摘 要：截獲概率、搜索速度、測(cè)頻靈敏度以及對(duì)捷變信號(hào)的截獲能力是通信測(cè)頻搜索設(shè)備的重要技術(shù)指標(biāo)。首先對(duì)通信搜索接收機(jī)的幾個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，然后在仿真研究的基礎(chǔ)上按實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)造通信搜索接收機(jī)模型，并對(duì)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，本仿真系統(tǒng)可以對(duì)搜索接收機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量分析、比較，高效簡(jiǎn)便地進(jìn)行接收驗(yàn)證和性能評(píng)估。



關(guān)鍵詞：截獲概率；搜索速度；測(cè)頻靈敏度；性能評(píng)估

中圖分類號(hào)：TN911.25文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)07-099-04

Analysis and Emulation on Communication Scanning Receiver



CAIXiaoxia，CHENHong，XUYun

(Hefei Electronic Engineering Institute，Hefei，230037，China)



Abstract：Probability of interception of a radio transmission，scanning speed，sensitivity of measuring frequency and interceptive ability for radio signal that varies swiftly are techno-qualities of reconnaissance equipment.Based on emulate studying，the paper builds a emulate model of communicate scanning receiver and makes emulate experiment.The results indicate that the emulate system can analyse and compare the design project quantificationally，can conveniently validate receiving signaland evaluate capability of scanning receiver.



Keywords：probability of interception;scanning speed;sensitivity of measuring frequency;evaluating capability

在對(duì)通信信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間、工作頻率、來波方向沒有任何先驗(yàn)知識(shí)的情況下，借助于通信對(duì)抗搜索測(cè)頻設(shè)備，在工作頻率范圍內(nèi)，對(duì)無線電通信信道進(jìn)行不間斷的頻率掃描搜索。如果某個(gè)時(shí)刻，通信電臺(tái)在某工作頻率上的信號(hào)幅度超過接收機(jī)的靈敏度，接收機(jī)判斷該工作頻率上存在信號(hào)，測(cè)定該工作頻率值，認(rèn)為該信號(hào)被截獲，所以，截獲概率、搜索速度、測(cè)頻靈敏度以及對(duì)捷變信號(hào)的截獲能力是搜索測(cè)頻設(shè)備的重要技術(shù)指標(biāo)。本文在仿真研究的基礎(chǔ)上，對(duì)通信搜索接收機(jī)的幾個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析。

1 通信搜索接收機(jī)工作原理

在通信搜索接收機(jī)的工作頻率范圍內(nèi)，同時(shí)存在M個(gè)信號(hào)，頻率分別為fs1，fs2，…，fsM(假設(shè)fs1＜fs2＜，…，＜fsM)：



us(t)=∑Mm=1Usm(t)cos［2π#8226;fsmt+φsm(t)］

(1)



假設(shè)接收機(jī)射頻采用寬開濾波器，信號(hào)us(t)進(jìn)入接收機(jī)。接收機(jī)本振信號(hào)：



uL(t)=UL#8226;cos2πfLmint+12μt2+φL

(2)



us(t)與uL(t)混頻，混頻器的非線性使得輸出不僅有直通輸出量，還有平方項(xiàng)、立方項(xiàng)、乘積項(xiàng)等，利用濾波器選擇信號(hào)與本振乘積項(xiàng)uL(t)#8226;us(t)中的差頻輸出，得到中頻信號(hào)：



ui(t)=［Ui1(t)Ui2(t)…UiM(t)］ #8226;cos2πfLmint+12μt2－fs1t+φi1(t)cos2πfLmint+12μt2－fs2t+φi2(t)cos2πfLmint+12μt2－fsMt+φiM(t)=∑Mm=1Uim(t)cos2πfLmint+12μt2－fsmt+φim(t)

(3)



M個(gè)信號(hào)在中頻的頻率為：fLmin+μ#8226;t－fsm(m=1，2，…，M)，可見，相對(duì)于原接收信號(hào)載波頻率fs1，fs2，…，fsM，中頻信號(hào)頻率均為線性變化，保持中頻濾波器頻率fi及帶寬Bi不變，對(duì)于M個(gè)信號(hào)中的第m個(gè)信號(hào)Usm(t)cos［2πfsmt+φsm(t)］而言，只有：



fi－Bi/2≤fLmin+μ#8226;t－fsm≤fi+Bi/2

(4)



