无线电监测接收机输出的数据类型及其应用

本文作者：R&S技术专家武继兵、侯学斌

01数据是新时期无线电监测业务的基础

进入2025年，以我国Deepseek为代表的人工智能基础模型在成为全球舆论热点的同时，也极大的推动了AI大模型在各行各业的应用。多个电信运营商和云计算服务商宣布为客户提供Deepseek的接入服务，很多机构也在内部云搭建了Deepseek模型，这些进展极大的降低了AI的使用门槛和成本。与此同时，算力和数据也成为大家讨论的热门技术名词。最早且最成熟的应用主要集中在基于自然语言的生成式大模型、图片和视频相关的生成大模型，这和自然语言、图片和视频数据容易获得、标准化程度高且适于AI训练有很大关系。随着基础模型使用成本的逐步降低，可以预期各种细分行业的专业大模型也呼之欲出，行业的应用也将在AI助力下出现颠覆式的创新。在各种媒体和文献上常看到“AI理解物理世界”这样的阐述，相比自然语言、图片和视频，如何让AI基础模型理解行业涉及的物理世界从而形成推理和数据处理是当前AI进入专业领域的首要困难。从AI的原理来看，数据是训练生成式大模型的基础，对数据的标记也是其正确理解物理世界的前提。

因此，如何尽可能准确的获取数据是行业AI应用的前提。在无线电或电磁领域，我们只能依靠仪表将空中的电磁波转换为数据。仪表能将物理世界的电磁波转换成什么样的数据及其精度或准确性，值得我们在开展行业AI转型前细致地梳理和评估。为回答这个问题，我们梳理了频谱监测中可获得的数据类型及其准确性衡量参数，旨在支持技术人员在开展监测业务前可清晰地了解数据及其背后的参数，特别是在开展AI大模型训练前可以确保获取数据的科学性及准确性。

AI 时代即将到来，走出第一步：准备训练用的数据！

02无线电监测系统中的监测接收机

无线电监测系统有多种部署形式，如固定式监测系统、移动式监测系统、可搬移（快部式）监测系统等。无论监测系统的部署形式和功能如何，无线电监测接收机都毫无疑问是其中最为核心的设备。

空间中的无线电信号，由监测接收机转化为无线电监测系统中的数字信息，并最终可视化地呈现给用户，呈现的方式有频谱图、瀑布图，以及经过各种信号处理后的结果。

下图是2.4 GHz ISM频段无线电信号通过监测接收机呈现给用户的样子，可以清晰地看到蓝牙、Wi-Fi等突发信号和常发信号共存在此频段中。

03监测接收机输出的数据类型及其应用

作为无线电监测系统的“眼睛”，监测接收机需要输出大量数据给监测系统，用于处理和显示。从输出路径来看，目前监测接收机主要基于以太网接收输出数据，个别监测接收机也会通过无线网络（如Wi-Fi）的方式传输。从输出数据的类型看，数据可分为I/Q数据、频谱数据、频段扫描数据（PSCAN）、频率表扫描数据（MSCAN）等。不同类型的数据，对应着不同的监测参数，面向不同的监测需求。

01数据的接口

数据的接口是监测接收机和监测系统之间的通信的桥梁，功能完备的监测接收机会设置非常丰富的通信、控制、同步、数据等接口。以ESMW超宽带监测接收机的数据输出接口为例，其设置了2个1G LAN口，1个10GE SPF 口和1个100 GE QSFP28接口。下图是ESMW超宽带监测接收机背面接口面板的情况。

其中，宽带I/Q数据因为数据速率高，要通过10GE和100GE的接口输出，而窄带I/Q数据、频谱数据、频段扫描数据（PSCAN）、频率表扫描数据（MSCAN）、解调音频数据等，都可以通过1 GE的LAN口传输。

02I/Q数据

I/Q数据是监测接收机可以输出的最原始的数据，也是唯一可以完整还原现场监测情势的数据。I/Q数据的本质是大量的时域采样数据，采样间隔一般要满足奈奎斯特采样间隔，即对应信号或者宽带频谱带宽的2倍以上，考虑到一次采样产生了I路和Q路数据，以及快速FFT处理的需求，采样率一般为带宽的1.28倍。

