アンテナから解析までの信号インテリジェンス戦略
概要
内容
概要
多くの状況で、ベンチトップのベクトル信号アナライザやスペクトラムアナライザを用いた従来の信号インテリジェンス手法は、これらの計測器の集録サイズの制限により不十分です。しかし、PC業界のPCI Expressバスやハードドライブの速度向上といった革新により、市販の計測器を用いてPXI計測器をRFストリームツーディスクシステムで活用できます。実際、現在のPXIベースRFストリームツーディスクソリューションは、最大26.5 GHzの周波数帯で時間連続したRF帯域幅の記録を可能にしています。一般的に2TBのRAID (独立ディスク冗長配列) システムで最大20 MHzのRF帯域幅を5時間以上ディスクにストリーミング可能です。本書ではRFストリームツーディスクシステム技術は扱いませんが、これらのRF録音および再生リソースで詳細を学べます。
信号インテリジェンスの目標
本書は2種類の干渉信号と、それらを識別するために通常用いられる解析技術を検討します。2つの干渉信号とは、通信チャンネルを妨害する「ジャミング」信号と、既存の通信インフラを不正使用する海賊信号です。どちらも干渉信号とされますが、信号ごとの動機や特性解析に用いる技術は異なります。
ジャミング信号の解析戦略
特に軍事分野では、通信チャンネルを妨害しようとするシステムの干渉を特定する必要があります。一般に「ジャミング」と呼ばれ、この種の干渉信号は対象帯域内に不要電力を発生させて通信信号を妨害します。ジャミングに使用される信号には、多様な種類があります。一般的なジャミング信号には、単一トーン、ランダムホワイトノイズ、パルス信号、周波数ホッピング信号、変調された「偽」通信信号が含まれます。それぞれが有効性、消費電力、生成の容易さ、検出困難度とのトレードオフを伴います。たとえば、既存の通信チャンネルで単一搬送波を生成するのは簡単ですが、多くの場合効果が薄く検出も容易です。一方、広帯域ホワイトノイズの生成は通信リンク妨害に非常に効果的です。しかしこれには多大な消費電力が必要で、周期的でない信号の場合検出も容易です。
興味深いジャミング信号にはパルス信号や周波数ホッピング信号があります。これらのジャミング信号は一般的に効果的であり、従来のスペクトラムアナライザでは検出が困難です。困難な点は、対象信号の時間と周波数情報の両方をキャプチャする必要があることです。そのため、PXIストリームツーディスクシステムが、数時間にわたり特定のRF帯域幅をキャプチャする手法として用いられます。帯域幅を記録後、ジャミング信号の電力、周波数、タイミング特性を解析するには、一般に高速フーリエ変換 (FFT) 解析と時間/周波数共同解析 (JTFA) のいずれかを用います。
FFTベースの信号分析
ジャミング信号のFFT解析には、インライン処理と後処理の2種の処理方法があります。インライン処理は即時結果を提供しますが、後処理はより豊富なデータを得られます。これを示すため、図1のパルスジャミング信号のグラフを参照してください。
図1.パルス妨害信号の電力と時間
図1に示すとおり、連続集録が無いと後続のジャミングパルス識別は困難です。この課題の解決策は、一定期間RFデータを記録し、集録完了後に解析することです。
この状況では、RFスペクトルの一部を長時間集録し、ブロック単位で解析します。この手法により、FFTサイズをパルスの期間に合わせてカスタマイズできます。これを図2に示します。
図2.FFT解析を使用した後処理
図2に示す通り、後処理によりジャミングパルス期間に応じたFFTサイズをカスタマイズ可能です。この手法は、時間に電力が拡散する影響を減らし、パルス振幅特性を最も正確に表します。
分解能帯域幅 (RBW) は信号の集録時間を決定し、過渡信号の表示電力レベルに影響します。 バースト振幅は数マイクロ秒程度しか継続しないため、長時間集録では電力が時間に分散されます。したがって、短い集録ウィンドウを用いることで干渉信号の周波数と振幅をより正確に評価できます。これを図3に示します。
図3.小さなRBWと大きなRBWにおける電力対周波数
図3はジャミングバーストの2種類のFFTを示します。ただし、最初のグラフは大きな集録ウィンドウを用いています。集録時間が長いと測定のRBWは狭くなりますが、ジャミングパルスの振幅も減弱します。