信號(hào)cos2πfLmint+12μt2－fsmt+φim(t) 才能通過中頻濾波器(如圖1所示)，經(jīng)過對(duì)數(shù)放大、包絡(luò)檢波后被提取并顯示出來。對(duì)公式(4)進(jìn)行變換，則第m個(gè)信號(hào)在接收機(jī)中的輸出時(shí)間段為t1m～t2m，其中：



t1m=fsm+fi－Bi/2－fLminμ

t2m=fsm+fi+Bi/2－fLminμ

(5)



圖1 多個(gè)信號(hào)同時(shí)混頻后的時(shí)-頻特性

2 搜索接收機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

截獲概率和測(cè)頻誤差是搜索接收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，與截獲概率相關(guān)的技術(shù)因素主要有：信號(hào)的強(qiáng)度、信噪比、搜索速度、頻率分辨率等；與測(cè)頻誤差相關(guān)的技術(shù)因素主要有：輸出脈沖寬度與波形峰時(shí)間?？紤]到這些因素的相關(guān)性，這里僅對(duì)幾個(gè)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析。

2.1 輸出脈沖位置與射頻頻率

在搜索接收機(jī)的工作頻率范圍fLmax－fi～fLmax+fi內(nèi)，共有N個(gè)信道，通信搜索接收機(jī)事先無法確定信道上的信號(hào)數(shù)目、頻率，搜索接收機(jī)在T周期內(nèi)將所有信道搜索一遍，存在信號(hào)的信道將有信號(hào)輸出，射頻上不同頻率的信號(hào)，經(jīng)混頻器后進(jìn)入接收機(jī)中頻濾波器的時(shí)間不同，輸出的時(shí)域脈沖位置不同，時(shí)域波形出現(xiàn)的時(shí)間順序，對(duì)應(yīng)信號(hào)上出現(xiàn)信號(hào)頻率。

通信搜索接收機(jī)根據(jù)輸出信號(hào)時(shí)間Tout，得到信號(hào)進(jìn)入中頻濾波器的時(shí)間Tout－τ(τ為中頻濾波器、對(duì)數(shù)放大、包絡(luò)檢波、數(shù)據(jù)提取并顯示造成的時(shí)延)，根據(jù)中頻濾波器頻率fi、帶寬Bi、本振起始頻率fLmin、該掃頻周期的起始時(shí)間換算t0和掃頻速率μ，進(jìn)而估算出信號(hào)頻率：



fLmin+μ#8226;(Tout-τ-t0)－Bi/2－fi≤fsmfsm≤fLmin+μ#8226;(Tout-τ-t0)+Bi/2－fi

(6)



2.2 接收機(jī)搜索速度、信號(hào)帶寬與輸出脈沖寬度

對(duì)于通信信道上頻率為fs的信號(hào)，在經(jīng)過變頻，成為頻率fLmin+μ#8226;t－fs線性變化的掃頻信號(hào)，由于中頻濾波器頻率fi及帶寬Bi不變，只有：



fi－Bi/2≤fLmin+μ#8226;t－fs≤fi+Bi/2

(7)



接收機(jī)中頻有輸出。可以算出，在接收機(jī)中頻帶寬內(nèi)有輸出的時(shí)間Δt=Bi/μ，也就是說，頻率為fs的通信信號(hào)，在接收機(jī)中頻輸出寬度為Δt=Bi/μ的脈沖(如圖2所示)。

圖2 中頻輸出時(shí)-頻特性及波形圖

事實(shí)上，對(duì)于通信信道上頻率為fs的信號(hào)都有一定的頻譜寬度Bs(如圖3)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)中頻時(shí)，如果：



fi－Bi/2=fLmin+μ#8226;t1－(fs－Bs/2)



則：



t1=(fi－Bi/2)+(fs－Bs/2)－fLminμ

(8)



如果：



fLmin+μ#8226;t2－(fs+Bs/2)s=fi+Bi/2



則：



t2=(fi+Bi/2)+(fs+Bs/2)－fLminμ

(9)



