Empfänger FUNKERFASSUNG - Rohde & Schwarz

FUNKERFASSUNG
Empfänger
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Neues von Rohde&Schwarz Heft 195 (2008/I)

Breitbandüberwachungsempfänger R&S®ESMD
Der Spezialist für die Funk erfassung:
vielseitig, schnell und präzise
Schnell beim Erfassen von Funksignalen,
hochpräzise bei deren Vermessung
und Demodulation sowie vielseitig
im Einsatz: Das sind wesentliche
Eigenschaften des neuen
Funküber wachungsempfängers
R&S®ESMD. Zusammen mit weiteren
Merkmalen wie dem großen Frequenzbereich
oder der Aufrüstbarkeit zum
Funkpeiler, bietet der R&S®ESMD
einen Funktions umfang, der bisher
nur Systemen vorbehalten war.
Besondere Merkmale
Stationärer oder mobiler Einsatz, breitbandige
Suche oder schmalbandige
Demodulation, manueller oder vollautomatisierter
Betrieb: Die Palette
an Aufgaben, die moderne Funkerfassung
zu bewältigen hat, ist reichhaltig.
Der R&S®ESMD (BILD 1) meistert alle
diese Herausforderungen mit seinem
großen Funktionsumfang, seiner modularen
Architektur und seiner Vielzahl an
verfügbaren Erweiterungen (BILD 2) –
Eigenschaften, die es dem Anwender
gestatten, den Empfänger optimal an
die individuellen Anforderungen anzupassen.
Die besonderen Merkmale des
R&S®ESMD sind:
◆◆Großer Frequenzbereich von 9 kHz bis
26,5 GHz
◆◆Hervorragende HF-Performance
◆◆Einfache und schnelle Bedienung
über die Frontplatte
◆◆Schnelle Scan-Betriebsarten
◆◆Zeitschließendes ZF- Spektrum
bis zu 20 MHz Bandbreite
(Echtzeitbandbreite)*
◆◆Demodulation von 100 Hz bis 20 MHz
(Echtzeitbandbreite)
◆◆ITU-konforme Messung von Signalparametern
zwischen 100 Hz und der
vollen Echtzeitbandbreite
◆◆Analoger zweikanaliger ZF- / Videoausgang
bis 20 MHz Bandbreite
◆◆Peilung von Funksignalen
◆◆Standardisierte Datenschnittstelle
1-Gbit-Ethernet
◆◆Standardisierter Befehlssatz (SCPI)
◆◆Hohe Service- und Wartungsfreundlichkeit
In der Grundversion erfasst der
R&S®ESMD Frequenzen von 20 MHz bis
3,6 GHz. Es sind zwei Empfangsbereichserweiterungen
für den Einbau in das
Gerät verfügbar. Mit der Erweiterung
für den Mikrowellenbereich (3,6 GHz bis
26,5 GHz, SHF-Option) und das Kurzwellenband
(9 kHz bis 32 MHz, HF-Option)
deckt der Empfänger den Frequenzbereich
von 9 kHz bis 26,5 GHz ab. In diesem
Fall sind bis zu sechs Antennen
gleichzeitig anschließbar, sie werden
geräte intern umgeschaltet.
BILD 1
Kurzwelle oder Mikrowelle, Demodulation oder
Darstellung des Spektrums, Erfassen gepulster
Signale oder Funkpeilung: Der R&S®ESMD
vereinigt alle diese Fähigkeiten in einem
kompakten Gerät.
BILD 2 Vereinfachte Darstellung der R&S®ESMD-Systemarchitektur.
Als Systemempfänger
SHF (Option)
Multifunktions-Board (Option)
Multi-Gigabit-Links
Mit Frontplatte
VHF/UHF
HF (Option)
DC / DC (Option)
A
D
A
D
AC/DC
Signalaufbereitung
D
A
D
A
2,5 GBit/s Local Bus
Host-
Prozessor
Ethernet
Switch
Frontplattenrechner
Display und Bedienung
* Maximale Bandbreite, die unterbrechungsfrei
verarbeitet wird.
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Video / ZF
analog
2 × Ethernet
10/100/1000Base-T

FUNKERFASSUNG
Empfänger
Der R&S®ESMD bietet eine hervorragende
HF-Performance über den gesamten
Empfangsbereich (siehe Kurzdaten
Seite 67). In Funkszenarios, in denen
sehr starke und sehr schwache Signale
eng nebeneinander auftreten sowie bei
der Suche nach schwer zu erfassenden
Signalen ist dies von besonderer Bedeutung,
da der Anwender sich darauf verlassen
können muss, dass er wirklich
das interessierende Signal und nicht
etwa vom eigenen Empfänger generierte
Artefakte detektiert.
