杜亮

(中航工業(yè)空空導(dǎo)彈研究院計(jì)量測(cè)試中心，河南洛陽471009)

0 引言

跳頻通信是接收和發(fā)送雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照某種預(yù)先確定的規(guī)律同時(shí)跳變的通信方式，這種預(yù)定的規(guī)律就是跳頻圖案。就是接收和發(fā)送雙方按預(yù)定跳頻圖案，同時(shí)同步改變頻率，使雙方保持通信的一種技術(shù)手段。它利用偽隨機(jī)碼序列使發(fā)射信號(hào)的頻率隨偽隨機(jī)碼的變化而跳變?？垢蓴_性強(qiáng)是其最突出的優(yōu)點(diǎn)，因此，被大量應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。

本文主要對(duì)跳頻發(fā)射/接收機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量方法及所用的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行介紹。本文將跳頻發(fā)射機(jī)在不同環(huán)境下的各個(gè)參數(shù)的模擬和采集分析，用實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀完成各個(gè)參數(shù)的測(cè)量，而發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是可逆的，因此只須熟悉對(duì)發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量即可。

1 跳頻發(fā)射機(jī)的工作原理

跳頻發(fā)射機(jī)主要四部分組成:跳頻頻率源，波形成形，I/Q調(diào)制，功率放大，如圖1所示。

圖1 跳頻發(fā)射機(jī)原理圖

波形成形主要完成數(shù)據(jù)差分編碼、數(shù)字調(diào)制、內(nèi)插濾波，比如這里的調(diào)制方式使用GMSK，那么這里就要完成GMSK調(diào)制。調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生時(shí)的位數(shù)、窗口的長短、D/A位數(shù)等直接影響到調(diào)制質(zhì)量。需要對(duì)I/Q信號(hào)進(jìn)行EVM測(cè)試，在A點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試分析。

I/Q調(diào)制器主要完成基帶到射頻的搬移，I/Q調(diào)制器的相位誤差和幅度誤差直接調(diào)制信號(hào)的EVM，因此需要對(duì)調(diào)制后的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行分析，在C點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

跳頻頻率源主要完成跳頻載頻的產(chǎn)生，需要測(cè)量分析跳頻頻率源的切換、駐留時(shí)間、相噪、雜散是否滿足設(shè)計(jì)要求，在B點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

功率放大器的非線性也將使調(diào)制質(zhì)量變差，需要在D點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。D點(diǎn)作為整個(gè)發(fā)射機(jī)的輸出點(diǎn)，可以在此處進(jìn)行整機(jī)性能測(cè)試，包括跳頻頻率、跳頻圖案、信號(hào)質(zhì)量、雜散、輸出功率、鄰道功率比等參數(shù)測(cè)試。

跳頻圖案也可以在D點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和分析。研制跳頻電臺(tái)的目的，就是使自己電臺(tái)的頻率跳變規(guī)律，達(dá)到隨機(jī)地改變甚至無規(guī)律可循，這樣才能不被敵方所識(shí)破。但若真的無規(guī)律可循，自己的通信雙方也將失去聯(lián)系。因此，偽隨機(jī)改變的跳頻圖案常被采用。當(dāng)對(duì)不知跳頻圖案時(shí)，很難猜出其跳頻的規(guī)律來。所以，研制跳頻電臺(tái)的工程師需要經(jīng)常測(cè)試跳頻圖案，來驗(yàn)證自己的電臺(tái)的設(shè)計(jì)是否滿足要求。

在跳頻情況下，由于頻率跳變，需要測(cè)量頻率跳變到穩(wěn)定的時(shí)間、每一跳的調(diào)制質(zhì)量、頻率是否按照設(shè)計(jì)的圖案進(jìn)行跳變等指標(biāo)。由于頻率的快速跳變，有時(shí)達(dá)到幾百到幾千跳/秒，常規(guī)的儀器無法進(jìn)行分析，需要測(cè)試設(shè)備能夠具有頻率觸發(fā)、具有長時(shí)間存儲(chǔ)信號(hào)、能夠改變分析長度等功能。