圖3 中頻輸出信號(hào)時(shí)-頻特性

所以，輸出脈沖的寬度會(huì)增加：



Δt=t2－t1=(fi+Bi/2)+(fs+Bs/2)－fLminμ-

(fi－Bi/2)+(fs－Bs/2)－fLminμ

=Bi+Bsμ

(10)



可見，一個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出脈沖寬度與信號(hào)帶寬、接收機(jī)中頻帶寬及搜索速度有關(guān)，搜索速度μ越大，脈沖越窄。

2.3 輸出脈沖寬度與頻率測(cè)量誤差

對(duì)于載波為fs的通信信號(hào)，時(shí)域波形有一定的持續(xù)時(shí)間段Δt(如圖2)，一般以時(shí)域波形峰出現(xiàn)時(shí)t0+ΔT計(jì)算信號(hào)頻率，不考慮中頻濾波器帶寬，此時(shí)：



fsm=fLmin+μ#8226;(Tout-τ-t0)－fi=fLmin－fi+μ#8226;(Tout-τ-t0)

(11)



假設(shè)某信號(hào)在中頻濾波器出現(xiàn)波形峰的時(shí)間為Tout-τ=t0+ΔT，則該信號(hào)在掃頻周期內(nèi)的相對(duì)頻率ΔF與掃頻范圍、掃頻周期的換算關(guān)系為：



fLmax－fLminT=ΔFΔT

(12)



該信號(hào)在掃頻周期內(nèi)的相對(duì)頻率ΔF為：



ΔF=fLmax－fLminT#8226;ΔT

(13)



該信號(hào)的工作頻率fs為：



fs=fLmin－fi+ΔF

=fLmin－fi+fLmax－fLminT#8226;ΔT

=fLmin－fi+μ#8226;ΔT

(14)



可見射頻脈沖形狀關(guān)系到信號(hào)波形峰位置t0+ΔT的變化，脈沖的寬度越大，脈沖輸出時(shí)間的判定誤差越大，可能帶來信號(hào)頻率的測(cè)量誤差越大。

2.4 搜索速度與頻率分辨率

搜索接收機(jī)以輸出脈沖的有無代表信號(hào)的有無，以輸出脈沖的高低代表信號(hào)的相對(duì)大小，以輸出脈沖的時(shí)間代表信號(hào)的頻率。對(duì)于兩個(gè)頻率相鄰的信號(hào)，接收機(jī)輸出窄脈沖必然相鄰，假如兩個(gè)信號(hào)的頻率相鄰很近，兩個(gè)輸出窄脈沖的雙峰可能會(huì)有重合甚至難以區(qū)分，使截獲概率明顯下降。為了提高接收設(shè)備的頻率分辨力，希望時(shí)域窄脈沖寬度Δt=Bi/μ越窄越好。

假設(shè)搜索接收機(jī)的工作頻率范圍fLmax－fi～fLmax+fi內(nèi)，共有N個(gè)信道，考慮到搜索接收機(jī)在每個(gè)信道上的建立時(shí)間為Ti1/Bi，當(dāng)搜索速度μ≤Bi/Ti= B2i時(shí)，將N個(gè)信道搜索一遍的周期T≥N#8226;1/Bi，時(shí)域窄脈沖寬度：



Δt=Bi/μ≥Bi/B2i=1/Bi



當(dāng)搜索速度μ≥Bi/Ti=B2i時(shí)，接收機(jī)的頻率響應(yīng)特性將發(fā)生變化，時(shí)域窄脈沖將變寬，接收分辨率與測(cè)頻誤差都將增大。

2.5 本振掃頻范圍與接收機(jī)工作頻率范圍

以線性掃頻信號(hào)作為本振，本振變化范圍fLmin～fLmax，其中fLmax=fLmin+μ#8226;T，本振掃頻范圍μ#8226;T決定了接收機(jī)的工作頻率范圍大小，根據(jù)本振頻率、中頻頻率與射頻頻率的換算關(guān)系：fs=fL－fi，接收機(jī)自動(dòng)進(jìn)行頻率搜索的工作頻率范圍：



fLmin－fi～fLmax－fifLmax=fLmin+μ#8226;T



3 搜索接收機(jī)仿真系統(tǒng)

