Белан” – первый российский портативный анализатор спектра.
Прибор БЕЛАН” предназначен для проведения исследований спектральных характеристик радиосигналов и анализа загрузки радиодиапазонов.
В приборе реализованы 3 основных режима работы:
SPECTRUM — работа в режиме спектроанализатора. Используется для исследования спектральных характеристик радиочастотных сигналов.
TUNER — работа в режиме панорамного приемника. Демодулирует АМ и ЧМ радиосигналы. Используется для прослушивания через головные телефоны модулирующих сигналов.
SEARCHER — работа в режиме поискового прибора. Используется для выявления рабочих частот устройств несанкционированного съема информации (радиозакладок).
Прибор имеет следующие технические характеристики:
1. Диапазон рабочих частот 0,1 — 2200 Мгц;
2. Точность задания центральной частоты для анализа ±10 Гц во всем рабочем диапазоне;
3. Разрешение по частоте при анализе спектра сигнала 1кГц. Количество отсчетов, выводимых на экран спектроанализатора 255;
4. Полосы пропускания ПЧ фильтров по уровню 3дБ: 1кГц, 3кГц, 10кГц, 30кГц, 100кГц, 300кГц, 1МГц;
5. Коэффициент прямоугольности по уровням минус 60 дБ и минус 3 дБ < 5:1;
6. Чувствительность (на частоте 200 МГц, 0 дБ RF аттенюатор)
< -110 dBm при 10 кГц RBW;
< -90 dBm при 300 кГц RBW;
7. Паразитная ЧМ при полосах обзора менее 1 МГц в полосе 1 кГц менее 100 Гц;
8. Максимальный входной уровень (RF аттенюатор 30дБ) 0 дБм;
9. Относительный уровень помех, обусловленных интермодуляционными искажениями по входу преселектора при воздействии на вход двух сигналов равных амплитуд с уровнем 0.1 мкВт и величиной расстройки между ними 2 МГц не более минус 60 дБ в диапазоне рабочих частот;
10. Относительный уровень помех, обусловленных интермодуляционными искажениями по входу преселектора при воздействии на вход двух сигналов равных амплитуд с уровнем 0.1 мкВт и величиной расстройки между ними 100 МГц не более минус 60 дБ в диапазоне рабочих частот;
11. Уровень помех по зеркальным каналам приема не более минус 60 дБ;
12. Нестабильность частоты гетеродинов прибора (суммарная) за 30 минут после времени установки рабочего режима в нормальных условиях не превышает ± 10Гц;
13. Источник опорной частоты 10 МГц
- температурный дрейф (0° С-50° С) ± 2.0х10-8;
- старение без коррекции за год ± 5х10-8, за 10 лет ± 2х10-7;
- точность начальной установки ± 5х10-9;
14. Встроенные демодуляторы АМ и ЧМ сигналов;
15. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики прибора в полосе рабочих частот не более ± 3дБ;
16. Волновое сопротивление прибора 50 Ом в диапазоне рабочих частот с КСВН не хуже 2;
17. Входной аттенюатор 0 — 30 дБ с шагом 10дБ, точность установки в рабочем диапазоне частот не хуже ± 2 дБ;
18. Аттенюатор ПЧ 30 дБ с шагом установки 10 дБ. Точность установки ± 0.5 дБ;
19. Экран прибора -14 см, тип LCD. Разрешение 320х240 пикселей;
20. Питание — сеть 220В, внешний источник постоянного тока с напряжением 13.8 В, внутренний аккумулятор 12В в буферном режиме. Время работы от внутреннего аккумулятора не менее 1,5 часов;
21. Возможность управления через компьютер (порт RS-232);
22. Динамический диапазон 110дБ;
23. Точность измерения амплитуды сигнала ± 3 дБ;
24. Вес со встроенным аккумулятором 12В х 4Ач — 9,5кг.
Прибор состоит из следующих функциональных блоков:
Блок питания (БП) – выдает питающие напряжения, снабжен схемой подзарядки встроенного аккумулятора и автоматического подключения аккумулятора в случае пропадания питания 220 В.
Высокочастотный блок (ВЧ) преобразует входную частоту на частоту ПЧ 10.7 МГц, ослабляет входной сигнал до необходимого уровня с помощью аттенюатора.
Блок обработки промежуточной частоты (ПЧ) – фильтрует сигнал с помощью фильтра ПЧ и видеофильтра, усиливает сигнал до требуемого уровня с помощью усилителя ПЧ и преобразует сигнал с помощью логарифмического усилителя.
Блок звукового контроля (БЗК) демодулирует отфильтрованный в блоке ПЧ сигнал с помощью требуемого демодулятора, а так же преобразует сигнал ПЧ в цифровую форму с помощью усилителя- ограничителя для точного подсчета частоты сигнала.
