無線通信技術(shù)已成為當(dāng)今信息驅(qū)動世界的重要組成部分。在如此依賴它的情況下，很容易忘記僅僅幾十年前頻譜環(huán)境的不同之處。這一轉(zhuǎn)變也使頻譜監(jiān)測要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了以前的標(biāo)準(zhǔn)。但是，雖然頻譜的使用繼續(xù)發(fā)展，用于監(jiān)測頻譜的設(shè)備基本上保持不變。然而，這些傳統(tǒng)的頻譜分析儀不再滿足當(dāng)今復(fù)雜、密集和多樣化環(huán)境下的監(jiān)測要求。
幸運的是，對于用戶來說，已經(jīng)為這些新的現(xiàn)實設(shè)計和構(gòu)建了一種新一代軟件定義的頻譜分析儀。基于相對較薄的軟件定義無線電(SDR)硬件設(shè)計，這些分析儀提供了更大的通用性，更好的性能，并增加了相對于傳統(tǒng)硬件，實驗室和手持設(shè)備的能力。這使用戶有能力以更低的成本和更豐富的多功能性獲得在今天的市場上的替代品，而且不損害性能。
本文將解釋頻譜的使用如何發(fā)展，以及它如何影響頻譜監(jiān)測應(yīng)用？例如信號情報/電子情報（SIGINT / ELINT），技術(shù)性反監(jiān)視對策（TSCM）和管理監(jiān)控。
說明為什么傳統(tǒng)的基于硬件的頻譜分析儀不適合這種新的現(xiàn)實應(yīng)用？
介紹軟件定義的頻譜分析儀如何為用戶帶來全新的變革？
展示三個常見的應(yīng)用案例，這些案例展示了利用軟件定義的無線電技術(shù)進(jìn)行頻譜監(jiān)測應(yīng)用的優(yōu)勢。
1、無線通信的興起
在過去的幾十年里，技術(shù)以驚人的速度進(jìn)步。智能手機、平板電腦、可穿戴設(shè)備、新興的物聯(lián)網(wǎng) （物聯(lián)網(wǎng)）和其他連接設(shè)備改變了我們的工作、玩樂和交流方式。不到10年前的尖端設(shè)備現(xiàn)在被認(rèn)為是完全過時的。當(dāng)然，隨著這些無線設(shè)備的不斷發(fā)展和普及，有必要應(yīng)對頻譜監(jiān)測的要求。
Cisco公司最近的一份報告強調(diào)了這一新的現(xiàn)實情況。2015年，全世界估計有163億個連接設(shè)備。隨著物聯(lián)網(wǎng)和其他技術(shù)的進(jìn)步越來越廣泛，這一數(shù)字將繼續(xù)迅速增加。同一份報告預(yù)計至少會有2020年有262億個連接設(shè)備，每個設(shè)備都利用日益擁擠的頻譜。
不僅有更多的設(shè)備，而且這些設(shè)備現(xiàn)在也發(fā)送和接收更多的信號。一個標(biāo)準(zhǔn)的iPhone7 可以檢測和傳輸多達(dá)9種不同類型的信號，從4G/LTE到藍(lán)牙和GPS。 這只是一個開始，因為研究人員正在繼續(xù)推動高頻和寬帶信號的邊界，以供商業(yè)用途。最近的5G實驗已經(jīng)測試了24、28、32和42 GHz頻段的生存能力，遠(yuǎn)高于2020年使用的傳統(tǒng)6 GHz范圍。
所有這些進(jìn)步導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)通過固定或移動無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。IBM估計，我們已經(jīng)每天創(chuàng)造了超過 2.5艾個字節(jié)的數(shù)據(jù)，即25億萬字節(jié)的數(shù)據(jù)。這也越來越多地推動了對無線流量的需求，如視頻流或游戲，或需要高速和低延遲的關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)。這些要求進(jìn)一步推動了對新的無線標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的需求，這些標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)可以滿足最終用戶的需求。
重要的是，對于SIGINT/ELINT、TSCM和監(jiān)管機構(gòu)的頻譜監(jiān)測用戶來說，這種多樣化的信號環(huán)境繼續(xù)以快速的速度發(fā)展。試回想僅僅幾十年前的頻譜監(jiān)測和今天的需求之間的差異。
隨著無線環(huán)境和依賴它的設(shè)備的變化如此之多，為什么監(jiān)控設(shè)備看起來仍然與它以前所做的幾乎相同？為什么當(dāng)需求發(fā)生如此巨大的變化時，監(jiān)控用戶仍然在笨重的臺式機上閑逛，或者與動力不足的手持分析儀妥協(xié)？最重要的是，是否有一個可行的替代方案不犧牲性能或能力？
2、為什么傳統(tǒng)的頻譜分析儀不足以適用？