面對(duì)腦卒中這個(gè)人類共同的敵人，華山醫(yī)院作為領(lǐng)頭羊，將繼續(xù)堅(jiān)持“全程化、精細(xì)化、高效化、績效化和讓社會(huì)公眾放心滿意”的目標(biāo)，不斷深化與完善上海市腦卒中預(yù)防與救治服務(wù)體系建設(shè)，為保障市民健康貢獻(xiàn)自己的力量。

2 跳頻發(fā)射機(jī)的參數(shù)測(cè)試

2.1 基帶信號(hào)的波形成形質(zhì)量的測(cè)試

從圖1上的A點(diǎn)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，可以幫助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)跳頻電臺(tái)中由于數(shù)字電路涉及的許多問題，對(duì)跳頻電臺(tái)所帶來的影響，像FPGA中存在的設(shè)計(jì)問題。

實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀具有14 bit的模數(shù)變換能力，保證了對(duì)EVM測(cè)量的精度。由于實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀具有單獨(dú)的I和Q輸入端，可以直接將基帶的差分I和Q信號(hào)輸入到實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀中進(jìn)行EVM分析。實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀具有四路平衡輸入，可以直接連接進(jìn)行測(cè)試。由于具有可變分析長度，因此可以直接對(duì)跳頻實(shí)際輸出的I/Q信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)不同的跳頻點(diǎn)進(jìn)行分析，可以通過減小分析長度和改變分析位置來實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)得到換頻處數(shù)據(jù)的EVM值。

從圖2我們看到實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀既可以觀測(cè)頻譜，同時(shí)又可以進(jìn)行時(shí)間相關(guān)的多域觀測(cè)，左上圖為時(shí)間域，右下圖為星座圖。傳統(tǒng)的頻譜儀僅一個(gè)窗口，即只能進(jìn)行頻域觀測(cè)，而對(duì)于時(shí)域、解調(diào)域等參數(shù)是無法直接測(cè)量的。

圖2 實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀RSA5106A測(cè)試的EVM、通道功率、占用帶寬

2.2 基帶信號(hào)的功率指標(biāo)的測(cè)試

如圖2所示，通過實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀的單鍵測(cè)量功能，可以在A點(diǎn)對(duì)如信噪比、通道功率、鄰道功率比、占用帶寬等其他的常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。

2.3 換頻時(shí)間的測(cè)試

在圖1所示的B點(diǎn)可以對(duì)換頻時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，如圖3所示，對(duì)跳頻系統(tǒng)來說，換頻時(shí)間越短越好。換頻時(shí)間通常被用來驗(yàn)證頻率合成器的性能。對(duì)于換頻時(shí)間的測(cè)量，使用示波器是過去進(jìn)行換頻時(shí)間的測(cè)量?，F(xiàn)在的實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀可以在觀測(cè)頻譜的同時(shí)測(cè)量出換頻時(shí)間，而且可以對(duì)換頻時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試?？朔^去手動(dòng)測(cè)量的人為誤差。實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀在目前已成為測(cè)試換頻時(shí)間的專業(yè)測(cè)試儀器，這使得實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀在在這個(gè)項(xiàng)目上大大優(yōu)于示波器或調(diào)制域分析儀的測(cè)試能力。

圖3 實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀測(cè)試頻率穩(wěn)定時(shí)間圖

實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀RSA5106A對(duì)換頻時(shí)間進(jìn)行的自動(dòng)測(cè)量如圖4所示，自動(dòng)測(cè)量的時(shí)間為269 μs。

圖4 換頻時(shí)間的自動(dòng)測(cè)量，并進(jìn)行時(shí)間相關(guān)的多域觀測(cè)