Цифровой блок (ЦБ) выдает сигналы управления на блоки ВЧ, ПЧ и БЗК, принимает команды от БК и команды управления от внешней ЭВМ, оцифровывает сигнал с выхода логарифмического усилителя и формирует изображение на дисплее.
Блок клавиатуры (БК) опрашивает клавиатуру прибора и ручку плавной настройки и передает коды нажатых кнопок на ЦБ.
Структурная схема спектроанализатора приведена на рис 1. Поступающий на вход прибора сигнал, проходит через входной фильтр, аттенюатор и попадает на смеситель первого гетеродина. Первый гетеродин построен на ЖИГ с использованием схемы цифрового синтеза частоты, выходная частота этого гетеродина управляется цифровым блоком и может изменяться в диапазоне 2.2- 4.9 ГГц с шагом 10 Гц. После смесителя сигнал проходит через фильтр 2.449 ГГц и попадает на смеситель второго гетеродина, настроенного на частоту 2.56 ГГц. После этого смесителя сигнал проходит через фильтр 110.7 МГц и поступает на смеситель третьего гетеродина , настроенного на частоту 100 МГц ,а с выхода этого смесителя сигнал на частоте 10.7 МГц поступает на вход усилителя ПЧ, а после усилителя – на блок фильтров ПЧ.
Блок фильтров ПЧ содержит набор из 7 полосовых пропускающих фильтров на частоту 10.7 МГц с шириной полосы пропускания 1, 3, 10, 30, 100, 300 и 1000 КГц. Цифровой блок коммутирует сигнал ПЧ на один из этих фильтров. После фильтрации сигнал ПЧ поступает на логарифмический усилитель и блок демодуляции. С блока демодуляции сигнал проходит через усилитель НЧ и поступает на встроенный громкоговоритель, а с логарифмического усилителя сигнал проходит через блок видеофильтров и поступает на вход АЦП цифрового блока. Блок видеофильтров содержит набор 4 НЧ фильтров с частотой среза 10 Гц, 100 Гц, 10 КГц и 1 МГц.
Для точного определения частоты используется цифровой счетчик. На вход этого счетчика поступает усиленный до логического уровня и пропущенный через ограничитель сигнал ПЧ. При точном определении частоты сигнала прибор находит сигнал с максимальной амплитудой, настраивает высокочастотный блок на его частоту, и измеряет с помощью цифрового счетчика частоту сигнала ПЧ. Разница между измеренной счетчиком частотой и величиной 10.7 МГц составляет поправку, которую надо прибавить к значению частоты настройки ВЧ блока чтобы получить точное значение частоты принимаемого сигнала. Такой способ определения частоты позволяет измерить частоту с точностью до 10 Гц.
Рис. 1. Структурная схема спектроанализатора
Для получения “живой картинки” на экране прибора необходима высокая скорость перестройки первого гетеродина. В качестве источника частоты используется гиромагнитный резонатор на основе железо-иттриевого граната ЖИГ. Схемотехника, используемая в приборе, позволяет осуществлять перестройку со скоростью 10000 частот в секунду. Следует отметить, что такая скорость реализована при перестройке частоты в сторону возрастания ее величины (от меньшего значения частоты к большему) и при условии, что соседние значения частоты отстоят друг от друга не более чем на 70 МГц. При перестройке частоты с шагом превышающим 70 МГц скорость перестройки снижается примерно в два раза из-за необходимости подавать управление на основную катушку ЖИГ в цепи регулирования которой, с целью уменьшения собственных шумов гетеродина, включены довольно большие емкости.
Время обновления спектрограммы на дисплее прибора зависит от ширины спектра, выводимого на экран, и ширины используемых фильтра ПЧ и видео фильтра. Очевидно, что чем ниже частота среза видео фильтра, тем большее время требуется для фильтрации сигнала. Для всех используемых видео фильтров заранее вычислено необходимое время задержки от перестройки на требуемую частоту до проведения измерения амплитуды сигнала и эта задержка выполняется автоматически в процессе рисования спектра. Зависимость времени обновления от ширины спектра и фильтра ПЧ менее очевидна. Понятно, что на экране выводится 250 точек для прорисовки которых необходимо выполнить 250 перестроек частоты и 250 измерений амплитуды. Расстояние по горизонтали между соседними точками спектрограммы равно ширине выводимого на дисплей спектра поделенной на количество точек, выводимых на экран. Если используемый фильтр ПЧ накрывает” соседние точки на экране, то, действительно, выполняется 250 перестроек и измерений, но если соседние точки на экране отстоят на величину большую, чем ширина фильтра ПЧ, то измерения производятся с шагом равным ширине фильтра, а в качестве амплитуды точки экрана принимается ближайшая к этой точке максимальная по величине амплитуда. Например, чтобы отобразить спектр шириной 2.5 МГц с фильтром ПЧ 10 КГц надо выполнить ((2500 КГц/250 точек)/10 КГц)х250 точек=2500 перестроек частоты и измерений амплитуды. Такой подход позволяет реализовать отображение на дисплее спектра любой ширины: от 0 Гц (фактически – режим осциллографа) до ширины всего частотного диапазона прибора. Причем, время развертки спектра оптимально с точки зрения точности и скорости обновления изображения. На фото 1, 2 приведены примеры отображения спектров различных сигналов. На фото 1 – сигнал с ЧМ модуляцией, на фото 2 – сигнал закладного устройства с маскировкой по технологии SPREAD SPECTRUM.
