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Monitoramento de Sinais em Tempo Real (INS370)

A utilização de equipamentos de transmissão na escuta clandestina, o monitoramento de forma irregular de eventos e mesmo links consistem em problemas que crescem com o acesso cada vez mais fácil a essas tecnologias. Como monitorar o espectro em um local para detectar eventuais emissões clandestinas é algo que interessa a todos que se preocupam com segurança. Assim, baseados em documentação da Tektronix preparamos este artigo em que analisamos o uso do Analisador de Espectro no monitoramento de sinais em tempo real.

Monitoramento de sinais, segurança e análise de espectro em tempo real exigem instrumentos dotados de características especiais, capazes de abranger não só uma ampla gama do espectro, mas também resposta rápida para detectar sinais em tempo real e sensibilidade suficiente para captar sinais muito fracos em condições de elevado nível de ruído e interferência.

Nas aplicações mais simples, a Vigilância e análise de uma certa porção do espectro pode ser feita com a ajuda de um receptor de rádio comum, ou mesmo um ”scanner”, porém um analisador de espectro tem uma capacidade muito maior para fazer essas tarefas sendo, portanto, o instrumento ideal para quem precisa realizar um trabalho sério nesse campo.

Assim, a Tektronix, baseada em seus RTSA (Real Timer Spectrum Analizer) ou Analisador de Espectro em Tempo Real, publicou uma interessante documentação sobre seu uso nessas aplicações, a qual procuraremos resumir neste artigo.

Inicialmente, analisaremos como o analisador de espectro pode ser empregado no monitoramento de sinais. Depois trataremos das características básicas que são importantes neste tipo de tarefa e alguns problemas que ocorrem se instrumentos de outros tipos forem utilizados.

 

O Analisador de Espectro em Tempo Real

Um dos principais problemas que o uso de analisadores de espectro comuns enfrentam no monitoramento de sinais em tempo real está na velocidade com que eles varrem o espectro e depois processam os sinais capturados.

Salvas (bursts) de sinais podem perfeitamente ser geradas numa determinada frequência quando o analisador já passou por ela, ou ainda durante o período em que ele faz o processamento dos sinais. Isso significa que, nesses intervalos, os eventuais sinais que precisam ser detectados não o são, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1
Figura 1

 

Veja, então, que existem intervalos de tempo significativos em que o analisador de espectro não está ativo naquela frequência, ou na faixa inteira, monitorando os sinais.

A solução para esse problema está no uso de um analisador de espectro em tempo real que possa pré-analisar de forma constante o espectro, disparando com eventos significativos. Isso permite a captura de ”bursts" de sinais em qualquer instante e sua análise posterior.

Analisadores de espectro com essas características já existem há mais de 20 anos, tendo sido a Tektronix a primeira a lançá-los no mercado.

O Analisador de Espectro em Tempo Real ou RTSA moderno atende às necessidades desse tipo de análise dinâmica dos sinais, sem deixar passar nada.

A ideia básica da tecnologia deste analisador é capturar os sinais em todo o espectro em tempo real, colocando-os numa memória e analisando-os em domínios múltiplos.

Isso torna possível detectar variações muito rápidas de energia que variam com o tempo, o que é essencial para aplicações que envolvem vigilância.

Em um RTSA típico, o circuito de entrada consiste num receptor que pode sintonizar de DC a 8 GHz. O sinal passa para um conversor que abaixa sua frequência (down converter), obtendo-se um sinal fixo de frequência intermediária.

Esse sinal é então filtrado e digitalizado por um conversor analógico-para-digital (ADC), finalmente passando para um processador digital de sinais (DSP). O DSP gerencia então o disparo do instrumento, a memória e as funções de análise do sinal.

Na figura 2 temos o diagrama de blocos que representa a organização desses funções, observando-se que, apesar de muitos blocos serem semelhantes aos dos analisador comuns com arquitetura VSA (Vector Signal Analyzer), o RTSA é otimizado para fornecer disparo em tempo real e análise multidomínio.

 

Figura 2
Figura 2

 

Isso significa uma capacidade de capturar salvas de sinais em ambientes complexos com 100% de probabilidade.

O RSA3408A da Tektronix, por exemplo, tem uma largura de faixa de análise de 36 MHz, e faixa dinâmica de -78 dB de intermodulação de terceira ordem. O nível de ruído no display (DANL) é de -151 dB/raiz de hertz em 1 GHz e ruído de fase de -108 dBc/Hz, em 20 kHz.

Essas características possibilitam uma excelente captura de sinais mesmo sob condições espectrais difíceis.