2.4 頻率合成器的相位噪聲的測(cè)試

傳統(tǒng)測(cè)量相位噪聲的儀器是頻譜儀和噪聲儀，這些儀器對(duì)穩(wěn)定頻率的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量還可以，但對(duì)于跳變的信號(hào)的確無能為力，這是以往測(cè)試的難點(diǎn)，實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀不但可以對(duì)跳變的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，而且具有自動(dòng)測(cè)量相位噪聲的功能。在圖1所示的B點(diǎn)主要是對(duì)頻率合成器的相位噪聲進(jìn)行測(cè)試。

2.5 跳頻信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量的測(cè)試

現(xiàn)在的跳頻電臺(tái)多數(shù)采用數(shù)字調(diào)制方式進(jìn)行信息內(nèi)容的傳輸，信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量決定通信性能的優(yōu)劣。所以現(xiàn)代通信設(shè)備的一項(xiàng)主要評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)就是它的矢量調(diào)制質(zhì)量。

跳頻狀態(tài)下，頻率的切換會(huì)帶來相噪的變化，最后帶來誤差矢量幅度的惡化，如果惡化嚴(yán)重，將導(dǎo)致整機(jī)誤碼率變高，滿足不了系統(tǒng)要求，所以需要測(cè)試跳頻狀態(tài)下的誤差矢量幅度值，實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀正好可以滿足測(cè)試需求。

由于頻率合成器的相噪和I/Q調(diào)制器的相位幅度誤差會(huì)使信號(hào)質(zhì)量惡化，對(duì)誤差矢量幅度的測(cè)量，需要在C點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量和調(diào)制質(zhì)量的測(cè)試。我們也可以從圖1的D點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，直接測(cè)量射頻信號(hào)，同時(shí)設(shè)計(jì)人員也需要從A點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，A點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的I/Q基帶部分，很多時(shí)候調(diào)制質(zhì)量的問題直接來自基帶，如果只對(duì)D點(diǎn)測(cè)量可以評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量，但是設(shè)計(jì)人員無法知道系統(tǒng)是否在基帶的時(shí)候就已經(jīng)存在問題了，這對(duì)分離問題非常重要［1］。

因?yàn)槭噶啃盘?hào)分析儀不具備對(duì)跳頻信號(hào)解調(diào)分析的功能，也不具備載波跟蹤的功能，所以即使跳頻信號(hào)跳在矢量信號(hào)分析儀的帶寬內(nèi)，也無法對(duì)其進(jìn)行解調(diào)分析。如果非用矢量信號(hào)分析儀來測(cè)量跳頻信號(hào)，當(dāng)采集到換頻的地方或者偏離載頻的地方的星座圖將是亂的。

實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀由于其實(shí)時(shí)特性，可以很簡單地對(duì)跳頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析，圖5是對(duì)一個(gè)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)跳頻信號(hào)進(jìn)行的解調(diào)。

圖5 多域顯示

實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀能直接對(duì)調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行分析，其測(cè)試結(jié)果能真實(shí)反映實(shí)際現(xiàn)象。而且可以一次把信號(hào)捕獲下來，隨后進(jìn)行多次分析，對(duì)有問題的信號(hào)進(jìn)行細(xì)致復(fù)雜的后續(xù)分析，不必?fù)?dān)心難以分析和難以復(fù)現(xiàn)故障。圖6是用實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀測(cè)試的跳頻信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量。

圖6 是用實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀測(cè)試的跳頻信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量

2.6 跳頻信號(hào)的功率的測(cè)試

實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀具有對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)采集捕獲下來，回頭再回放，可以對(duì)采集的信號(hào)逐點(diǎn)進(jìn)行射頻性能的測(cè)量，因此能滿足對(duì)每一個(gè)跳頻點(diǎn)功率測(cè)量的需求。并且在跳頻時(shí)，通信距離的遠(yuǎn)近與接收的功率大小有相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可以在圖1中所示的D點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。如圖7所示。

