潘寶鳳

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

通信偵察在電子信息戰(zhàn)中起著舉足輕重的作用,目前已經(jīng)研制出許多小型或大型的通信偵察系統(tǒng),廣泛應(yīng)用于陸基、艦船、飛機、無人機、衛(wèi)星平臺等。通信偵察的主要任務(wù)為電磁頻譜監(jiān)測、敵方通信信號技術(shù)參數(shù)和內(nèi)涵情報的獲取、對輻射源信號的測向、定位等。

隨著民用和軍用通信技術(shù)的高速發(fā)展,通信頻段內(nèi)的信號變得日益密集,民用、軍用、不同功率、不同帶寬、不同調(diào)制制式的通信信號交織在一起,使得電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜。另外,跳頻、擴頻和跳擴結(jié)合等新體制通信信號的應(yīng)用,使得信號的搜索、截獲和分析處理變得更加困難。鑒于上述原因,人們對通信偵察系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求。本文將介紹通信偵察系統(tǒng)的總體設(shè)計,并對關(guān)鍵技術(shù)進行討論。

2 通信偵察系統(tǒng)的組成及設(shè)計

2.1 通信偵察系統(tǒng)的組成

通信偵察系統(tǒng)主要由偵收天線、前置低噪聲放大器、射頻轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)、調(diào)諧接收機、中頻轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)聽接收機、信號處理終端、數(shù)據(jù)存儲器等組成,其組成原理框圖如圖1所示。

通信偵察系統(tǒng)的主要功能為:

(1)具有通信信號頻譜的全頻段或分頻段顯示功能,能完成對目標(biāo)信號的實時監(jiān)視、自動搜索;

(2)能夠依靠人工和自動的手段實現(xiàn)對通信信號調(diào)制體制識別,并具有對信號的調(diào)制參數(shù)(包括調(diào)制系數(shù)、信號帶寬、載頻、碼速率等)的測量功能,建立輻射源目標(biāo)特征庫;

(3)能夠根據(jù)信號的識別結(jié)果,實時或離線完成信號的解調(diào),獲取情報內(nèi)涵信息;

(4)能夠?qū)νㄐ判盘栠M行寬帶或窄帶測向,具有交匯定位功能和目標(biāo)態(tài)勢顯示功能。

圖1 通信偵察系統(tǒng)組成原理框圖Fig.1 Block diagram of communication reconnaissance system

2.2 通信偵察系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 偵收天線

根據(jù)偵收信號的頻段和搭載平臺的不同,偵收天線的形式也各不相同,一般要求具有全方位覆蓋能力,具有高的天線增益,能滿足平臺安裝適應(yīng)性要求。對于測向天線,一般還要求天線的幅相一致性較好,天線間的互耦小,安裝無遮擋等。

陸基短波通信偵察系統(tǒng)通常采用大型的陣列天線來完成對短波通信信號的偵察和測向,船載短波通信信號的偵收天線形式主要為倒L天線和鞭狀天線,后者較前者有更高的天線增益,但當(dāng)信號電磁環(huán)境復(fù)雜、有強干擾信號時,容易造成射頻前端飽和,產(chǎn)生虛假信號;倒L天線對甚長波信號的偵收效果較好,且能偵收水平極化的信號。

超短波通信信號偵察系統(tǒng)的天線形式較多,目前常用的有雙錐天線、盤錐天線、刀形天線、有源單極子天線、對數(shù)周期天線等,前4種天線均為水平全向天線,可實現(xiàn)對信號的全方位偵收,適用于信號普查和電磁頻譜監(jiān)測。對數(shù)周期天線為方位天線,用于對遠距離、低功率信號的高靈敏度偵收。為了確保對微弱信號的偵收效果,常常采用兩副或多副天線組陣,通過波束合成方法提高天線的增益,構(gòu)成高增益天線,其增益可達10～20dBi。另外,為了保證對信號的全方位高增益?zhèn)墒?通常使用帶旋轉(zhuǎn)平臺的方位天線,也可將多副方位天線進行布陣,使得每副天線對應(yīng)不同方位,實現(xiàn)對信號的360°偵收。

對于短波、超短波信號的測向通常采用天線陣的形式。實際工程項目中,通常采用多副天線來滿足偵察系統(tǒng)的要求。

2.2.2 射頻前端

射頻前端通常包括前置低噪聲放大器、射頻轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)和中頻轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò),其性能設(shè)計的好壞將影響后端信號的接收質(zhì)量。