Der R&S®ESMD verbindet exzellente
Empfangseigenschaften mit innovativer
Breitbandtechnologie: Im Kurzwellenpfad
arbeitet er beispielsweise als
Direktempfänger. Eine sorgfältig ausgelegte
Vorselektion sowie der Verzicht auf
Mischer, Oszillatoren etc. machen ihn
auch im Kurzwellenbereich bis 32 MHz
zu einem Empfänger der Spitzenklasse.
Auch wenn sich heutzutage viele Funküberwachungsaufgaben
automatisiert
durchführen lassen, führt oft kein Weg
an der manuellen Bedienung des Empfängers
vorbei. Der R&S®ESMD unterstützt
den Anwender bei dieser Arbeit
mit einer für solche Aufgaben optimierten
Bedienfrontplatte (BILD 1). Alle wichtigen
Funktionen wie Frequenzeingabe,
Bandbreiten, Demodulationsart, AGC /
MGC sowie Scan-Parameter können
über feste Tasten eingestellt werden.
Das leichtgängige Frequenzeinstellrad
unterstützt die ergonomische Abstimmung
auf Signale und das hochauflösende
TFT-Display (1024 × 768 Pixel)
sorgt für eine übersichtliche Darstellung
sämtlicher Geräteparameter und Messergebnisse
(BILD 3).
Ob zur Überwachung vorgegebener
Funkfrequenzen oder bei der Suche
nach schwer erfassbaren Signalen in
weiten Frequenzbereichen: Schnelle
Scan-Betriebsarten sind ein Muss für
jeden modernen Funk überwachungsempfänger.
Der R&S®ESMD verfügt
über drei Scan-Modi. Der Frequency
Scan (Frequenzsuchlauf) eignet sich
für das sequenzielle Untersuchen eines
Frequenzbands mit festem Kanalraster.
Der Memory Scan (Speichersuchlauf)
hingegen arbeitet bis zu 10000 Kanäle
in beliebiger Reihenfolge gemäß der
Vorgabe des Bedieners ab. Beide Scan-
Modi erreichen dabei Suchgeschwindigkeiten
bis 1000 Kanäle/s.
Die höchste Suchgeschwindigkeit bietet
der R&S®ESMD in der Betriebsart Panorama-Scan
(PSCAN):
Schrittweite
(kHz)
Kanäle
(1/s)
Suchgeschwindigkeit
(GHz/s)
100 200000 20
50 360000 18
25 560000 14
12,5 800000 10
6,25 1000000 6,25
Sogar bei sehr kleiner Auflösebandbreite
erreicht er Suchgeschwindigkeiten bis
20 GHz/s (BILD 4). Somit ist der PSCAN
selbst in weiten Scan-Bereichen für die
Suche nach Kurzzeitsignalen wie Frequenzspringer
prädestiniert.
BILD 3 Wichtige Werkzeuge in der Funkerfassung: Spektrum- und Wasserfalldarstellung
(Spektrogramm). Das 20 MHz breite Spektrum zeigt vier digitale Rundfunksignale,
ein DVB-T-Signal links und drei DAB-Signale rechts. Aufgrund der hohen Zeitauflösung
des Echtzeitspektrums sind in der Wasserfalldarstellung die Nullsymbole in den DAB-Datenströmen
deutlich zu erkennen.
BILD 4 PSCAN von 50 MHz bis 1050 MHz: Die Schrittweite (Auflösebandbreite) beträgt
100 kHz. In dieser Einstellung wird der Scan-Bereich (Span) von 1 GHz zwanzigmal pro
Sekunde durchschritten. Am linken Rand des Spektrums ist das UKW-Rundfunkband zu
sehen, am rechten Rand das GSM-Band bei 900 MHz.
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Signalverarbeitung in Echtzeit
Die digitale Signalverarbeitung im
R&S®ESMD besteht aus zwei parallelen,
unabhängig voneinander parametrierbaren
Pfaden (BILD 5). Ein Pfad berechnet
das ZF-Spektrum, der andere Pfad dient
zur Demodulation, Verstärkungsregelung
(AGC), Messwertberechnung und Rückwandlung
in ein analoges Signal (Videosignal).
Beide Pfade arbeiten vollkommen
unterbrechungsfrei – in Echtzeit.
Mit dem Spektrumspfad lassen sich
die spektralen Eigenschaften auch von
sich sehr schnell ändernden Signalen
sicher erfassen. Seine Leistungsfähigkeit
zeigt sich beim Erfassen von Signalen
mit Pulsstruktur (BILD 6 bis 8). Die
während der Berechnung des Spektrums
anfallende Datenmenge ist von
extern angeschlossenen Systemen kaum
noch zu verarbeiten (BILD 9). Aus diesem
Grund findet bereits im Gerät eine
Datenreduzierung durch verschiedene
Bewertungsfilter statt (Average, MAX-
HOLD, MINHOLD) .