 

Monitoramento de Sinais de Radiodifusão

Uma aplicação importante que pode ser dada como exemplo para esse tipo de analisador de espectro é o monitoramento de sinais de radiodifusão para efeito de fiscalização.

Com o aumento de emissões ocupando o espectro que já se encontra congestionado, o aparecimento de estações clandestinas, principalmente na faixa de FM em nosso país, o monitoramento do espectro de rádio está se tornando cada vez mais importante. Isso também leva em conta que aplicações que fazem uso de sinais de rádio, como os circuitos wireless de computadores e outros periféricos, capazes de interferir na recepção, têm seu uso crescente em todos os locais.

 

Regulamentação e Vigilância

De modo a garantir a correta utilização do espectro de rádio, existem regulamentações que devem ser seguidas, sob pena de punições severas. Isso significa uma necessidade de se fiscalizar o uso do espectro.

Nessa fiscalização incluem-se tanto as emissões clandestinas quanto os sinais que são produzidos por equipamentos mal instalados, ou mal ajustados. Incluem-se nesse caso as emissões de celulares a partir de locais indevidos, como acontece hoje no caso de presídios.

É importante também ter recursos para se verificar o que ocorre no espectro para se diagnosticar problemas de funcionamento de um sistema.

Veja que a preocupação com essas emissões não deve partir apenas de órgãos governamentais, mas também de entidades particulares. Um sinal interferente de uma estação pode afetar outra próxima com resultados negativos para sua audiência.

 

Bens Naturais

Abrimos nesse ponto um pequeno espaço para comentar algo que os profissionais de Telecomunicações precisam pensar a respeito. Da mesma forma que o ar que respiramos, a água disponível nas fontes naturais e a própria luz solar são bens naturais que devem ser preservados e isso significa um uso inteligente desses recursos, ocorre o mesmo com o espectro eletromagnético.

Temos observado um certo descaso das autoridades e mesmo dos usuários, no sentido como tratam o espectro eletromagnético, que é um bem comum, de uma forma bastante egoísta e até mesmo com finalidades não muito éticas.

A utilização do espectro por estações de rádio e mesmo TV, que realmente não acrescentam nada a não ser defender interesse escusos ou corporativos dos que conseguem as concessões, é um exemplo. O espaço do espectro que elas ocupam é um bem comum que deveria ser usado de uma forma mais apropriada.

Seria bastante interessante que os profissionais que dependem das telecomunicações defendessem a ideia de uma melhor fiscalização e utilização do espectro que, para eles, é como o ar que respiram: do espectro eles dependem para sua sobrevivência...

 

Medidas no Espectro

As regulamentações sobre emissões incluem normalmente diversas medidas no espectro de modo a se evitar interferências. Por exemplo, a determinação exata da localização da portadora garante que o usuário licenciado daquela frequência está utilizando o canal correto.

No entanto, para os analisadores de espectro convencionais não é simples saber se um usuário está usando o canal correto, quando o sistema de modulação que ele usa suprime a portadora.

Os RTSA, entretanto, através da análise do sinal, pode fazer essa determinação. Ele fixa a frequência central do sinal e avalia as frequências adjacentes extraindo assim um sinal de erro.

Para sinais digitais, o RTSA pode fazer isso numa faixa que vai de 15 kHz até todo o alcance do instrumento, dependendo apenas dos parâmetros do sinal. Uma vez que o aparelho determina a frequência correta do sinal, ele pode usá-la como referência para validar sua largura de faixa correta.

A faixa total ocupada ou OSW (Occupied Band Width) pode então ser expressa como uma porcentagem total do sinal irradiado, banda total de emissão (Emission Band Width EBW).

Essa informação é de grande utilidade para se saber se o sinal está sendo produzido corretamente dentro da faixa de frequências alocada.

Os Analisadores de Espectro em Tempo Real (RTSA) podem fazer essa medida ao simples toque de um botão, conforme a Tektronix afirma, para o caso de seus instrumentos.

Observe que para essa medidas é preciso ter recursos para se medir a intensidade RMS do sinal ao longo do espectro analisado. Os RTSA possuem esses recursos.

Na figura 3 temos um exemplo de sinal que ocupa uma faixa de 10 MHz dentro do canal alocado na faixa de 5,935 GHz.

 

Figura 3
Figura 3

 

 

As Dificuldades na Vigilância do Espectro

Quando se fala em vigilância do espectro, não se considera apenas as aplicações que envolvam os aspectos policiais, estratégicos e legais. A vigilância também se aplica quando se deseja controlar um sinal para que ele seja corretamente usado. Nesse caso, não se trata de se fiscalizar o sinal emitido por alguém, mas de se fiscalizar o sinal emitido por si mesmo.