内容完整且格式清晰的I/Q数据，是现场信号分析或者后期还原无线电传输环境的基础。

1数据完整性要求

I/Q数据的数据量是非常巨大的，例如完整记录2000 MHz带宽信号（例如卫星互联网下行链路的宽带传输，或者雷达）的I/Q数据，是用户经常面对的应用需求。当采用1.28 倍采样，16 bit采样深度时，一次采样产生的I/Q帧为 16 bit I 16 bit Q = 32 bit = 4 byte，即一次采样会产生32 bit / 4 byte数据。

当带宽为2000 MHz时，在1.28倍采样率下，采样率为2560 M 次/秒，数据率为 81,920 M bit/s ，即每秒输出10,240 M byte = 10 G byte数据，而实际数据文件未来确保后期的可用性，还有会有额外开销（例如帧头需要加入采样率、时间戳、带宽、载频等信息）。

因此，监测接收机必须有高速数据接口，才可以确保完整的I/Q数据输出。

2格式开放性要求

I/Q数据完整记录后，无论做FFT获得频谱、瞬态分析、高阶谱分析、自相关分析等信号处理操作，还是送回到信号源做空间信号再发射，都需要对数据的格式有明确的认知。

我们尝试用工具软件打开一个I/Q数据文件，会发现在每个数据地址中都存储着16进制的数据信息，如下截图所示。我们对相应数据地址中的数据信息进行了标记，可以看到Magic word（类型代号）、带宽、中心频点、采样率等信息，而这些数据信息后面，则是每个I/Q采样点的数据：

显然，在没有明确的I/Q数据文件格式说明的情况下，数据是不可读且不可用的。因此，监测接收机I/Q文件格式的公开明确，是至关重要的。

03频谱数据

1频谱数据的获取

频谱数据是监测接收机在FFT后经过采样和检波处理，以一定时间间隔输出的谱线。尽管理论上，监测接收机对I/Q数据进行FFT计算后，产生的频谱数据和I/Q采样率一致。但是无论数据传输还是频谱显示，都不必要也不可能把全部数据（可高达每秒上百万帧）都发送给监测系统，而是对数据进行挑选（检波）和抽取（时间间隔），把很少的一部分数据传输给监测接收机的显示模块或者监测系统，此数据被称为频谱数据。如下图所示：

显然频谱数据只保留了I/Q数据很少的一部分信息，但是数据量大为减少，可直接用于信号的频域显示、瀑布图显示、电平测量等。

频谱数据涉及到了接收机操作时的一些基本参数，例如：

接收频率或中心频率，其用于指定监测设备或系统对信号进行监测和分析的中心频率，通常以兆赫兹（MHz）作为单位。常用英文名称：receiver frequency。接收频率通常与监测目标信号中心频率保持一致。

中频带宽或跨距，即监测接收机在定频工作模式下显示的频谱范围，通常以兆赫兹（MHz）作为单位，英文名称为Span。跨距一般等于中频带宽，并通常与FFT点数联动，影响噪底；也影响解调频率值范围，即解调频率值应在跨距范围内。在一些接收机设备参数中，跨距就指中频带宽。

步长或分辨率带宽，即监测接收机在定频工作模式下，给定跨距内显示的频谱的精密程度，步长英文为Step，有的监测接收机也用分辨率带宽，即RBW表示步长。步长通常以千赫兹（kHz）作为单位。步长一般和跨距有固定的组合模式，通常在不同的跨距下有缺省值，并与FFT点数联动，影响噪底。

下图展现了接收频率在3.5 GHz，中频带宽500 MHz，分辨率带宽为200 kHz的5G移动通信下行链路频谱情况。注意采用了多谱线显示，不同的谱线采用的检波器是不一样的，黄色为最大保持，展现信号最大值特征；蓝色为采样，展现了信号快速变化特征；绿色为平均，展现了信号的均值特征。

2频谱数据与突发信号的截获

在现场监测过程中，对突发信号的截获，也就是在频谱上的显示和测量，是通过频谱数据体现出来的。

当接收机工作在扫描模式时，射频频谱会显示突发信号，扫描速度越快，对突发信号的截获能力越强。接收机在扫描工作时，假设扫描10 GHz范围带宽，扫描速度50 GHz/秒时，对于0.2秒突发信号可以发现，扫描速度提升到100 GHz/秒时，也仅可以发现0.1秒的突发信号，但是扫描模式是无法对LPI信号，即跳频、雷达或其它毫秒级甚至微秒级别突发信号实现有效截获的，必须在定频模式下实现，是由定频监测下的100 % POI指标决定的。