この例が示すように、FFTサイズをカスタマイズできるのは連続RF信号の後処理利点の1つです。この手法により、FFT窓をパルスのタイミングに合わせて正確に調整し、周波数領域をより正確に観察できます。
時間/周波数共同領域解析 (JTFA)
干渉信号の時間と周波数情報を同時に取得するもう1つの技術は、スペクトログラムを用いたJTFAです。前述のFFTベース手法と同様に、スペクトログラムは連続する時間領域のデータ片にFFTを実行します。処理結果は3Dプロットとして再構築可能です。例として、図4の3Dウォーターフォールグラフにおけるスペクトログラムデータを参照してください。
図4.3Dスペクトログラムを使用したJTFA
図4に示す通り、スペクトログラムで電力と周波数を時間軸上に表示し、より豊かなデータセットを視覚化できます。図中では、ジャミング信号が非常に短時間 (約25 µs) しか持続しないことが確認できます。さらに、スペクトログラムは周波数の遷移も示しています。この場合、中心周波数が2.009 GHzから2.016 GHzへと変化しています。 上記タイミング情報は電力対周波数のみを取得する従来のスペクトラムアナライザでは得られません。またベクトル信号発生器で長期間タイミング情報を取得できるのは、ストリームツーディスクベースのソリューションに限られます。
上記ジャミング信号の興味深い特徴は、狭い周波数帯域でほぼ一定の電力を持つ点です。この特徴により、干渉は搬送波で乗じられたsincパルスとして識別可能です。 この信号タイプの時間領域と周波数領域の例を図5に示します。
図5.搬送波付きsincパルスの時間および周波数領域
図4と5のスペクトログラムでは、sincパルスは本質的に周期的なため検出が困難です。しかし、スペクトログラムを活用したJTFAにより、パルス間時間、帯域幅、振幅などの特性を識別するための必要なタイミング情報が得られます。
干渉信号の「パケットスニファ」
2つ目の干渉タイプは海賊的またはピギーバック通信信号です。この場合、干渉者は既存の通信インフラを用いて不正な通信チャンネルを送信しようとします。たとえば、不正送信機がリピータ塔を使い、自身の通信チャンネルを再送信しようとする例です。リピータは指定帯域を単純増幅するため、干渉者は意図する信号とその信号の両方を増幅できます。
任意の信号に対し、指定帯域幅を記録してディスクに保存することによりパケットスニファが可能です。取得したデータは多様な方法で後処理できます。ジャミング信号の分析と同様に、FFTやJTFAなどの後解析を用いて干渉信号の周波数、電力、振幅情報を特定可能です。ただしパケットスニファ応用では、ベースバンド波形の復調も可能です。これを図6に示します。
図6. NI LabVIEW Modulation Toolkitを使用したベースバンド波形解析
図6はNI LabVIEWソフトウェアの多彩な復調サブルーチンの1つを用いて、ハードディスクに保存されたベースバンド波形を解析する例です。図はLabVIEW Modulation ToolkitのPSK、QAM、FSK復調ルーチンのアイコンを示しています。また、このツールキットはASK、FM、AM、PM、CPM、MSK、カスタム復調ルーチンも提供します。未知の搬送波の復調は容易ではありません。デジタル変調搬送波のビットストリームを正確に復元するには、シンボルレートの把握が重要です。シンボルレートはチャンネル幅から推定できますが、既知通信規格のシンボルレートを使って実験的に決定が必要な場合もあります。
干渉信号の通信を復調すると、通信チャンネルで送られる個別のビットストリームを解析可能です。場合によっては既知のプリアンブル情報と照合してデコード可能です。通常、データのビットストリームから有意な情報をデコードすることが最大の課題となります。
まとめとリソース
信号インテリジェンス応用がより高度な干渉信号の検出解析を要求するにつれ、計測機器の要求も増加します。本書はベクトル信号アナライザとストリームツーディスクシステムを活用し、後処理向けのより豊富なデータ収集手法を示しました。これにより、カスタムFFT、共同時間周波数スペクトログラム、多様な変調方式による復調など解析ルーチンを活用可能です。PXI RFストリームツーディスクソリューションの詳細については、以下のリソースをご参照ください。