彭 勃，任祥維

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

近幾年來各國軍備發(fā)展及數(shù)場局部戰(zhàn)爭表明，網(wǎng)電空間已成為當(dāng)下和未來戰(zhàn)爭的重要戰(zhàn)場，針對網(wǎng)電空間的爭奪攻防可以直接決定整場戰(zhàn)爭的走向和成敗。而擁有在復(fù)雜的戰(zhàn)時(shí)環(huán)境中及時(shí)感知戰(zhàn)場勢態(tài)，獲悉敵情分布，鎖定重要鏈路，并迅速由偵察轉(zhuǎn)為對抗，對敵形成直接戰(zhàn)斗損傷的能力，是網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)取勝的關(guān)鍵。這其中，尤以精準(zhǔn)快速的信號(hào)偵察和網(wǎng)絡(luò)分析能力為重。目前，偵察接收系統(tǒng)主要采用兩種框架，一種是多通道寬帶接收體制，一種是窄帶快速掃描接收體制[1]。多通道寬帶接收系統(tǒng)截獲概率高，但由于接收帶寬的擴(kuò)展導(dǎo)致偵察接收靈敏度降低，且對中頻數(shù)字化處理速度要求較高；快速掃描接收系統(tǒng)接收靈敏度高，設(shè)備趨于小型化，且對中頻數(shù)字化處理速度要求相對較低，但截獲概率低并且實(shí)時(shí)性差[2]。相比較這兩種類型的偵察體制，傳統(tǒng)的偵察系統(tǒng)只能針對單一的鏈路實(shí)施偵察，無法完成網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)全網(wǎng)偵察的需求。基于上述條件，戰(zhàn)場無線網(wǎng)絡(luò)偵察系統(tǒng)需要基于多通道寬帶接收體制設(shè)計(jì)，依托合理的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)對整個(gè)目標(biāo)頻段的快速精準(zhǔn)濾選，多頻點(diǎn)同時(shí)分析，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)偵察，快速引導(dǎo)等功能。

1 傳統(tǒng)的偵察接收系統(tǒng)

傳統(tǒng)的偵察接收系統(tǒng)原理[3]如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)偵察接收系統(tǒng)

該系統(tǒng)的處理流程是，首先針對接收信號(hào)進(jìn)行快速預(yù)篩選，通過預(yù)選結(jié)果進(jìn)行頻率集組合，通過一次或多次變頻，將接收信號(hào)下變頻至所設(shè)中頻，一路直接到中頻處理部分，另一路通過窄帶中頻濾波器送至信號(hào)強(qiáng)度檢測電路。MCU控制進(jìn)行掃描時(shí)，將接收到的信號(hào)混頻至窄帶濾波器的帶寬內(nèi)；由信號(hào)強(qiáng)度檢測電路向 MCU返回強(qiáng)度值，同時(shí)記錄下頻綜此時(shí)所掃描的頻點(diǎn)，另一路則完成對應(yīng)頻點(diǎn)中頻信號(hào)解析。

傳統(tǒng)偵察接收系統(tǒng)的分辨率主要取決于窄帶濾波器的帶寬，可以達(dá)到kHz量級，具有較高的偵察靈敏度，有利于對微弱信號(hào)的快速檢測[4]。但由于傳統(tǒng)偵察接收系統(tǒng)全頻段截獲概率低，對多信號(hào)偵察和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路分析能力較差，因而在日趨復(fù)雜的戰(zhàn)時(shí)信道環(huán)境和組網(wǎng)機(jī)制下，偵察能力明顯不足[5]。

為此，結(jié)合該系統(tǒng)的快掃機(jī)制，提出一種“組合快掃”機(jī)制，即在滿足接收機(jī)前端體積功耗和中頻處理板資源限制前提下，利用中頻開關(guān)矩陣思想，協(xié)調(diào)多個(gè)通道進(jìn)行快速掃描和中頻信號(hào)協(xié)同處理，在保證高靈敏度和快速截獲的同時(shí)，極大提高了信號(hào)偵察截獲率以及對戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)鏈路的全局態(tài)勢感知。

2 基于超外差接收的多通道網(wǎng)絡(luò)偵察系統(tǒng)