(1)前置低噪聲放大器

前置低噪聲放大器是整個接收通道最關(guān)鍵的模塊,其主要功能是在引入盡量低的噪聲的前提下,為后面各級提供足夠的增益。前置低噪聲放大器組件通常要求緊挨著天線安裝,以減少信號傳輸帶來的損耗,其指標(biāo)包括抗燒毀功率、工作頻率、增益、噪聲系數(shù)、1 dB壓縮點等。

由于前置低噪聲放大器通常為寬開的,當(dāng)偵收頻段內(nèi)存在大功率信號時,容易引起整個接收鏈路的飽和,噪聲基底抬高,偵收的弱信號淹沒在噪聲里,同時產(chǎn)生虛假信號。在實際使用時,通常設(shè)置一個旁路開關(guān),當(dāng)偵收電磁環(huán)境中存在大功率信號時,可將前置低噪聲放大器旁路,以保證對監(jiān)測頻段內(nèi)所有信號的正常接收。另外,需合理設(shè)計放大器的增益,盡量提高其1 dB壓縮點;也可在保證整個系統(tǒng)噪聲系數(shù)的前提下,采取在放大器前端加陷波器的方式,將已知大功率干擾頻段的信號抑制,如移動通信頻段的信號。

(2)轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)

射頻轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)將各副天線接收下來的射頻信號進行放大、功分、轉(zhuǎn)接,根據(jù)偵測終端的需求,將其指定天線的信號送到后端對應(yīng)的接收機單元。通過射頻轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)天線資源的共享,后端偵測設(shè)備可根據(jù)需要靈活選擇天線。

中頻轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)將調(diào)諧接收機輸出的中頻信號進行放大、功分、轉(zhuǎn)接,將接收到的中頻信號送到要求對其進行偵收處理的終端處理設(shè)備,可以實現(xiàn)接收機資源的共享和靈活分配應(yīng)用。

轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)主要由功分器、選擇開關(guān)、放大器等組成。轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)指標(biāo)包括輸入/輸出路數(shù)、工作頻率、增益、1 dB壓縮點、開關(guān)隔離度等,設(shè)計時需重點關(guān)注隔離度指標(biāo),否則會引起不同信道間信號的串?dāng)_,影響信號的偵收質(zhì)量。

(3)接收機

監(jiān)聽接收機通常采用窄帶超外差體制,能對接收到的AM、FM、SSB等常規(guī)模擬通信信號進行解調(diào),輸出音頻信號,進行監(jiān)聽。

調(diào)諧接收機將接收到的信號進行濾波、放大和變頻,輸出中頻信號到中頻轉(zhuǎn)接矩陣。目前工程中常用的調(diào)諧接收機也為超外差式接收機,具有寬帶和窄帶接收功能。短波寬帶最大偵收瞬時帶寬一般設(shè)計為1MHz或500kHz,超短波為12 MHz、20MHz或60MHz。接收機帶寬越寬,搜索速度越快,但鄰道干擾大,信號偵收靈敏度低,且信道容易飽和,使得信號失真或發(fā)生交調(diào)現(xiàn)象,噪聲基底抬高,產(chǎn)生虛假信號,接收信噪比下降。

無虛假響應(yīng)動態(tài)范圍是接收機的一個重要性能指標(biāo),常用雙音信號來測試,稱為雙音動態(tài)范圍。它表征了接收機在大的干擾信號存在下,對小信號的接收能力。要設(shè)計雙音動態(tài)范圍大的接收機,必須合理分配各級增益,鏈路余量適宜、各級均衡,并著重考慮末級、末前級放大器的三階截點及增益大小[1]。

另外,接收機設(shè)計時前端需加預(yù)選濾波器,其作用是減小射頻輸入帶寬,盡可能地抑制不需要頻譜的信號,減少組合干擾。

2.2.3 信號處理終端

信號處理終端是通信偵察系統(tǒng)的核心處理單元,主要對前端接收設(shè)備進行監(jiān)控,完成電磁信號頻譜顯示及信號搜索、信號的調(diào)制分析、參數(shù)測量、信號的解調(diào)、數(shù)據(jù)采集存儲、編碼分析等功能。通常要求采用模塊化、標(biāo)準化設(shè)計,使用統(tǒng)一的硬件平臺通過加載不同的軟件實現(xiàn)不同的處理功能,這樣可提高設(shè)備的可靠性,增加系統(tǒng)的可擴展性和靈活性,以滿足不同任務(wù)的需求。