Isso quer dizer que deve-se levar em conta a análise do que ocorre com um sinal, não apenas no local em que ele é emitido como também em campo aberto.

Essa necessidade de se verificar os sinais nas mais diversas condições traz certo desafio ao usuário de um analisador de espectro.

Utilizando-se um equipamento em campo aberto, eventualmente longe da estação emissora, pode-se enfrentar diversos problemas como a presença de obstáculos que afetam a propagação desse sinal e até mesmo a necessidade de se trabalhar com sinais muito fracos, veja a figura 4.

 

Figura 4
Figura 4

 

Isso pode acontecer, por exemplo, de uma forma mais acentuada quando for perigoso colocar o analisador perto de uma estação clandestina, numa aplicação policial ou militar, caso em que ele deve ficar em território protegido, neutro, águas internacionais, etc.

Entretanto, o maior desafio está no fato de que técnicas modernas de modulação, como os saltos de frequência, torna bastante difícil a tarefa de fazer a detecção dos sinais num ambiente ruidoso ou ainda com elevado nível de interferência. Para superar essas dificuldades, o analisador deverá ter diversos recursos específicos como:

 

Faixa Dinâmica

O analisador deve ter uma faixa dinâmica suficiente larga para poder separar eventuais fontes de interferências que estejam em frequências próximas a do sinal que deve ser monitorado.

Um sinal interferente muito forte pode saturar os circuitos do ADC do analisador, impedindo assim que o sinal mais fraco seja recebido. Um sinal muito forte também pode causar problemas com produtos de intermodulação que justamente podem cair na frequência do sinal que se deseja monitorar, observe a figura 5.

 

Figura 5
Figura 5

 

 

Nessa figura mostram; mos que um boa faixa dinâmica impede que um sinal forte ”se espalhe”, afetando a recepção de um sinal mais fraco que deve ser vigiado.

 

Ruído de Fase

Os analisadores de espectro podem gerar ruído de fase que afetam a capacidade de interceptação de sinais. Se o ruído l de fase do oscilador local do analisador não for suficientemente baixo, alguns sinais se tornarão impossíveis de receber.

O oscilador local poderá espalhar canais adjacentes que vão ”tampar" o sinal que deve ser recebido, exemplo na figura 6.

 

Figura 6
Figura 6

 

Nessa figura temos o caso em que o ruído de fase gerado pelo oscilador local, ”alarga” a resposta do analisador, fazendo com que o sinal que se deseja detectar seja encoberto.

Na figura 7 temos uma amostra da tela de um Analisador de Espectro em Tempo Real, da Tektronix, em que o ruído de fase não consegue cobrir um sinal fraco adjacente a um sinal de interferência.

 

Figura 7
Figura 7

 

 

 

Sinais Fracos

Para o caso de se trabalhar com sinais muito fracos, poderá ser necessário usar um pré-amplificador na entrada do analisador de espectro.

Tipos de analisadores de espectro em tempo real, como os da Tektronix, possuem recursos para que esse pré-amplificador seja acoplado diretamente na entrada com alimentação obtida do próprio analisador, veja a figura 8.

 

Figura 8
Figura 8

 

O pré-amplificador opcional apresentado baixa o nível de ruído e adiciona um ganho de 20 dB para a recepção dos sinais. Observe que o pré-amplificador é alimentado diretamente pelo RTSA.

 

Sinais difíceis de detectar e interceptar

Existem diversas técnicas para se evitar que um sinal de rádio seja descoberto. A primeira delas consiste em tornar o sinal difícil de detectar ou LPD (Low Probability of Detection).

Isso pode ser conseguido enviando as mensagens em salvas curtas.

A outra possibilidade seria tornar o sinal difícil de interceptar ou LPI (Low Probability of Interception).

Há também a possibilidade de esconder um sinal, tornando-o fraco o suficiente para se aproximar do piso de ruído, como acontece com as técnicas de espectro espalhado.

De qualquer forma, aproveita-se em muitos casos o fato de que analisadores de espectro comuns não vigiam o espectro de forma contínua.

 

Conclusão

O que Vimos até aqui foi uma pequena amostra de como um analisador de espectro pode ser usado para se vigiar o espectro detectando-se emissões clandestinas indesejadas, ou mesmo ajudando a se fazer o ajuste de um equipamento para que ele ocupe devidamente o canal alocado.

Técnicas de modulação especiais como as que fazem o uso do salto de frequências e outras podem ser empregadas para se "esconder" um sinal evitando sua detecção.

E, se dominar bem o inglês, poderá ver o documento original da Tektronix, no site www.tek.com, ”Signal Monitoring, Surveillance and Real Time Spectrum Analysis".

 

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