Das Funkfrequenzspektrum ist ein begrenztes Gut, das streng reguliert, verwaltet und von allen Nationen, Herstellern und Bürgern gemeinsam genutzt wird. Wer gegen die Vorschriften verstößt und außerhalb der Lizenzbestimmungen operiert, riskiert eine Geldstrafe. Das Auftreten von Störungen oder anderen unerwünschten Signalen im eigenen Funkfrequenzband ist für manche ein alltägliches Phänomen und bereitet vielen, die mit anspruchsvollen oder kritischen Funkanwendungen zu tun haben, große Sorgen.
Hinzu kommen die Verbreitung von C-Band- und Millimeterwellen-5G-Sendern sowie kostengünstigen Funksendern, die zum Teil dem Internet der Dinge zu verdanken sind. Angesichts von mittlerweile über 20 Milliarden drahtlosen Geräten weltweit und Fortschritten bei Drohnen, maschinellem Lernen, KI und Deep Data besteht die Notwendigkeit, das Funkspektrum kontinuierlich zu überwachen, um Funkstörungen oder relevante Signale schneller und effizienter zu erkennen und zu lokalisieren.
Diese und andere Branchen- und Umwelttrends (COVID-19) haben drei wesentliche Herausforderungen für die Systemgestaltung im Zusammenhang mit der Spektrumüberwachung geschaffen.
EINS: Umgang mit technischen Herausforderungen
Beim Aufbau eines Spektrumüberwachungs- oder HF-Sensor-basierten Systems müssen sechs wesentliche technische Anforderungen erfüllt werden. Sie sind hier zusammengefasst:
- Interest Signals of Interest (SOI) aus der Ferne überwachen — Nicht alle Sensoren oder Spektrumanalysatoren sind gleich, wenn es darum geht, programmgesteuert von einem entfernten Standort aus zu kommunizieren. Berücksichtigen Sie die Bandbreite für die Übertragung der aufgezeichneten HF-Daten und -Ergebnisse und beziehen Sie Umgebungsfaktoren in die Wahl von Größe, Gewicht und Leistung Ihres HF-Sensors mit ein, da der HF-Sensor möglicherweise über einen längeren Zeitraum im Feld eingesetzt wird. Es ist wichtig, die Möglichkeit zu haben, einen PC aus der Ferne ein- und auszuschalten sowie eine Systemwiederherstellung durchzuführen, falls der PC oder der AR-Sensor abstürzt oder sich aufhängt. Zum Glück wird der Fernzugriff größtenteils in einer stabilen und leistungsstarken Windows- oder Linux-Umgebung unterstützt.
- Detektion kurzzeitiger oder transienter HF-Signale (SOI) – Um Störungen oder interessante Signale im Feld effektiv zu überwachen und sie gegebenenfalls zu identifizieren, ist es wichtig, so viele Informationen wie möglich darüber zu sammeln, wie sich das Spektrum über kurze und lange Zeiträume verändert. Sie möchten die Daten protokollieren und später die einzelnen Spuren vergleichen können.
Was die Werkzeuge anbelangt, so sind die heutigen Echtzeit-Spektrumanalysatoren in der Lage, dem Benutzer eine 100-prozentige Wahrscheinlichkeit zu bieten, Signale abzufangen, die in einigen Fällen nur 15 Mikrosekunden oder kürzer sind. Im Gegensatz zum Echtzeit-Spektrumanalysator sind andere Empfänger oder Analysatoren mit geringerer Leistung nicht in der Lage, eine garantierte Abfangwahrscheinlichkeit für Signale von kurzer Dauer zu bieten, da ihre traditionelle, überarbeitete Hardwarearchitektur, die von niedriger Frequenz zu höherer Frequenz übergeht.
- Charakterisierung der relevanten Signale – Hierbei versuchen wir, anhand bestimmter Signalcharakteristika eine Übereinstimmung herzustellen und ein Profil auf Basis von Parametern wie Frequenz, Bandbreite, Leistung, Impulsfolgefrequenz und Crestfaktor zu erstellen. Beispielsweise verwendet das gepulste Radar typischerweise HF-Impulse mit sehr niedrigem Tastverhältnis (in der Regel weniger als 10 %), und Reichweite und Auflösung werden durch die Impulsfolgefrequenz (PRF) bestimmt. Sie wird außerdem durch die Impulsbreite und die Sendeleistung bestimmt. Bei der Bestimmung des Pulsfolgeintervalls ist Schnelligkeit wichtig, um Empfängern und Störsendern die entsprechenden Informationen für ein Eingreifen zu liefern.