圖7 RSA6114A測(cè)試信道功率

2.7 跳頻圖案的測(cè)試

常規(guī)方法無法對(duì)跳頻圖案進(jìn)行直接測(cè)試，實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀可以通過頻率觸發(fā)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲并存儲(chǔ)分析，所以能準(zhǔn)確捕獲特定跳頻起始前、后的圖案。由于頻率模板觸發(fā)功能的使用，可以使得設(shè)計(jì)人員直接設(shè)定跳頻的起始點(diǎn)來捕獲跳頻信號(hào)，觀測(cè)跳頻圖案，這樣就可以找到特定頻率位置的跳頻圖案，這是實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀實(shí)時(shí)捕獲的優(yōu)勢(shì)所在［2］。如圖8所示。

圖8 通過觸發(fā)捕獲的跳頻通信過程和跳頻圖案

2.8 跳頻速率的測(cè)試

如圖9，可以用三維頻譜圖或借助實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀中調(diào)制域窗口，利用光標(biāo)對(duì)跳頻的速率進(jìn)行測(cè)量。

圖9 用調(diào)制域測(cè)量的跳頻信號(hào)

2.9 跳頻頻率集的測(cè)試

借助實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀中三維頻譜圖來直接觀測(cè)跳頻頻率集和跳頻頻率數(shù)，簡單快捷?；蚪柚鷪D10的調(diào)制域來看跳頻的頻率數(shù)。

2.10 跳頻帶寬的測(cè)試

新型實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀的瞬時(shí)帶寬可以達(dá)到110MHz，可以看到所有跳變的點(diǎn)，借助數(shù)字熒光顯示技術(shù)可以在很短的幾秒內(nèi)得到測(cè)試結(jié)果，并長時(shí)間的存儲(chǔ)下來，使用三維頻譜圖進(jìn)行分析、觀測(cè)，對(duì)于沒有足夠的分析帶寬的常規(guī)的掃頻頻譜儀，很難保證在一次掃描過程中看到所有的點(diǎn)，需要長時(shí)間的最大保持，有時(shí)候需要幾十分鐘的時(shí)間，設(shè)計(jì)人員只能分段進(jìn)行分析，既繁瑣又浪費(fèi)時(shí)間，即便這樣也有可能會(huì)帶來測(cè)量誤差。

圖10 利用調(diào)制域來觀測(cè)跳頻頻率數(shù)

3 結(jié)束語

在未來的雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈通信中，需要極好的抗干擾性，跳頻通信具有的較強(qiáng)的抗干擾能力，越來越受到人們的重視，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷在擴(kuò)大，特別是對(duì)跳頻信號(hào)各個(gè)參數(shù)的計(jì)量測(cè)試。在現(xiàn)代及未來戰(zhàn)爭(zhēng)中，如果通信裝備不采用跳頻抗干擾措施，就不會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)力。因此，我們要不斷重視跳頻技術(shù)在現(xiàn)代通信中至關(guān)重要的作用，加強(qiáng)對(duì)跳頻信號(hào)參數(shù)的測(cè)試方法的探索和研究，保障武器裝備中跳頻通信參數(shù)的量值準(zhǔn)確性。

［1］梅文華，王淑波，邱永紅，等.跳頻通信［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2005.

［2］申蘋.數(shù)字通信測(cè)量儀器［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［3］王粒賓，崔琛.跳頻信號(hào)參數(shù)盲估計(jì)技術(shù)綜述［J］.通信對(duì)抗，2012(1):50-56.

［4］劉春勝.戰(zhàn)術(shù)無線電臺(tái)［M］.北京:軍事科學(xué)出版社，2000.228-233.

［5］泰克.實(shí)時(shí)頻譜儀原理及應(yīng)用案例集匯編［EB/OL］.［2015-03-05］.http://cn.tek.com/document/principle-application-real-time-spectrum-instrument-case-set-assembly.

［6］都伊林，馬強(qiáng).藍(lán)牙射頻調(diào)變模式與測(cè)量［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(15):53-56.