多通道網(wǎng)絡(luò)偵察接收系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 多通道網(wǎng)絡(luò)偵察接收系統(tǒng)

結(jié)合軟件無線電（SDR）技術(shù)和寬開接收機(jī)及快速掃描機(jī)制[6]，射頻前端將目標(biāo)頻段內(nèi)某一段或幾段信號(hào)耦合接收后統(tǒng)一下變頻至某中心頻率，經(jīng)中頻開關(guān)矩陣分選和功分控制后，分別進(jìn)入針對不同目標(biāo)不同功能的信號(hào)處理板。信號(hào)處理板采用了多通道中頻并行采樣和FPGA加DSP的架構(gòu)處理。其中FPGA為中頻信號(hào)處理的核心部分，中頻處理板FPGA實(shí)現(xiàn)的功能如圖3所示。

圖3 中頻處理FPGA功能框

信息流經(jīng)AD采樣進(jìn)入FFT處理時(shí)，需對目標(biāo)信號(hào)時(shí)頻特性做充分分析量化，針對不同目標(biāo)，取各自不同的時(shí)頻限定條件，在保證信號(hào)截獲概率的同時(shí)，盡可能降低信號(hào)虛警，以降低后續(xù)信號(hào)處理時(shí)延。經(jīng)FFT處理后的頻點(diǎn)結(jié)果分類存儲(chǔ)后經(jīng)邏輯選通控制將參數(shù)發(fā)送給DSP。下變頻模塊在 DSP的控制下完成多通道的數(shù)字頻率合成（DDS）的本源配置，之后DDS生成同相和正交本源下變頻為I、Q兩路中頻信號(hào)，經(jīng)信號(hào)解調(diào)，譯碼等處理，得到基帶信息后，發(fā)送至DSP進(jìn)行詳細(xì)信號(hào)解析，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)偵察功能。

信號(hào)分析處理機(jī)可根據(jù)全網(wǎng)偵察時(shí)的需要隨時(shí)控制中頻開關(guān)矩陣進(jìn)行信道切換。前端射頻下變頻之后的中頻信號(hào)經(jīng)過開關(guān)矩陣可靈活使用中頻信號(hào)處理資源。中頻模擬信號(hào)可由信號(hào)處理機(jī)里的單塊處理板處理也可調(diào)度多塊處理板協(xié)同對關(guān)注的頻率段集中資源處理信號(hào)。

3 中頻信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 FFT多通道寬掃快速分析機(jī)制

在滿足前端接收機(jī)體積和中頻處理芯片資源限制的前提下，該架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)頻段高截獲率的快速全景掃描。目前最為成熟的是基于中頻70 MHz下的多通道信號(hào)處理。在寬開模式下，如每通道中頻帶寬為 20 MHz，該架構(gòu)可同時(shí)針對10通道中頻信號(hào)進(jìn)行處理，一次寬掃帶寬可達(dá)200 MHz。目前戰(zhàn)場無線網(wǎng)絡(luò)中常用頻段 VHF（30～88 MHz）、（108～140 MHz）以及 UHF 頻段（225～400 MHz），每個(gè)頻段的帶寬都小于200 MHz，該模式下可準(zhǔn)確給出全景頻譜圖，及時(shí)反應(yīng)戰(zhàn)場信道環(huán)境。已實(shí)現(xiàn)的某接收機(jī)瀑布圖、中頻全景頻譜和射頻全景頻譜如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 瀑布圖

圖5 中頻全景圖

圖6 全景頻譜圖

在精分析模式下，該系統(tǒng)可同時(shí)處理多種不同目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對敵網(wǎng)絡(luò)的多節(jié)點(diǎn)多方位協(xié)同偵察，精確分析并掌握敵網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢。