当接收机工作在定频模式时，特别是宽带定频模式时，对突发信号的截获能力可以通过100% POI指标实现。

下图体现了宽带监测接收机在定频工作模式下，对最高达到625 纳秒级别的突发信号的有效截获。

04其他数据

除了I/Q和谱线外，监测接收机亦可以输出其它类型的数据，例如宽带测向数据，ITU测量数据，解调音频数据等，有些数据需要相应的功能配置。

无论是何种数据，明确且开放的说明都是必须的。

05I/Q数据的应用

信号分析工作是基于监测接收机输出的I/Q数据完成的，通过软件完成对I/Q数据的FFT计算，可以获取频谱、瀑布图，于时域分辨能力密切相关的FFT点数和叠加系数，都可以灵活调整，从而真正“无遗漏”地看到信号的完整状态。下图展现的是ISM频段某无线通信系统宽带和窄带跳频时频域共存的情况，这种细节的信息，在监测接收机频谱上是无法观察到的。

前端监测接收机完整的数据输出可以帮助用户一次性获取全监测要素信息。包括且不限于：频谱、瀑布图、测向定位信息、信号的识别、信号的解调和解码等。下图展现了对某发射信号显示、识别、解调、定位的完整过程。

04射频前端设置和数据输出

监测接收机射频前端的技术性能和使用设置，与数据输出的准确性和完整性是密切相关的。

例如设置不当造成动态范围不佳，会导致数据准确性下降，造成虚假信号的产生；而数据完整性不好，带来的则是真实信号的丢失。

01前端预选器对监测数据的影响

前端预选器和滤波器框图:

从上图可以看出在射频信号进入混频器之前，先经过预选器，这样提高输入信号的总负载，从而提高设备的动态范围。

预选器处理射频信号的示意图：

在上图，每一个预选器带外的信号会被滤除，这样进入混频器的电平将会降低。如果没有上述的前端预选器，整个射频信号会进入到混频器，导致饱和过载。

另外没有预选器，扫描速度会高，大信号进入射频，会产生虚假信号，从而影响监测接收机数据采集的准确性。

02YIG滤波器设置对监测数据的影响

部分监测接收机是通过内部YIG滤波器确保镜像频率被抑制。然而，YIG滤波器只有有限的带宽（大约几十MHz）。一般设计情况下，YIG滤波器仅在大于3.6 GHz或者6/8GHz的频率以上有效。

YIG滤波器关闭的射频频谱图：

如上图所示，当YIG滤波器关闭后，主信号为 X1，X2为二次谐波，X4是三次谐波，X3为镜频

YIG滤波器打开的射频频谱图

如上图所示，当YIG滤波器打开后，主信号为 X1，X2为二次谐波，X4是三次谐波（消失），X3为镜频（抑制）。

可以看到YIG滤波器会影响镜像频率和谐波，如果关闭YIG滤波器，会提高扫描速度，但是数据采集就会采集到虚假信号（谐波和镜频）。

03射频设置对于信号监测和数据采集的影响以及应用

在实际无线电监测中，经常遇到的场景是空中的信号都是未知的，更复杂的是在大信号附近微弱信号的监测及数据采集。

大功率信号会导致接收机过载，产生虚假信号，而且长时间过载会使得接收机损坏。如何既要防止接收机过载，又要能够监测和测量微弱信号，并且采集到这些微弱信号，就对接收机的设置提出更高的技术要求。

常规模式（衰减器为0dB）下的监测和数据采集：

在上图中，射频模式是“常规模式”，由于有大信号，从而导致接收机过载，可能有虚假信号产生，采集数据有误。可以采用以下两种方式处理：射频模式为：低失真，或者“常规模式”调整衰减器。

低失真模式下的监测和数据采集：

在上图中，射频模式是“低失真模式”，“过载提示”消失，噪底升高，大信号得到准确测量和数据采集，但是周围的微弱信号，淹没在噪底下，所以也没法采集到真实数据。

常规模式（衰减器为自动）下的监测和数据采集：

在上图中，射频模式是“常规模式”，同时衰减器为自动（7dB），“过载提示”消失，噪底升高，大信号得到准确测量和数据采集，同时也能监测到周围的微弱信号，进而采集到真实数据。

结语

根据以上分析和实际案例，超短波无线电监测数据涉及众多的部件：监测天线、监测接收机、测向天线、测向机以及中间线缆等附件，还需要考虑各种情况下的参数设置，只有采用合适的系统和合理的参数设置，才能进行有效的监测和真实的数据采集。

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