魯東明

超短波寬帶信號(hào)偵察控守技術(shù)研究

魯東明

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

設(shè)計(jì)了一種超短波寬帶信號(hào)偵察控守接收技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)指定頻段范圍內(nèi)無線信號(hào)的實(shí)時(shí)偵察和控守解調(diào)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行自主檢測(cè)，識(shí)別出其中的有效信號(hào)，提取參數(shù)特征，估計(jì)出信號(hào)的頻率、帶寬、信噪比、信號(hào)電平、出現(xiàn)時(shí)間、符號(hào)速率和調(diào)制方式等。并可對(duì)指定信號(hào)進(jìn)行采集、控守和盲解調(diào)，自主完成盲信號(hào)的頻率和相位同步。

超短波信號(hào)；偵察；控守解調(diào)；調(diào)制方式識(shí)別

0 引言

超短波通信是最常用的通信方式之一，裝備規(guī)模大、數(shù)量多、應(yīng)用廣泛，在戰(zhàn)術(shù)通信中有著十分重要的地位，超短波偵察設(shè)備作為偵察網(wǎng)中的重要支撐部分，地位不可取代，掌握了超短波信號(hào)的偵察分析，就能介入絕大多數(shù)的通信體制，為獲得信息優(yōu)勢(shì)提供基礎(chǔ)的支撐[1]。

為了滿足不同地點(diǎn)、不同頻段和不同格式的超短波信號(hào)偵察、控守，需要部署超短波偵察站的地點(diǎn)。超短波偵察設(shè)備種類與日俱增，采用傳統(tǒng)的人工操作方式完成各偵察站運(yùn)行及維護(hù)的方式成本較高，因此偵察站從原來的以人工操作為主的模式會(huì)逐漸過渡到自動(dòng)化運(yùn)行的無人偵察站模式。

多個(gè)無人偵察站與一個(gè)運(yùn)管中心組成一個(gè)完整的偵察系統(tǒng)。無人偵察站的主要任務(wù)是依據(jù)運(yùn)管中心下發(fā)的任務(wù)計(jì)劃，自動(dòng)調(diào)整、配置相關(guān)參數(shù)完成超短波信號(hào)的偵察采集、信號(hào)控守和信號(hào)的解調(diào)，將偵察及解調(diào)結(jié)果傳送到運(yùn)管中心，運(yùn)管中心收到各無人偵察站數(shù)據(jù)后進(jìn)行融合處理，形成統(tǒng)一的偵察態(tài)勢(shì)，將消息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有價(jià)值的情報(bào)。

1 超短波寬帶偵察接收設(shè)備

超短波寬帶偵察接收設(shè)備由硬件和分析處理軟件構(gòu)成，主要包括寬帶中頻處理卡、多路解調(diào)處理卡、設(shè)備機(jī)箱、電源模塊和顯控終端，可完成顯示控制功能、信號(hào)偵察功能和控守監(jiān)測(cè)功能的任務(wù)。總體框圖如圖1所示。

圖1 超短波寬帶偵察接收設(shè)備總體框圖

本文涉及的研究?jī)?nèi)容主要分為超短波信號(hào)偵察和控守解調(diào)。

2 超短波信號(hào)偵察

首先，對(duì)全頻段/指定頻段頻譜掃描監(jiān)視，進(jìn)行時(shí)頻變換計(jì)算信號(hào)頻譜數(shù)據(jù)；然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速檢測(cè)及截獲[2]；最后估計(jì)信號(hào)的頻率、帶寬、信噪比及信號(hào)電平等參數(shù)，再根據(jù)特征參數(shù)進(jìn)行調(diào)制方式識(shí)別。掃描檢測(cè)識(shí)別流程分為連續(xù)信號(hào)偵察處理流程和跳頻信號(hào)偵察處理流程。

2.1 連續(xù)信號(hào)偵察處理流程

連續(xù)信號(hào)偵察處理流程如圖2所示。

圖2 連續(xù)信號(hào)偵察處理流程圖

圖2中虛線為數(shù)據(jù)下發(fā)流程，實(shí)線為數(shù)據(jù)上傳流程。其中時(shí)頻變換和數(shù)字下變頻（Digital Down Converter，DDC）駐留在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的邏輯處理部分，控制軟件和分析軟件駐留在FPGA的微處理器部分。

顯控終端下發(fā)掃頻指令，控制軟件解析后，控制接收通道的本振切換，進(jìn)行全頻段掃頻或指定頻段掃頻。數(shù)模轉(zhuǎn)換（Analog to Digital，ADC）將中頻的60 MHz帶寬信號(hào)進(jìn)行采集，采集到的信號(hào)經(jīng)DDC后進(jìn)行60 MHz的低通濾波（Low-Pass Filter，LPF）做時(shí)頻變換。時(shí)頻變換后的數(shù)據(jù)經(jīng)控制軟件回傳給顯控終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有用信號(hào)后，顯控軟件下發(fā)分析指令，控制軟件經(jīng)過解析后，下發(fā)DDC參數(shù)，配置DDC的本振、帶寬和采樣率，將DDC后的數(shù)據(jù)送給分析軟件，分析軟件分析出信號(hào)的載波頻率、碼速率、調(diào)制方式和信號(hào)電平等參數(shù)，并將參數(shù)上傳給顯控終端進(jìn)行顯示。