對不同目標(biāo)，在處理時(shí)間內(nèi)的駐留期，駐留特性，頻譜形狀等方面各有特點(diǎn)。針對定頻信號(hào)[7]，例如模擬調(diào)制類信號(hào)（FM、AM、PM），當(dāng)信號(hào)存在時(shí)，表現(xiàn)為能量固定駐留在某單頻點(diǎn)，且駐留時(shí)間滿足特定上限和下限值，為周期性的突發(fā)信號(hào)，例如數(shù)字調(diào)制類（FSK、MSK）其信號(hào)表現(xiàn)為能量持續(xù)駐留在固定間隔的兩頻點(diǎn)，兩頻點(diǎn)駐留時(shí)間和滿足特定上限和下限值，為周期性的突發(fā)信號(hào)；針對擴(kuò)頻信號(hào)，信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)能量集中在某頻段內(nèi)，并根據(jù)擴(kuò)頻碼速率的不同頻譜帶寬出現(xiàn)一定的特點(diǎn)，可在一定的頻帶范圍內(nèi)采用迭代相關(guān)逼近的方法獲得擴(kuò)頻信號(hào)的相關(guān)參數(shù)[8]。各類判決門限值可根據(jù)戰(zhàn)場無線環(huán)境實(shí)時(shí)選取，也可預(yù)先設(shè)定。選取原則為：在滿足無漏截獲前提下，盡可能排除各類強(qiáng)干擾信號(hào)；如進(jìn)行多目標(biāo)協(xié)同偵察，可根據(jù)目標(biāo)信號(hào)間的互斥差異性將頻點(diǎn)疑似性鎖定至最小范圍或合理設(shè)置優(yōu)先級，避免對同一頻點(diǎn)反復(fù)解析處理；在進(jìn)行定頻目標(biāo)偵察時(shí)排除各類跳頻干擾信號(hào)，在進(jìn)行跳頻目標(biāo)偵察時(shí)排除各類定頻目標(biāo)干擾信號(hào)可進(jìn)一步增大信號(hào)偵察的截獲概率。

此外，可結(jié)合紅、黑名單機(jī)制，在信號(hào)處理級對某些已知我方使用頻率點(diǎn)做屏蔽處理，對某些敵方經(jīng)常使用的頻點(diǎn)重點(diǎn)關(guān)注，避免信號(hào)處理級冗余操作。

3.2 偵察結(jié)果邏輯選通控制

偵察后得到的掃頻結(jié)果，依不同目標(biāo)分類統(tǒng)計(jì)后，可通過邏輯選通開關(guān)將結(jié)果及時(shí)告知后續(xù)處理模塊。多目標(biāo)模式下，由FPGA將結(jié)果分類上傳至DSP，由DSP統(tǒng)籌后下發(fā)配置，進(jìn)行后續(xù)處理；單目標(biāo)模式下，可考慮避免交互過程，由FPGA內(nèi)部直接進(jìn)行頻點(diǎn)自動(dòng)輪詢控制，控制過程如圖7所示。

單次FFT完成后需對譜線作有效標(biāo)記，并實(shí)時(shí)更新；根據(jù)有效標(biāo)志，取數(shù)個(gè)疑似頻點(diǎn)進(jìn)入解析處理，并作實(shí)時(shí)處理標(biāo)識(shí)，同時(shí)作處理通道忙時(shí)標(biāo)識(shí)；經(jīng)下變頻，解調(diào)，解析等后續(xù)處理后，如判定某一頻點(diǎn)為虛警，則釋放通道，選取下一未處理頻點(diǎn)；如判定某一頻點(diǎn)為目標(biāo)信號(hào)，則通道鎖定為忙時(shí)狀態(tài)，同時(shí)鎖定頻點(diǎn)，直至FFT標(biāo)識(shí)頻點(diǎn)無效，方釋放通道，接收下一頻點(diǎn)，如此輪詢操作，直到任務(wù)中止。

圖7 頻點(diǎn)自動(dòng)輪詢控制

3.3 信號(hào)解析處理

疑似頻點(diǎn)發(fā)送到解析模塊后，激勵(lì)生成對應(yīng)同相正交本源，混頻后得到中頻 I、Q數(shù)據(jù)，經(jīng)CIC、FIR兩級抽取濾波得到降速后的數(shù)據(jù)流，然后針對不同目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行各自解調(diào)處理。此處擬遵循“慢存快取”原則：數(shù)據(jù)以原系統(tǒng)時(shí)鐘近1/1000的速率更新，因而可以適當(dāng)選取深度相同的兩組緩存池，數(shù)據(jù)低速進(jìn)入其中一緩存，寫滿后切換寫另一緩存，同時(shí)解析進(jìn)程高速處理已寫滿的緩存池中數(shù)據(jù)，注意需保證單緩存數(shù)據(jù)吞吐持續(xù)時(shí)間大于解析處理時(shí)間，最后完成對信號(hào)的識(shí)別及解碼處理。