- Signalidentifizierung – Angesichts der zunehmenden Überlastung komplexer digital modulierter Signale, die heutzutage in drahtlosen Systemen, insbesondere in städtischen Umgebungen, verwendet werden, wird die Signalidentifizierung und -analyse im Feld immer schwieriger. Sie erfordert die richtige Kombination aus Messgeräten und Fachwissen, um die vielen verschiedenen Signale innerhalb eines gegebenen Frequenzbandes korrekt zu trennen und zu identifizieren.
- Lokalisierung der Störquelle oder des SOI – Um ein Signal mithilfe spezieller Signalverarbeitungsalgorithmen wie der Laufzeitdifferenzmessung (TDOA) oder der Ankunftswinkelmessung (AOA) oder auch einfacherer Formen der Funkortung wie der Triangulation zu lokalisieren, benötigen Sie mindestens zwei gute Messungen, vorzugsweise vier oder mehr, um die größtmögliche Genauigkeit und Auflösung sowie den größten Raum für Ihr Ziel zu erhalten. Sie müssen also Messungen an mehreren Orten mit stationären oder tragbaren Spektrumanalysatoren oder Sensoren oder möglicherweise einer Kombination aus beiden erfassen.
- Aufnahme und Wiedergabe in allen Umgebungen — Wenn Sie tragbare Spektrumanalysatoren haben, die Signale mithilfe von WAV-Dateien oder Trace-Dateien aufzeichnen, Sie dann aber feste HF-Rekorder haben, die I & Q- oder IF-Datenerfassungen oder -streams aufzeichnen, werden Sie auf Kompatibilitätsprobleme stoßen, und es wird Ihnen wahrscheinlich schwer fallen, Datenströme zu vergleichen. Diese Aufgabe gestaltet sich noch schwieriger, wenn Ihre Organisation oder Ihr Team mit Geräten verschiedener Hersteller zusammenarbeitet.
ZWEI: Aufrechterhaltung der Einsatzbereitschaft
Die zweite Herausforderung besteht in der Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft des Spektrumüberwachungssystems. Dies bedeutet a) die Fähigkeit, neue innovative Spektrumüberwachungstechnologien und -funktionen zu unterstützen, sobald diese verfügbar sind, b) die Veralterung alter Technologien zu unterstützen und abzumildern, c) einen einfachen Übergang von alten zu neuen Technologien zu ermöglichen und d) die Interoperabilität zwischen verschiedenen Plattformen zu erleichtern. Es ist wichtig, die Auswirkungen von Veränderungen sowie neuer Technologien zu isolieren, da diese zu Fehlern, verpassten Ereignissen oder Risikoszenarien führen könnten. Bei der Suche nach Störungen oder Signalen im Gelände kann es vorkommen, dass Ihr Handgerät von Zeit zu Zeit herunterfällt. Daher ist es wichtig, eine robuste Lösung zu haben, die auch unter verschiedensten rauen Wetterbedingungen funktioniert.
DREI: Leistung und Preis im Gleichgewicht halten
Es gibt Einschränkungen eines Swept-Spektrumanalysators, die sich auf die Leistung auswirken und direkt mit dem Preis zusammenhängen. Darüber hinaus gibt es auch bei dem USB-basierten Echtzeit-Signalanalysator Einschränkungen. Gleiches gilt für herkömmliche Wiedergabesysteme oder Breitband-HF-Aufnahmeempfänger. Alle diese Systeme sind sehr einzigartig, aber dennoch notwendig für jeden, der gleichzeitig lange Zeiträume mit breiten Spektrumsbandbreiten in Echtzeit aufzeichnen und analysieren muss.
USB-Echtzeit-Signalanalysatoren eignen sich hervorragend und bieten ein gutes Verhältnis von Leistung und Preis für Labor-, mobile sowie stationäre oder Remote-Anwendungen. Sie stellen eine kostengünstige Alternative zu übermäßig aufwendigen herkömmlichen Überwachungssystemen oder Breitband-HF-Aufzeichnungssystemen dar. Und wenn mehrere USB-basierte HF-Sensoren vernetzt und zeitlich miteinander korreliert werden, ist es möglich, mehrere momentane Bandbreiten zusammenzufügen und eine Breitbandspektrumüberwachung durchzuführen, wie man es mit einem System tun würde, das 100-mal teurer ist.