Funkanlagen mit Frequenzsprungverfahren zuverlässig testen

Herausforderungen

Viele moderne taktische Funksysteme setzen Frequenzsprungverfahren (Hopping) ein, um mögliche Störungen und Jamming-Angriffe bei kritischen Einsätzen zu kontern. Für Performance-Tests werden solche Funkanlagen zwar häufig im statischen Modus betrieben (ohne Frequenzsprungbetrieb). Es ist jedoch auch wichtig, das Verhalten der Geräte unter allen verfügbaren Frequenzsprungmodi zu prüfen, um sicherzustellen, dass keine Konflikte mit benachbarten Signalbändern oder Inband-Kommunikationstechnologien auftreten. Unerwünschte Signale können nicht nur den Betrieb anderer Funkanlagen in diesen Netzwerken stören, sondern auch andere Funksysteme beeinträchtigen, die möglicherweise das gleiche Spektrum nutzen. Nebenaussendungen können aufgrund von Transienten oder Modulationsfehlern, Digital-zu-HF-Kopplung, nichtlinearen Effekten, kurzzeitigen Leistungseinbrüchen und sogar Timing-Fehlern durch Hardware-Tuning und Taktsynchronisierung auftreten. Diese temporären Störsignale sind aufgrund ihrer Kurzfristigkeit mit herkömmlicher Testausrüstung nur schwer zu registrieren.

Eines der empfindlichsten Bänder für die taktische Funkkommunikation ist das Frequenzband des Flugnavigationsfunkdiensts (Aeronautical Radionavigation Service, ARNS) im Bereich von 960 MHz bis 1215 MHz. Dieses Frequenzband wird einerseits vielfach für die taktische Funkkommunikation eingesetzt, besonders mit luftgestützten Funkplattformen, und ist andererseits ein kritisches Frequenzband für die Navigations- und Kommunikationsinfrastruktur.

Die Abbildung oben zeigt einige der kritischen Funktechnologien, die ebenfalls das ARNS-Spektrum nutzen wie z. B. die IFF-Interrogator/Transponder-Frequenzen (1030 MHz und 1090 MHz) und das GNSS L5/E5a-Band bei 1176,45 MHz. Diese kritischen Navigations- und Funkortungstechnologien können durch ungewollte Nebenaussendungen von unkontrollierten Funksendern, deren Emissionen die Schutzbereiche verletzen, gestört werden.

Messtechnische Lösung

Bisher wurden herkömmliche Spektrumanalysatoren eingesetzt, um nach ungewollten Inband- oder Außerband-Störsignalen zu suchen. Auch bei einem Spektrumanalysator wie dem R&S®FSW, der den höchsten Dynamikbereich und die schnellste Sweep-Funktion aller kommerziell verfügbaren Spektrumanalysatoren besitzt, bedeuten die architekturbedingten Einschränkungen der traditionellen Sweep-Analyse, dass die Erfassungswahrscheinlichkeit (Probability of Intercept, POI) bei kurzlebigen, transienten Signalen gering ist.

Wir betrachten die Signalverhältnisse der Funksignalemulation mit schnellem Frequenzsprung im Screenshot oben. Um zu bestätigen, dass unerwünschte Signale nicht das IFF-Band bei 1090 MHz verletzen, wird der Analysator im Sweep-Modus betrieben und erfasst Signale in Max.-Hold für mehrere Sekunden, wie im oberen Diagramm des Screenshots oben gezeigt. Die Sweep-Zeit beträgt 6,4 ms über 160 MHz bei 50 kHz Auflösungsbandbreite. Das untere Diagramm zeigt eine Farbverlaufsskala des Nachleuchtspektrums im Echtzeit-Spektrum-Modus des R&S®FSW-K160R für den gleichen Frequenzbereich. In diesem Modus kann das Signal mit bis zu 600.000 FFT/s analysiert werden, was eine Erfassungswahrscheinlichkeit (POI) von 100 % selbst bei äußerst kurzlebigen Signalen von 1,87 μs im gleichen 160-MHz-Band ergibt. Zu beachten ist, dass ein Signal im Nachleuchtspektrum erfasst wird, aber in der Max.-Hold-Messkurve der konventionellen Darstellung nicht sichtbar ist. Nach einer bestimmten Zeit sollte das Störsignal mit einer bestimmten Amplitude auch in der Max.-Hold-Anzeige erfasst werden, falls es sich wiederholt. Die Auftrittswahrscheinlichkeit des Signals müsste jedoch bei der Abschätzung der für die Erfassung des Ereignisses notwendigen Zeit berücksichtigt werden.

Der Echtzeit-Spektrum-Modus ist unerlässlich für Entwickler, die an modernen digitalen Designs arbeiten oder mit Frequenzsprüngen zu tun haben, sowie für die Erkennung von Signalen mit geringer Erfassungswahrscheinlichkeit wie Transienten. Echtzeit-Funktionen wie Frequenzmaskentrigger und die Echtzeit-Spektrogrammanzeige ermöglichen auch die Isolation von Signalen und die zeitkorrelierte Analyse, um Fehler im Design aufzudecken. Nach der Detektion wird die Ursachenanalyse durch die Verfügbarkeit mehrerer Analysefenster wie des im Screenshot unten gezeigten erleichtert. Der Frequenzmaskentrigger (FMT) im Echtzeitmodus ermöglicht die unmittelbare Isolation des Signals. Bei Kombination mit der Spektrogrammanzeige kann die zeitkorrelierte Analyse des Signals dabei helfen, die Signalverhältnisse vor, während und nach dem relevanten Ereignis zu verstehen.

Die erfassten I/Q-Daten können innerhalb der gesamten Analysebandbreite des R&S®FSW analysiert werden. Es können außerdem zeitkorrelierte Ansichten des Spektrums, des Timings, der Modulation und der statistischen Eigenschaften des Signals analysiert werden.

Fazit

Die Option R&S®FSW-K160R ist die jüngste Ergänzung des Echtzeitanalyse-Portfolios von Rohde & Schwarz. Der in die leistungsfähigste Spektrumanalysator-Plattform eingebundene Signal- und Spektrumanalysator R&S®FSW zeichnet sich durch branchenführende Performance bei angezeigtem mittleren Rauschpegel (DANL), Phasenrauschen und Messbandbreite aus (320 MHz Analysebandbreite).

Die skalierbar ausgelegte neue Echtzeitfunktion ist eine Software-Option für den R&S®FSW, die mit 600 000 FFT/s und einer 100 % POI von 1,87 μs bei 160 MHz Analysebandbreite neue Branchenmaßstäbe setzt.