信號處理終端一般采用多個信號處理板加計算機的硬件結(jié)構(gòu)。信號處理板主要由FPGA、DSP、存儲芯片、計算機總線接口芯片、網(wǎng)絡(luò)通信芯片等組成。目前最常用是CPCI總線型計算機。隨著通信偵察技術(shù)的發(fā)展和小型化、一體化設(shè)計需求的增強,人們對信號處理能力和信號的傳輸速度要求越來越高,CPCI總線傳輸速度已經(jīng)成了制約信號處理終端發(fā)展的瓶頸。近年來,許多新的高速數(shù)據(jù)總線相繼推出,如PCI Express 2.0和PXI-E高速數(shù)據(jù)總線,兩種數(shù)據(jù)總線應(yīng)用設(shè)計技術(shù)已日趨成熟,已有一些成熟產(chǎn)品,相信不久的將來會在工程中得到廣泛的應(yīng)用[2]。

3 通信信號偵察的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 通信信號的快速搜索、截獲

通信偵察作為非協(xié)同方,我們事先不是總能知道所感興趣信號的位置,而且也不知道這些信號何時出現(xiàn),工作在哪個頻點或頻段,它們混雜在幾十個、上百個無用信號或干擾信號中,有些還可能淹沒在噪聲里,因此,對信號的搜索、截獲是通信偵察要解決的首要任務(wù)。

通信信號的搜索、截獲處理流程如圖2所示。

圖2 通信信號的搜索、截獲處理流程Fig.2 Flow chart for search and intercept of communication signal

理想的信號搜索需要極高的搜索速度和高的頻域分辨率,搜索速度越快,就越有可能捕獲到持續(xù)時間較短的信號;高的頻域分辨率更能看清頻譜的細節(jié),發(fā)現(xiàn)信號,特別是那些在大信號位置附近或接近基底噪聲的低電平信號。

影響信號搜索速度的系統(tǒng)因素有很多,包括天線的波束寬度、接收機的瞬時帶寬和頻率切換時間、頻譜分析的處理時間、信號檢測的準則及判決時間等。采用寬波束天線進行寬帶接收、多處理器并行處理和快速、有效的信號檢測算法等均可提高信號的搜索速度。實際應(yīng)用中,還將多個寬開信道聯(lián)合,采用頻率拼接的方案來實現(xiàn)信號的超寬帶步進搜索,進一步提高信號的搜索速度,如由5個12 MHz的接收信道拼接成60MHz的瞬時掃描帶寬。

影響信號頻率分辨率的因素主要包括信號的持續(xù)時間、FFT的點數(shù)、采樣速率。采樣速率又與信號的分析帶寬即接收機的瞬時帶寬有關(guān)。要獲取高的頻率分辨率,要求低的采樣速率、足夠大的FFT點數(shù),此時要耗費較長的信號處理時間,從而降低信號搜索速度。因此,系統(tǒng)設(shè)計時兩者必須綜合考慮。

信號檢測和判決是最終發(fā)現(xiàn)信號,完成信號搜索、截獲的必要手段。通常采用以下技術(shù)手段來實現(xiàn)信號的檢測。

(1)固定門限檢測

在全景譜上人工設(shè)置一信號幅度門限,當(dāng)信號超過該門限時,即停止掃描或?qū)⒃撔盘柕念l率記錄在信號列表或信號數(shù)據(jù)庫中,并可啟動自動存儲功能完成數(shù)據(jù)的存儲。

(2)進行頻率規(guī)劃和濾波

預(yù)先設(shè)置感興趣的頻段或組合頻率點,只對上述頻點或頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)的信號進行檢測,剔除非感興趣頻段或頻點的信號。

(3)自適應(yīng)門限檢測

采用相關(guān)算法,根據(jù)噪聲譜線的分布特征估計出自適應(yīng)檢測門限。

(4)其它檢測手段

對過門限信號的頻譜進行分析,根據(jù)信號的頻譜形狀、帶寬、峰值等來區(qū)分是否為感興趣的信號;對特殊的信號如Link16信號等,必須根據(jù)信號的組合特征進行綜合分析、識別,實現(xiàn)對信號的檢測和截獲。

文獻[3]針對寬帶數(shù)字式搜索接收機信號處理中的高分辨率譜估計和弱信號漏檢問題,提出一種有效的信號檢測方法。安捷倫公司近年推出的E3238S(黑鳥)信號監(jiān)測設(shè)備采用了電平判決、電磁環(huán)境背景判決、噪聲自適應(yīng)判決、用戶定義判決4種能量判決方法和頻譜形狀相關(guān)判決、峰值判決、調(diào)制類型判決和模板判決4種信號判決方法,快速有效地實現(xiàn)了對空中瞬態(tài)信號的搜索、發(fā)現(xiàn)[4],其設(shè)計技術(shù)值得借鑒和學(xué)習(xí)。