2.2 跳頻信號(hào)偵察處理流程

寬帶中頻跳頻信號(hào)處理流程如圖3所示。

圖3 跳頻信號(hào)偵察處理流程圖

跳頻信號(hào)處理流程與連續(xù)信號(hào)處理流程區(qū)別在于，時(shí)頻變換的快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）點(diǎn)數(shù)變?yōu)?096，采集濾波后信號(hào)不再經(jīng)過DDC，而是以同相/正交（In-phase/Quadrature，I/Q）數(shù)據(jù)形式直接送出，通過高速接口送給存儲(chǔ)模塊。

當(dāng)在連續(xù)模式下判斷出跳頻信號(hào)或需要鎖定某一頻段，通過數(shù)據(jù)積累發(fā)現(xiàn)跳頻信號(hào)[3]，則由顯控終端下發(fā)跳頻指令，將本振切換到某一頻段，對(duì)該頻段采集信號(hào)進(jìn)行4096點(diǎn)FFT，時(shí)頻數(shù)據(jù)上顯并進(jìn)行存儲(chǔ)分析。同時(shí)將I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，為進(jìn)一步分析跳頻信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)備[4]。

2.3 參數(shù)估計(jì)流程

完成信號(hào)時(shí)頻變換檢測(cè)后，根據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)頻譜檢測(cè)結(jié)果，選擇需要分析的信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。當(dāng)信號(hào)幅度超過預(yù)設(shè)門限時(shí)，DDC模塊會(huì)按照信號(hào)當(dāng)前頻點(diǎn)進(jìn)行下變頻濾波，并將多個(gè)需要參數(shù)估計(jì)的信號(hào)進(jìn)行頻域分離，最后將分離后的信號(hào)送給參數(shù)估計(jì)模塊進(jìn)行參數(shù)估計(jì)與識(shí)別[5]。

參數(shù)估計(jì)與識(shí)別模塊采用高階統(tǒng)計(jì)量提取信號(hào)參數(shù)特征，基于特征匹配的方式完成信號(hào)調(diào)制類型的分類與依次識(shí)別[6]。

3 超短波信號(hào)控守解調(diào)

顯控終端將需要解調(diào)的信號(hào)的頻點(diǎn)、帶寬、調(diào)制方式等信息進(jìn)行下發(fā)，控制軟件解析后控制接收通道進(jìn)行本振切換，并將DDC所需的本振、帶寬和采樣率等參數(shù)下發(fā)給8路DDC模塊進(jìn)行配置，同時(shí)將調(diào)制方式、符號(hào)速率、解調(diào)均值等解調(diào)參數(shù)下發(fā)給解調(diào)模塊。每個(gè)解調(diào)模塊都需要能夠同時(shí)處理多種調(diào)制方式的解調(diào)。解調(diào)后的結(jié)果或解調(diào)前的I/Q數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口上傳給顯控終端。多路超短波信號(hào)控守解調(diào)處理流程如圖4所示。

圖4 控守解調(diào)處理流程圖

3.1 DDC設(shè)計(jì)

1）DDC流程設(shè)計(jì)

DDC完成60 MHz帶寬內(nèi)中頻有用信號(hào)的下變頻、抽取和濾波。其步驟分為L(zhǎng)PF、抽取、LPF三個(gè)步驟。其中第一個(gè)LPF為高采樣率下的LPF，第二個(gè)LPF為抽取后低采樣率下的LPF[7]。DDC實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 DDC流程圖

由于瞬時(shí)帶寬60 MHz，采樣后的60 MHz帶寬信號(hào)首經(jīng)過復(fù)數(shù)下變頻，之后直接進(jìn)行級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器（Cascaded Integrator Comb，CIC）抽取。CIC抽取后將數(shù)據(jù)速率將為原先的倍。CIC抽取濾波器的抽取倍數(shù)可根據(jù)要求，由上位機(jī)下發(fā)。CIC抽取濾波可抽取倍數(shù)介于4～8192倍之間，為保證抽取后帶內(nèi)信號(hào)在3 dB以內(nèi)，抽取后采樣率不得低于符號(hào)速率的16倍。抽取后數(shù)據(jù)符號(hào)速率降為（120/）Msps，CIC抽取后經(jīng)過兩級(jí)半帶（Half-Band，HB）濾波，最后一級(jí)LPF完成有用信號(hào)的濾波提取，濾波器系數(shù)可根據(jù)帶寬要求，由上位機(jī)下發(fā)。整個(gè)有用信號(hào)提取過程中信號(hào)變化如圖6所示。