Auch bei kleinen Spektrumbandbreiten
profitiert der Bediener von der Rechenleistung
des Empfängers: Die Signalverarbeitung
berechnet die Spektren zeitlich
überlappend und sorgt dadurch für
eine verbesserte Zeitauflösung. Alternativ
können sogenannte Weighted
Overlap Add (WOLA), also zeitgedehnte
Spektren berechnet werden, die die
f ZF1
ZF-Signal
B Spektrum
Overlap &
Fensterung
FFT
AVG, MAX,
MIN, CLRW
Bewertung
ZF-
Spektrum
A
D
B Demod
AGC
DUC
D
A
Spektrum
Demodulation
ZF-Videoausgang
Videospektrum
f ZF2
D
A
Sensorphalanx
Audio
Messwerte
BILD 5
Blockschaltbild der Signalverarbeitung im R&S®ESMD.
BILD 8 Untersuchung eines GSM-Signals anhand des ZF-Spektrums: Das Signal rechts
der Mitte zeigt eine auffällige Spitze. Es handelt sich um den Frequency Correction Burst
(FCB), der spektral gesehen einem Trägersignal entspricht. Der FCB wird nur von GSM-
Basisstationen abgestrahlt, dauert 576 µs und wird alle 46 ms bzw. 51 ms wiederholt.
BILD 6 und 7 Detektion eines Langstreckenradars an der Antenne: Der Abstand von
500 kHz zwischen den Nullstellen des sin(x)/x-förmigen Spektrums lässt eine Pulslänge
von ca. 2 µs vermuten. Die Vermessung des amplitudendemodulierten Signals (Einhüllende)
mittels eines an den analogen Videoausgang des R&S®ESMD angeschlossenen
Oszilloskops bestätigt die Vermutung.
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FUNKERFASSUNG
Empfänger
Nachbarkanal unterdrückung im Spektrum
signifikant verbessern.
Der Demodulationspfad ist das Mittel
der Wahl, wenn es um die Analyse der
Zeitbereichseigenschaften von Signalen
geht. Die Parallelität der Signalverarbeitung
gestattet es dem Anwender,
Funksignale aus unterschiedlichen Blickwinkeln
zu betrachten. Der R&S®ESMD
stellt das breitbandige, demodulierte
und verstärkungsgeregelte Signal, ein
schmalbandiges Audiosignal, verschiedene
Signalpegel und Modulationsparameter
wie Modulationsgrad und Frequenzhub
gleichzeitig zur Verfügung.
Darüber hinaus berechnet er das Spektrum
des demodulierten Signals. Dieses
sogenannte Videospektrum ist äußerst
hilfreich für das Bestimmen charakteristischer
Eigenschaften von Signalen
(BILD 10), sogar hochkomplexe bandgespreizte
(DSSS) Mobilfunksignale der
dritten Generation geben darin einige
ihrer Eigenschaften preis (BILD 11).
Aufrüstbar zum Funkpeiler
Die Richtung, aus der eine elektromagnetische
Welle an einer Antenne einfällt,
ist eine Information, deren Aussagekraft
kaum zu überschätzen ist. Zum
Bestimmen dieses Einfallswinkels ist
in der Regel umfangreiche und teure
Ausrüstung notwendig. Nicht mit dem
R&S®ESMD: Als erster Monitoring Receiver
aus dem Hause Rohde&Schwarz
ist er ohne zusätzliches Equipment zu
einem vollwertigen Funkpeiler aufrüstbar
(R&S®DDF255). Der Peilwinkel wird
nach der Methode „korrelatives Interferometer“
oder nach dem „Wattson-
Watt“-Prinzip ermittelt. Bis zu drei Peilantennen
sind direkt an den Empfänger
anschließbar.
Da die Peilfunktionalität voll in die Suchabläufe
integriert ist, genügt diese den
Anforderungen einer Vielzahl von Einsatzszenarios.
Sei es die zyklische Überwachung
von Notruffrequenzen, die
Aufklärung klassischen Sprechfunks
(BILD 12) oder das Peilen von Kurzzeitsignalen
im Millisekundenbereich: Mit
dem R&S®ESMD stellt Rohde&Schwarz
eine äußerst kompakte und kostengünstige
Lösung zur Verfügung.
Topaktuell und kompatibel:
die Systemschnittstellen
Der R&S®ESMD ist mit zwei Triple Mode
1-GBit-Ethernet-Schnittstellen für die
Datenausgabe und Kommandierung
ausgestattet (10 / 100 / 1000Base-T).
Damit ist die Rückwärtskompatibilität
zu anderen Monitoring Receivern
von Rohde&Schwarz wie R&S®EB200,
R&S®ESMB, R&S®EM050, R&S®EM550,
R&S®EM510 und R&S®PR100 gewährleistet.