在進(jìn)行信號(hào)解析處理中，F(xiàn)PGA內(nèi)部的信息解析過程不建議有過多主控邏輯[9]。一則主控邏輯較復(fù)雜，狀態(tài)較多，在FPGA高速時(shí)鐘下難以控制而在 DSP芯片內(nèi)部比較容易實(shí)現(xiàn)，可發(fā)揮DSP芯片的長處；二則，功能固化的FPGA模塊結(jié)合不斷更新的CPU主控及調(diào)度，無論系統(tǒng)通用性還是后期功能擴(kuò)展升級都有極大優(yōu)勢。在DSP內(nèi)部可重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多種類型目標(biāo)信號(hào)的識(shí)別、解調(diào)、解交織、解碼等復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理算法。

3.4 數(shù)據(jù)融合處理

目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)解析處理后可得到解調(diào)之后的比特流。通過前期對關(guān)注目標(biāo)的資料分析或者情報(bào)收集，可分析出目標(biāo)信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)專屬特征。通過傳統(tǒng)的信號(hào)無源測向算法可得出關(guān)注目標(biāo)信號(hào)的方向信息，再經(jīng)過系統(tǒng)的統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)，對測向信息可標(biāo)注時(shí)間標(biāo)簽。測向信息結(jié)合實(shí)時(shí)信號(hào)解析處理后的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)專屬特征，可偵察出目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺B(tài)勢如圖8所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺B(tài)勢

通過網(wǎng)絡(luò)偵察可分析出目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的鏈路數(shù)量，每條鏈路的成員數(shù)量以及分布的方向。如果采用多點(diǎn)偵察可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的成員定位。由于目前戰(zhàn)場無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，并且收發(fā)信息切換快，采用單純的傳統(tǒng)偵察和測向方法由于沒有對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行分析提取，無法完成對戰(zhàn)場無線網(wǎng)絡(luò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)精確測向和定位，更不能得到網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋺B(tài)勢。

通過數(shù)據(jù)融合的網(wǎng)絡(luò)偵察信息可為掌握戰(zhàn)場無線網(wǎng)絡(luò)以及適時(shí)調(diào)整作戰(zhàn)指揮提供有利的情報(bào)數(shù)據(jù)。實(shí)施網(wǎng)電對抗時(shí)，對于有中心的網(wǎng)絡(luò)可采用對主節(jié)點(diǎn)方向重點(diǎn)控守或者壓制干擾；對于無中心網(wǎng)絡(luò)可對流量最大節(jié)點(diǎn)方向?qū)嵤┲攸c(diǎn)控守或者壓制干擾。

4 結(jié)語

在無線通信持續(xù)高速發(fā)展的推動(dòng)下，網(wǎng)電對抗正以越來越多的方式、場景、作用參與到各國軍備發(fā)展和實(shí)戰(zhàn)當(dāng)中。針對愈發(fā)擁擠的無線信道空間和多樣的作戰(zhàn)方式，文中介紹了一種基于超外差架構(gòu)多通道快速偵察接收系統(tǒng)供參考。經(jīng)試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證：文中介紹的偵察接收系統(tǒng)經(jīng)過合理的系統(tǒng)時(shí)鐘和頻譜規(guī)劃后，可達(dá)到全網(wǎng)多鏈路全概率截獲，擁有實(shí)時(shí)的信號(hào)預(yù)解析功能，且從信號(hào)截獲到解析，最終生成偵察引導(dǎo)信息所需時(shí)間極短。該系統(tǒng)架構(gòu)在資源滿足的情況下，有很好的可實(shí)現(xiàn)性，可用作車載、艦載或機(jī)載平臺(tái)，在現(xiàn)階段網(wǎng)電空間對抗高速發(fā)展的情況下有較好的實(shí)用性。

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