3.2 通信信號的調(diào)制識別

通信信號的調(diào)制識別是近來信號處理領(lǐng)域的熱門課題,在這方面有大量的文獻資料,提出了很多新的思路和方法。文獻[5]提出了一種基于統(tǒng)計模式識別的通信信號識別方法;文獻[6]提出了一種基于高階累積量為特征參數(shù),實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制信號的分類識別方法;文獻[7]提出了一種基于譜特征的模擬與數(shù)字調(diào)制方式自動識別算法;文獻[8]針對π/4QPSK和8PSK信號調(diào)制體制識別,提出了一種基于相位差分信號星座圖的調(diào)制體制識別算法等。

目前,通信信號的調(diào)制識別技術(shù)已應(yīng)用于實際工程,取得了一定的效果,但如何提高小樣本、低信噪比情況下通信信號的調(diào)制識別準確率,尋找計算量更小、適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境、宜于工程化實現(xiàn)、識別性能更好的新識別特征參數(shù)和識別方法等,仍是今后很長一段時間內(nèi)努力的方向。

3.3 通信信號的高精度測向、定位

3.3.1 通信信號的測向

無線電測向是利用無線電波在均勻媒質(zhì)中傳播的勻速直線性,根據(jù)入射電波在接收天線中感應(yīng)產(chǎn)生的電壓幅度、相位或頻率上的差別判定輻射源信號的來波方向。測向系統(tǒng)的主要指標(biāo)包括頻率覆蓋范圍、測向準確度、靈敏度、抗擾度、時效性等。

實現(xiàn)測向的方法很多,目前工程應(yīng)用較多的主要有比幅法[9,10]、相關(guān)干涉儀測向法[9]和時差測向法[11]。

對于比幅測向法,影響系統(tǒng)測向精度的因素包括系統(tǒng)噪聲誤差、通道幅度特性的不一致、波束軸角的指向偏差、量化誤差等,要提高系統(tǒng)的測向精度必須對系統(tǒng)進行精心設(shè)計,同時采取誤差修正手段和采用好的測向算法,以降低各種誤差因素對角度測量的影響。對于相關(guān)干涉儀測向法,由于采用相關(guān)處理技術(shù),弱化了傳統(tǒng)干涉儀中天線單元之間、載體與天線單元之間等的不利影響。這些影響雖然還存在,還影響著波陣面畸變和相位分布的失真,但只要這些影響是穩(wěn)定的,由于這些失真已經(jīng)存入樣本之中,通過相關(guān)處理,就在實際效果上弱化了其對測向精度的影響。對于時差測向法,在進行測向時,精確的時間差測量是影響測向精度的關(guān)鍵。測向基線越短,在相同測向精度條件下,對時間差測量的精度要求越高。時間差測量的方法主要有兩種[11]:時域測量方法和頻域測量方法。采用時域方法測量時差時,要獲得較高的時間測量精度,一是要采用自適應(yīng)門限,二是需要保證足夠的系統(tǒng)處理帶寬,另外還要有高的信噪比。采用頻域方法測量時差時,信號帶寬越寬,信噪比越高,時差測量的精度就越高。該方法對弱信號的檢測處理能力高于時域時間差測量方法。

3.3.2 通信信號的定位

采用3個時間差偵測系統(tǒng)布站即可實現(xiàn)對目標(biāo)的定位,即時差定位法。在平面情況下,一個TDOA確定一條雙曲線,兩個TDOA確定兩條雙曲線,這兩條雙曲線的交點即為輻射源的位置。由于測時精度的關(guān)系,現(xiàn)有的無源時差定位要達到1%的相對定位精度,一般都采用基線距離長達數(shù)十公里的長基線系統(tǒng)。近年來,人們開始關(guān)注短基線時差定位技術(shù)的研究。關(guān)于通信信號的定位,工程上還采用了交匯定位技術(shù),通過將機動平臺如船、飛機在不同位置測得的同一目標(biāo)的方位或分布在不同地理位置的測向站測得的同一目標(biāo)的方位值進行交匯,獲取目標(biāo)的位置坐標(biāo)。多站交匯定位需解決的關(guān)鍵問題之一是輻射源信號的匹配問題,通常根據(jù)信號的截獲時間、工作頻率和調(diào)制方式等,對于Link11這種特殊的信號,可根據(jù)其PU碼來識別匹配。為了在復(fù)雜電磁環(huán)境下更好地完成信號的匹配,需要研究新的輻射源匹配技術(shù),如根據(jù)信號的細微特征來完成信號的匹配。