搜索接收機(jī)仿真系統(tǒng)主要由信號(hào)環(huán)境模塊、信道模塊和搜索接收模塊組成。

信號(hào)環(huán)境模塊參數(shù)主要包括：信號(hào)的數(shù)量、工作頻率范圍、信號(hào)密度分布、調(diào)制樣式、強(qiáng)度、帶寬、碼元速率等，信號(hào)環(huán)境模塊采用的信號(hào)模型主要從設(shè)定的通信信號(hào)電磁環(huán)境中加入，也可以根據(jù)需要在仿真框圖中直接補(bǔ)充，在仿真時(shí)根據(jù)參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)流作為輸入信號(hào)。

信道模塊參數(shù)主要包括：信道類型、特性、衰落強(qiáng)度、頻率范圍等。信道模塊采用的信號(hào)模型可以從設(shè)定的信道數(shù)據(jù)庫(kù)中加入，也可以根據(jù)需要實(shí)際環(huán)境條件在仿真框圖中直接補(bǔ)充，在仿真時(shí)根據(jù)參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲或干擾源信號(hào)作為信道影響。

搜索接收模塊是本仿真系統(tǒng)的核心，主要包括本振信號(hào)產(chǎn)生器、混頻器、濾波器、檢波、放大等部分。在仿真時(shí)通過設(shè)置本仿真系統(tǒng)不同部分的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻段通信信號(hào)的搜索截獲并進(jìn)行信號(hào)接收與頻率分析測(cè)量。

4 仿真結(jié)果

根據(jù)模型對(duì)超外差式搜索接收機(jī)進(jìn)行仿真接收，根據(jù)仿真系統(tǒng)輸入信號(hào)，測(cè)量其輸出信號(hào)，可以得到搜索接收系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，研究其性能指標(biāo)。在仿真中假設(shè)采用本振搜索速度為20 MHz/s，等效中頻帶寬選擇為400 kHz。

圖4是四個(gè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)后，中頻輸出波形與頻譜(三個(gè)掃頻周期，下同)。

圖4 四個(gè)信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后的輸出

圖5是在其他條件不變的情況下，提高接收機(jī)本振搜索速度，得到的中頻輸出信號(hào)。與圖4相比可見：頻域帶寬明顯增加。

圖6是在其他條件不變的情況下，提高輸入信號(hào)的帶寬得到的中頻輸出信號(hào)。與圖4相比可以看出：輸出信號(hào)的脈沖寬度明顯增加，通信信號(hào)的帶寬直接影響接收機(jī)的測(cè)頻精度和分辨率。

圖7是在其他條件不變的情況下，改變輸入信號(hào)的強(qiáng)度和在信道上的頻率間隔，得到的中頻和檢波輸出信號(hào)。與圖4相比可以看出：在信號(hào)強(qiáng)度相差很大，而頻率很接近的情況下，大信號(hào)很容易將小信號(hào)淹沒，造成搜索的漏警。

圖5 搜索速度提高，中頻輸出頻譜

圖6 搜索速度提高，中頻輸出脈沖變寬

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)對(duì)通信搜索接收機(jī)的仿真研究，筆者認(rèn)為：通過計(jì)算機(jī)仿真，按實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)造模型，對(duì)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，

可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)及邊界條件進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)各種方案進(jìn)行定量比較，發(fā)現(xiàn)不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，高效簡(jiǎn)便地對(duì)搜索接收機(jī)進(jìn)行性能驗(yàn)證和評(píng)估，有效降低設(shè)備研制、試驗(yàn)、定型的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

圖7 信號(hào)強(qiáng)度差大，頻率很接近的情況下，接收機(jī)輸出

參 考 文 獻(xiàn)

［1］William H Tranter，Sam Shanmugan K，Theodore S Rappaport，et al.通信系統(tǒng)仿真原理與無線電應(yīng)用[M].肖明波，楊光松，許芳，等譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］羅利春.無線電偵察信號(hào)分析與處理[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

［3］James Tsui.寬帶數(shù)字接收機(jī)[M].楊小中，陸安南，金飚，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

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作者簡(jiǎn)介 蔡曉霞 女，1965年出生，安徽淮南人，教授。主要從事通信與信息系統(tǒng)，信號(hào)處理方向的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。