機飛行跟蹤數(shù)據(jù)。該網(wǎng)絡中包含20 000多個地面ADS-B及Mode S接收器，接收器主要類型為Flightfeeder、PiAware、Raspberry等，用戶可以通過網(wǎng)站免費申請Flightfeeder接收器，或者使用用戶自有的PiAware、Raspberry接收器加入該網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。接收器通過接收飛機上配備的ADS-B應答機信號，來識別飛機識別碼以及三維位置信號（緯度、經(jīng)度、高度），并將信號實時傳送至FlightAware，F(xiàn)lightAware將匯集數(shù)據(jù)并提供航班跟蹤數(shù)據(jù)和接口。針對未配備ADS-B的飛機，可以通過三個及以上的地面接收器接收飛機裝配的Mode S應答機信號（近100%的飛機都配備有Mode S），并利用TDOA工作原理對飛機進行跟蹤定位，從而向用戶提供航班追蹤數(shù)據(jù)。類似的還有VariFlight等網(wǎng)站，也是通過相同的工作機制，為用戶提供航班追蹤數(shù)據(jù)。

2.2 KiwiSDR短波監(jiān)測測向系統(tǒng)[3]

如圖3所示，KiwiSDR短波監(jiān)測測向系統(tǒng)具備頻譜監(jiān)測、信號監(jiān)聽、信號解調、IQ數(shù)據(jù)采集、TDOA定位、用戶自定義臺站數(shù)據(jù)庫等功能。系統(tǒng)對全球所有人員免費開放，支持手機端及PC端的各類瀏覽器進行訪問。任何用戶可對注冊在線的所有接收機進行隨意訪問和使用（目前該系統(tǒng)接收機在線數(shù)量多達669臺，400臺具備TDOA功能），可通過訪問網(wǎng)址隨時隨地獲取頻譜數(shù)據(jù)、開展信號監(jiān)測定位。KiwiSDR接收機工作頻段為10 kHz～30 MHz，配有GPS天線，價格低廉。也可以通過在前端增加帶通濾波器使其應用于118～132 MHz頻段，如圖4所示?，F(xiàn)有大多數(shù)軟件無線電接收機都要基于特定操作系統(tǒng)上的操作軟件才能實現(xiàn)原始IQ數(shù)據(jù)采集，而該接收機可作為獨立設備完成數(shù)據(jù)采集、信號分析等功能，也可以通過網(wǎng)址訪問實現(xiàn)監(jiān)測功能的聯(lián)網(wǎng)共享使用。同一臺接收機最多可支持8個用戶同時在線使用。

圖3 KiwiSDR 接收機

圖4 KiwiSDR拓展接收系統(tǒng)（118～132 MHz）

2.2.1 工作原理

KiWiSDR是軟件定義的無線電附接到一個Seeed BeagleBone（BBG）的嵌入式計算機，包括BBG、GPS天線和外殼，并且預裝在BBG上的軟件。其中，BBG是專為開發(fā)者和業(yè)余愛好者設計的、低成本、開源、社區(qū)支持的開發(fā)系統(tǒng)。用戶可通過遠程訪問KiWiSDR自身具備的各種功能，通過集成解碼器和到達時間差（TDOA）信號定位等擴展程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼和TDOA定位功能。

2.2.2 典型功能展示

2.2.2.1 全景頻譜監(jiān)測功能

圖5 10 kHz～30 MHz全景頻譜監(jiān)測功能

2.2.2.2 電波參數(shù)測量功能

系統(tǒng)支持包括頻率、功率電平、帶寬等電波參數(shù)測量功能。

圖6 電波參數(shù)測量功能

2.2.2.3 TDOA定位功能

系統(tǒng)具備TDOA定位功能，筆者利用系統(tǒng)中的三臺接收機對17815 kHz進行定位，定位位置為北馬里亞納群島，與實際發(fā)射位置相符。

2.2.2.4 解調解碼功能

系統(tǒng)支持AM、SAM、NBFM、DRM、LSB、

USB、CW、FSK、FT8、FAX、PSK31、CIS-12、XSQ、MWARA SP、HFDL、SITTOR tone、STANAG4529、PACTOR等多種信號解調解碼。

圖7 解調解碼功能

2.2.2.5 數(shù)據(jù)采集存儲功能

系統(tǒng)能夠完成信號音頻、IQ數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡服務器上，并支持用戶下載。

圖8 數(shù)據(jù)采集存儲功能

3 研究結論及建議

FlightAware監(jiān)測測向網(wǎng)絡及KiwiSDR無線電監(jiān)測系統(tǒng)均是采用價格低廉的軟件無線電接收機搭建而成的，能實現(xiàn)信號監(jiān)測分析、TDOA定位、解調解碼等功能，此類系統(tǒng)在網(wǎng)絡上的興起和應用，也為開展無線電監(jiān)測工作提供了一定的思考借鑒。

（1）類似于KiwiSDR的無線電監(jiān)測測向系統(tǒng)可作為傳統(tǒng)短波監(jiān)測測向系統(tǒng)的有效補充，尤其是在同頻信號分析定位、遠距離監(jiān)測定位等方面，可有效彌補傳統(tǒng)短波監(jiān)測測向系統(tǒng)在同頻信號定位難、遠距離定位精度不高等方面的缺陷。