在這種情況下，傳統(tǒng)的基于硬件的頻譜分析儀，實驗室和臺式機設(shè)備，仍然被認(rèn)為是頻譜監(jiān)測應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。然而，隨著世界圍繞這些設(shè)備發(fā)展，這種設(shè)備的可行性和有用性僅限于少數(shù)幾種情況。
要了解為什么會發(fā)生這種情況，重要的是要記住基于硬件的分析儀從來沒有專門為頻譜監(jiān)測而設(shè)計。相反，它們在研究實驗室中用于研究特定的感興趣信號。它們很少需要移動，研究人員將使用它們對特定波形進(jìn)行深入分析。結(jié)果，它們具有廣泛的硬件功能，并內(nèi)置了處理，顯示和撥盤。這使它們體積龐大，不適應(yīng)且昂貴，通常每個設(shè)備成本高達(dá)10萬美元以上。
盡管它們并未針對監(jiān)管進(jìn)行優(yōu)化，但它們一度是可用的最佳選擇。通過提供比其他可用設(shè)備更高的頻率和帶寬性能，它們可以滿足當(dāng)今基本的集中監(jiān)管要求。但是隨著監(jiān)管的發(fā)展，傳統(tǒng)臺式儀器的限制變得更加明顯。
由于沒有合理的方式升級設(shè)備，用戶只能使用可用的硬件組件的功能。而且由于它們是如此昂貴，因此更換它們的想法是一個冒險的決定。另外，用戶對它們很熟悉并且感到滿意。結(jié)果，他們只是習(xí)慣了這些限制，接受了它們，并認(rèn)為沒有更好的方法。
傳統(tǒng)頻譜分析儀在頻譜監(jiān)測應(yīng)用中的使用已達(dá)到一個極點，因為與此設(shè)備相關(guān)的局限性限制了它們的實用性。那么，存在哪些替代方案？與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)相比，它們具有哪些優(yōu)勢？
基于傳統(tǒng)硬件的頻譜分析儀的優(yōu)勢
-高頻和帶寬性能
-用戶熟悉功能
-在深入分析已知或特定感興趣信號時有效
基于傳統(tǒng)硬件的頻譜分析儀的局限
-不適用于頻譜監(jiān)測
-龐大，笨重且耗電，導(dǎo)致缺乏便攜性
-昂貴，通常每單位成本超過100,000美元
-缺乏靈活性或多功能性，使用戶無法使用內(nèi)置的硬件功能
-隨著時間的推移難以升級或適應(yīng)，使它們過時或無效
-并非為遠(yuǎn)程或就地監(jiān)視應(yīng)用程序設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)功能
3、軟件定義的無線電如何帶來全新的變革？
軟件定義的無線電是一類可以通過軟件而非硬件進(jìn)行重新編程和重新配置的無線電。基本上，它采用了專用硬件組件中曾經(jīng)完成的一些工作，例如調(diào)諧，接收和解調(diào)，并將它們轉(zhuǎn)移到軟件功能上。
SDR技術(shù)，計算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步相結(jié)合，帶來了新一代軟件定義的頻譜分析儀，這些頻譜分析儀是專為復(fù)雜的頻譜監(jiān)控應(yīng)用而設(shè)計和構(gòu)建的。
在軟件定義的頻譜分析儀中，該軟件在薄而寬的硬件上運行，以提供更大的靈活性和多功能性。硬件組件往往僅構(gòu)成從RF到IF的數(shù)字轉(zhuǎn)換。
然后可以連接便宜的標(biāo)準(zhǔn)PC，以提供用于數(shù)字信號處理，信號分析和其他功能所需的計算能力。
結(jié)果，用戶不僅限于內(nèi)置的性能和功能。通過連接到任何筆記本電腦，分析儀可以利用PC獲得計算能力的提高和高性能處理成本的降低。然后可以將軟件功能為各種環(huán)境，感興趣的信號和應(yīng)用而調(diào)整。
專為頻譜監(jiān)管應(yīng)用而設(shè)計和制造
與傳統(tǒng)的分析儀相比，軟件定義的頻譜分析儀已經(jīng)過設(shè)計和制造，可以從一開始就進(jìn)行監(jiān)控。使用更少，更簡單的硬件組件，可以大大減少這些分析儀的尺寸，重量和功耗。這種緊湊的外形，加上專用的可聯(lián)網(wǎng)性，使其對于在任何位置的遠(yuǎn)程部署都極為靈活。
與傳統(tǒng)硬件的另一個主要區(qū)別在于，軟件定義的分析儀可以輕松升級，而無需更換設(shè)備本身。
隨著更高頻率和更寬帶寬中引入新標(biāo)準(zhǔn)的推出，這些分析儀以較低的成本提供了適應(yīng)性和演進(jìn)性的靈活性，從而大大延長了設(shè)備的使用壽命。
基于軟件定義的頻譜分析儀的優(yōu)勢
-具有更大的多功能性，可以在更多環(huán)境中進(jìn)行部署和監(jiān)視。
-更好的頻率和帶寬性能，可實時檢測復(fù)雜的波形和各種感興趣的信號。
-無需更換硬件組件即可進(jìn)行升級的功能，以訪問其他功能并延長設(shè)備的使用壽命。
-PC驅(qū)動以充分利用任何筆記本電腦的高性能，多功能性和低成本。
-緊湊的外形，減少了尺寸，重量和功率（SWaP）要求。
-用于就地監(jiān)視應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程部署。