另外,單站定位技術(shù)近年來也得到了發(fā)展和應(yīng)用。

4 結(jié)束語

通信信號偵察系統(tǒng)的設(shè)計是一個綜合性的問題,需要從系統(tǒng)的應(yīng)用平臺、應(yīng)用環(huán)境、作戰(zhàn)性能要求等諸多方面進行綜合考慮。本文對通信信號偵察系統(tǒng)組成、設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)的論述,對通信偵察實際工程系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。另外,隨著通信技術(shù)的發(fā)展,通信偵察系統(tǒng)還需突破和解決通信網(wǎng)臺的分選與識別、時頻混疊信號的分離、同頻多信號測向和通信信號的“指紋”特征分析、輻射源目標(biāo)識別等諸多關(guān)鍵技術(shù)。

[1]汪玉平.一種大動態(tài)范圍射頻接收機的設(shè)計[J].電訊技術(shù),2010,50(7):115-118.WANG Yu-ping.Design of a RF Receiver with Wide Dynamic Range[J].Telecommunication Engineering,2010,50(7):115-118.(in Chinese)

[2]葉關(guān)山.PXI總線平臺的比較研究科學(xué)技術(shù)與工程[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2008,8(16):4508-4512.YE Guan-shan.Comparative Study onPXI Platform[J].Science Technology and Engineering,2008,8(16):4508-4512.(in Chinese)

[3]王永明,張爾揚,程巧金.一種有效的寬帶數(shù)字偵察接收機信號檢測方法[J].信號處理,2010,26(2):208-212.WANG Yong-ming,ZHANG Er-yang,CHENG Qiao-jin.An Efficient Method of Signal Detection for Wide band Digital Reconnaissance Receiver[J].Signal Processing,2010,26(2):208-212.(in Chinese)

[4]李明.頻譜監(jiān)測中的寬帶瞬態(tài)信號截獲技術(shù)[J].中國無線電,2009(5):40-43.LI Ming.Wide band Instantaneous Signal Capture Technology in Spectrum Monitoring[J].China Radio,2009(5):40-43.(in Chinese)

[5]陳懷新,南建設(shè),肖先賜.基于統(tǒng)計特征主分量的信號調(diào)制識別[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,33(3):231-238.CHEN Huai-xin,NAN Jian-she,XIAO Xian-ci.Modulation Recognition of Signal Based on Statistical Principal Component Feature Parameters[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China(Natural Science Edition),2004,33(3):231-238.(in Chinese)

[6]包錫銳,吳瑛,周欣.基于高階累積量的數(shù)字調(diào)制信號識別算法[J].信息工程大學(xué)學(xué)報,2007,8(4):463-467.BAO Xi-rui,WU Ying,ZHOU Xin.Algorithm of Digital Modulation Recognition Based on Higher-Order Cumulants[J].Journal of Information Engineering University,2007,8(4):463-467.(in Chinese)

[7]包錫銳,吳瑛.基于譜特征的模擬與數(shù)字調(diào)制方式識別方法[J].計算機工程與設(shè)計,2008,29(14):3569-3571.BAO Xi-rui,WU Ying.Automatic classification for analogue and digital modulation based on spectrum feature[J].Computer Engineering and Design,2008,29(14):3569-3571.(in Chinese)

[8]徐哲,胡世安,吳欽,等.一種基于差分星座圖的調(diào)制體制識別算法[J].計算機仿真,2009,26(11):182-185.XU Zhe,HU Shi-an,WU Qin,et al.A Modulation Classification Algorithm Based on Differential Constellation Shape[J].Computer Simulation,2009,26(11):182-185.(in Chinese)

[9]朱慶厚.無線電監(jiān)測與通信偵察[M].北京:人民郵電出版社,2005.ZHU Qing-hou.Radio Monitoring and Communication Reconnaissance[M].Beijing:People′s Posts and Telecommunications Press,2005.(in Chinese)

[10]顧敏劍.多波束比幅測向系統(tǒng)精度分析[J].艦船電子對抗,2007,30(3):70-73.GU Min-jian.Accuracy Analysis on Multi-beam Amplitude-comparison Direction Finding System[J].Shipboard Electronic Countermeasure,2007,30(3):70-73.(in Chinese)

[11]王俊凌,夏雄.時差測量方法對比分析[J].電子信息對抗技術(shù),2008,23(6):24-27.WANG Jun-ling,XIA Xiong.Contrast and Analysis of DTOA Measurement Methodology[J].Electronic Information Warfare Technology,2008,23(6):24-27.(in Chinese)