Фото 1. Спектр сигнала с ЧМ-модуляцией
Фото 2. Сигнал закладного устройства с маскировкой по технологии SPREAD SPECTRUM
В режиме поискового прибора реализован алгоритм выявления рабочих частот радиосигналов, амплитуды которых превышают заданный оператором пороговый уровень и отсутствуют в списке легальных радиосигналов. Процесс сканирования заданного диапазона можно выполнить несколько раз (от одного до 255) или зациклить, чтобы он выполнялся непрерывно. Диапазон просмотра можно разбить на несколько (до восьми) поддиапазонов, в каждом из которых может быть установлен свой пороговый уровень и уровни аттенюации входного сигнала и усиления сигнала на промежуточной частоте. Процесс сканирования может быть прерван либо вводом оператором новой команды, либо прекращен автоматически по окончании требуемого количества циклов сканирования, либо автоматически прерван при обнаружении в процессе сканирования незарегистрированного радиосигнала. В процессе сканирования частота радиосигнала определяется с точностью 10 КГц. Время сканирования зависит от загрузки диапазона сигналами и уровня порога обнаружения, установленного оператором. В условиях Москвы при уровне порога достаточном для выявления радиозакладки мощностью 30 мкВт установленной в помещении на расстоянии 50 м от прибора для сканирования диапазона 5 МГц-2.2ГГц требуется не более 15 секунд.
Несколько слов о стратегии хранения и обработки частот в режиме поиска. Рабочие частоты радиосигналов хранятся в виде пары: начальная и конечная частота. Начальная частота может совпадать с конечной, но никогда не превышает ее. В памяти прибора есть 3500 ячеек для хранения рабочих частот (в каждую ячейку записывается одна пара: начало и конец). В эти ячейки Вы можете записать любое количество частот или диапазонов частот легальных радиосигналов, на которые не следует обращать внимание в процессе поиска. В оставшиеся свободными ячейки прибор будет записывать частоты, обнаруженные в процессе поиска. Таким образом, в приборе поддерживается два списка. В одном списке записаны частоты или диапазоны частот, которые следует игнорировать при поиске радиозакладок (в дальнейшем будем называть его список режектированных частот), а в другом — список частот, обнаруженных в процессе поиска, организованный в виде списка частот или диапазонов частот. В первом случае начальная и конечная частота совпадают (в дальнейшем будем называть его списком обнаруженных частот). Любая частота может присутствовать только в одном из этих списков. Например, если в списке обнаруженных была частота 105.7-105.7, то после ввода в список режектированных частот диапазона 105.0-106, частота 105.7-105.7 из списка обнаруженных будет автоматически удалена.
Списки частот хранятся в, так называемой, ФЛЭШ памяти прибора и не пропадают после отключения питания. Следует отметить, что в режиме TUNER или SPECTRUN Вы можете нажатием одной кнопки перестраиваться на обнаруженные частоты в порядке возрастания или убывания их величины, что облегчает анализ результатов сканирования.
В приборе реализованы команды, которые позволяют легко организовать сравнение загрузки радиодиапазонов при поиске радиозакладок. Например, можно выполнить несколько циклов сканирования в помещении заведомо свободном от закладных устройств, но имеющего сходные условия приема радиосигналов с исследуемым (высота над поверхностью земли, материал стен, размеры помещения окон и дверных проемов, ориентация окон по сторонам света, высотность и расположение соседних строений). Затем, нажатием одной кнопки можно перенести описания всех обнаруженных легальных радиосигналов в список режектированных частот. После этого прибор можно включить на сканирование в исследуемом помещении. Большинство легальных станций будет режектировано и это резко сократит число сигналов, которые необходимо проверить на принадлежность к закладным устройствам.
В последнее время большую популярность приобрел амплитудно-разностный метод выявления радиозакладок (по разности амплитуд сигнала на опорной антенне и антенне внутри помещения). По желанию заказчика прибор может быть доукомплектован антенным коммутатором, управляемым от ЭВМ и программным обеспечением реализующим амплитудно-разностный метод выявления радиозакладок. Программа работает в ОС WINDOWS и обеспечивает кроме выявления РЗУ амплитудно-разностным методом фиксацию времени появления сигнала РЗУ, включение звукового сигнала при обнаружении РЗУ, вывод спектров на печать и ведение протокола наблюдений за радиоэфиром.
В настоящее время спектроанализатор проходит сертификацию в Ростесте как измерительный прибор. В июне 2000 года планируется включение прибора в государственный реестр.