Dies gilt ebenso für Daten- und
Befehlsformate. Die nahtlose Integrierbarkeit
in bereits bestehende Monitoring-Systeme
ist somit garantiert.
BILD 10 Videospektrum eines frequenzdemodulierten UKW-Multiplex-Signals. In
dieser Ansicht wird der Aufbau eines UKW-Signals mit 19 kHz Pilotton und RDS-Subcarrier
sichtbar.
BILD 9 Um die Echtzeitfähigkeit von Überwachungsempfängern vergleichen zu können,
wird häufig eine virtuelle Scan-Geschwindigkeit angegeben. Diese Größe bezeichnet die
Scan-Geschwindigkeit in Suchbereichen, die kleiner als die maximale Bandbreite des
Empfängers sind. Man könnte dies auch als „Echtzeit-Scan“ bezeichnen, da innerhalb
der Echtzeitbandbreite eines Empfängers die Abstimmzeit des Synthesizers keine Rolle
spielt. In diese Größe geht bei fester Frequenzauflösung und ausreichend großer Bandbreite
nur die Rechenleistung eines Empfängers ein.
Frequenzauf- Anzahl Spektren Zeitauf- Scan- Geschwindigkeit Echtzeit-Scan
lösung (kHz) (1/s) lösung (µs)
(B = 20 MHz)
12,5 12500 80 250 GHz/s
25 25000 40 500 GHz/s
50 50000 20 1000 GHz/s
100 100000 10 2000 GHz/s
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Der R&S®ESMD verfügt über Anschlüsse
für externe Zusätze wie GPS oder
einen elektronischen Kompass. Wie
frühere Geräte bietet auch dieser Empfänger
umfangreiche Selbsttests auf
Baugruppen ebene, die für eine hohe
Service- und Wartungsfreundlichkeit
sorgen. Aufwendige Neukalibrierungen
nach einem Modultausch entfallen.
damit praktisch an jede Aufgabe anpassbar.
In einem der nächsten Hefte werden
die wichtigsten Optionen vorgestellt.
Durch das modulare Design und die zum
Implementieren künftiger Funktionen
vorgesehenen Multifunktions-Boards
können kommende Entwicklungen der
Funküberwachung – beispielsweise
größere Echtzeitbandbreiten – problemlos
aufgegriffen und effizient im
R&S®ESMD umgesetzt werden.
Paul Renardy
Weitere Informationen unter
www.rohde-schwarz.com
(Suchbegriff: ESMD)
Fazit
Kurzwelle oder Mikrowelle, Demodulation
oder Spektrum, Erfassen gepulster
Signale oder Funkpeilung: Der
R&S®ESMD vereinigt alle diese Fähigkeiten
in einem kompakten Gerät. Aufgrund
der zahlreichen Geräteoptio nen kann
dieser Artikel lediglich eine kurze Übersicht
über die wichtigsten Eigenschaften
des Empfängers bieten. Insgesamt stellt
der R&S®ESMD mit all seinen Erweiterungen
weit über einhundert Kombinationsmöglichkeiten
zur Verfügung und ist
Kurzdaten R&S®ESMD (typische Werte)
Frequenzbereich
Rauschmaß
HF
VHF
UHF
Intercept-Punkt 3. Ordnung (IP3)
HF
VHF
UHF
Abstimmzeit
Demodulationsarten
ITU-konforme Messwerte
Demodulations- und Messbandbreiten
Bandbreiten ZF-Spektrum
Datenschnittstelle
Video- / ZF-Ausgang (umschaltbar)
9 kHz bis 26,5 GHz
12 dB
10 dB
12 dB
35 dBm (bei Eingangspegel von –6 dBm)
23 dBm
23 dBm
1 ms
AM, FM, ϕM, I/Q, PULSE, TV, LSB, USB, ISB, CW
Frequenz, Frequenzablage, Frequenzhub,
Phasenhub, Modulationsgrad, Feldstärke
31 Bandbreiten von 100 Hz bis 20 MHz
14 Bandbreiten von 1 kHz bis 20 MHz
1-Gigabit-Ethernet (10/100/1000Base-T)
2 Kanäle, verstärkungsgeregelt, Pegel >0 dBm
BILD 11 Videospektrum eines UMTS-Signals. Digital modulierte Signale, deren Einhüllende
nicht konstant ist, verraten ihre Baud- bzw. Chiprate im Spektrum des quadrierten
Basisbandsignals durch zur Frequenz 0 symmetrische Spektrallinien. Dieses Phänomen
tritt in diesem Fall bei einer Frequenz von 3,84 MHz auf, der Chiprate von UMTS.
BILD 12 Der R&S®ESMD nach der Aufrüstung zum Funkpeiler: Peilung eines Sprechfunkkanals
im Flugfunkband.
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