基于軟件定義的頻譜分析儀的局限
-不適用于需要專用硬件的高級功能的實驗室環(huán)境。
-用戶對其現(xiàn)有設(shè)備感到不適的缺乏熟悉。
-無內(nèi)置顯示器。
4、應(yīng)用
信號情報/電子情報（SIGINT / ELINT）
SIGINT用戶一直在監(jiān)視頻譜中是否存在感興趣的已知或未知信號。他們需要在各種環(huán)境和部署場景中檢測傳統(tǒng)的窄帶信號，間歇性和短時信號以及新興的寬帶數(shù)字通信。與任何航空航天和國防設(shè)備一樣，SWaP和集成到更大系統(tǒng)中的能力是重要的要求。由于應(yīng)用程序的關(guān)鍵任務(wù)性質(zhì)和電子戰(zhàn)的興起，性能和可靠性也是必須的。
軟件定義的頻譜分析儀為SIGINT用戶提供了性能，多功能性，適應(yīng)性和緊湊外形的正確組合。這些分析儀具有更高的頻率范圍和帶寬性能，快速的掃描速率以及極高的捕獲概率，可最大限度地提高信號檢測能力。寬的瞬時帶寬，深的動態(tài)范圍以及與領(lǐng)先的第三方軟件一起使用的能力為用戶提供了強大的分析工具。借助網(wǎng)絡(luò)和觸發(fā)功能，它們可以遠(yuǎn)程部署，以便對頻譜環(huán)境進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，從而增加了檢測的可能性。
技術(shù)監(jiān)視對策（TSCM）
TSCM用戶面臨獨特的挑戰(zhàn)，因為他們通常不確定要尋找的信號類型，甚至不確定信號是否真正存在。通常，惡意行為者使用不頻繁的低功率傳輸，這種傳輸可能會在工作時間之外不定期地發(fā)生。因此，具有進(jìn)行就地監(jiān)視和傳統(tǒng)掃描以檢測隱藏設(shè)備的能力非常重要。借助在線上高度敏感和機密的數(shù)據(jù)，受過訓(xùn)練的專業(yè)人員在各種復(fù)雜環(huán)境中檢測，查找和刪除非法設(shè)備的能力得到了很大的發(fā)揮。
增加檢測可能性的一種方法是分布式部署，連續(xù)的監(jiān)視解決方案，該解決方案利用了軟件定義的頻譜分析儀的優(yōu)勢。憑借緊湊，輕巧和便攜的外形，TSCM專業(yè)人士可以使用單一一致的解決方案進(jìn)行掃地和就地監(jiān)控。能夠在正常工作時間之外從遠(yuǎn)程位置連續(xù)進(jìn)行監(jiān)視的功能，為用戶提供了另一種工具，以檢測不常見或功率較低的信號，否則這些信號將丟失。
監(jiān)管機構(gòu)
隨著無線通信技術(shù)的使用變得越來越廣泛，新標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)推出，并且潛在的無論是無意的干擾還是惡意的干擾都在增加，監(jiān)控站和現(xiàn)場的頻譜調(diào)節(jié)器都要求性能和便攜性的正確組合，這超出了傳統(tǒng)手持設(shè)備的能力。
具有傳統(tǒng)實驗室頻譜分析儀性能的聯(lián)網(wǎng)，可遠(yuǎn)程部署和便攜式軟件定義的頻譜分析儀可提供更高的頻率范圍和帶寬覆蓋范圍，以在人口稠密的無線環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)控。軟件提供的多功能性和靈活性使用戶能夠以較低的成本檢測干擾或其他未經(jīng)許可的信號，而無需犧牲最新標(biāo)準(zhǔn)所需的性能。
5、結(jié)論
傳統(tǒng)頻譜分析儀已經(jīng)用于頻譜監(jiān)測應(yīng)用多年，例如SIGINT / ELINT，TSCM和監(jiān)管監(jiān)測。但這主要是由于存在可行的替代方案有限的事實。但是，SDR技術(shù)的進(jìn)步已被一類新的軟件定義的頻譜分析儀所取代，這些頻譜分析儀是為在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行頻譜監(jiān)控而設(shè)計和構(gòu)建的。隨著傳統(tǒng)設(shè)備的缺點越來越多地限制了它們的有效性，軟件定義的頻譜分析儀使用戶能夠以更低的成本，更小的外形尺寸以及更多的通用性和適應(yīng)性來查看整個畫面。
附：軟件定義的ThinkRF R5550實時頻譜分析儀
專為頻譜監(jiān)控應(yīng)用（例如SIGINT / ELINT，TSCM和監(jiān)管監(jiān)控）而構(gòu)建。與基于硬件的傳統(tǒng)頻譜分析儀相比，R5550分析儀具有高達(dá)27 GHz的頻率范圍和100 MHz的實時帶寬（可通過選件擴(kuò)展到160MHz），可提供更大的多功能性，更好的性能和更多功能。
使用獲得專利的軟件定義無線電技術(shù)以及廣泛的第三方應(yīng)用程序，API和開發(fā)環(huán)境陣容，可以在更多位置進(jìn)行監(jiān)視，檢測復(fù)雜的波形并分析新技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。