圖6 DDC頻譜變化示意圖

由于模擬ADC采樣變頻后，60 MHz帶寬范圍信號(hào)映射為-30～30 MHz。假設(shè)下變頻后有用信號(hào)中心頻率為0 MHz，帶寬2 MHz，在5 MHz處也有一個(gè)1 MHz帶寬的信號(hào)。為了提取出0 MHz的基帶信號(hào)，濾除5 MHz處信號(hào)，首先信號(hào)經(jīng)過CIC抽取進(jìn)行降速。為保證帶內(nèi)信號(hào)衰減在3 dB以內(nèi)，抽取后采樣率不得低于信號(hào)帶寬16倍?？蓪⑿盘?hào)進(jìn)行6倍抽取，抽取后符號(hào)速率降為20 Msps。抽取過程中，5 MHz處的信號(hào)得到一定抑制，但仍沒有完全濾除。此時(shí)為了完全濾除5 MHz信號(hào)，需要進(jìn)行LPF。而為了降低濾波器的階數(shù)，必須在此之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步降速，因此必須在低通濾波前進(jìn)行半帶濾波，以降低數(shù)據(jù)速率。

半帶濾波后，低通濾波器在10 Msps下設(shè)計(jì)。根據(jù)兩個(gè)信號(hào)的載波頻率和帶寬，將濾波器的通帶設(shè)為1 MHz，截止頻率設(shè)為4 MHz，將5 MHz處的信號(hào)完全濾除。

2）參數(shù)設(shè)置

ADC采樣率后由于CIC抽取濾波器的主瓣會(huì)隨著抽取倍數(shù)的提升迅速下降，為了保證通帶衰減在3 dB以內(nèi)，抽取的倍數(shù)必須滿足抽取后采樣率為信號(hào)帶寬的16倍以上[8]。本文抽取后采樣率為符號(hào)速率的20倍，之后經(jīng)過兩級(jí)半帶濾波，抽取為信號(hào)帶寬5倍，送到后級(jí)進(jìn)行解調(diào)或輸出。

3.2 解調(diào)設(shè)計(jì)

信號(hào)解調(diào)一般采用相干解調(diào)方式，接收端需要恢復(fù)一個(gè)與發(fā)射端調(diào)制信號(hào)同頻同相的相干載波，因此需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行載波同步和位同步。本文針對(duì)非合作解調(diào)場(chǎng)景，采用基于判決反饋環(huán)的數(shù)字鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)載波同步，通過數(shù)字鎖相位同步環(huán)實(shí)現(xiàn)位同步[9]。

1）載波同步設(shè)計(jì)

載波恢復(fù)用于校正載波頻差及相位抖動(dòng)，以恢復(fù)相干載波。本文采用判決反饋方法來恢復(fù)載波，判決反饋恢復(fù)載波方法利用了判決后的信息，性能優(yōu)于非判決反饋載波恢復(fù)，基于判決反饋環(huán)的數(shù)字鎖相技術(shù)原理如圖7所示。

圖7 基于判決反饋環(huán)的數(shù)字鎖相環(huán)

首先，將判決前的采樣點(diǎn)與判決后的采樣點(diǎn)進(jìn)行復(fù)相關(guān)運(yùn)算，提取相位誤差，再通過環(huán)路濾波器和數(shù)字控制振蕩器（Numerically Controlled Oscillator，NCO），將相位誤差補(bǔ)償?shù)奖镜剌d波中，以糾正頻偏和相偏。

2）位同步設(shè)計(jì)

位同步分兩種情況：當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為多比特?cái)?shù)據(jù)流時(shí)，需要同時(shí)滿足最佳判決時(shí)刻與位同步定時(shí)脈沖的功能；另一種情況是輸入數(shù)據(jù)為單比特?cái)?shù)據(jù)流時(shí)，只需要確定位定時(shí)脈沖的頻率即可。因此，需要通過合適的同步方法調(diào)整接收端的判決時(shí)鐘，達(dá)到最佳判決效果[10]。數(shù)字鎖相環(huán)位同步法，是通過鑒相器調(diào)整位同步信號(hào)的相位逼近接收信號(hào)相位，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)使本地信號(hào)與接收信號(hào)的相位一致，該方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在FPGA中實(shí)現(xiàn)容易且資源要求低。數(shù)字鎖相環(huán)主要由鑒相器、控制器、分頻器和時(shí)鐘變換電路組成，原理框圖如圖8所示。

圖8 數(shù)字鎖相環(huán)位同步圖

本文使用超前—滯后型數(shù)字鎖相環(huán)，其鑒相器在每一個(gè)周期內(nèi)將輸入信號(hào)與本地估算信號(hào)進(jìn)行相位比較，從而得到兩者的相位差[11]。然后，將輸出的相位誤差送到環(huán)路濾波器，產(chǎn)生加速或減速脈沖控制信號(hào)，用來改變數(shù)控振蕩器的高速時(shí)鐘周期和相位，使得本地估算信號(hào)的相位向輸入信號(hào)相位逼近。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)超短波寬帶信號(hào)的偵察及控守解調(diào)方法，能對(duì)全頻段/指定頻段頻譜掃描監(jiān)視，對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速檢測(cè)及截獲，同時(shí)估計(jì)信號(hào)的頻率、帶寬、信噪比及信號(hào)電平等參數(shù)，再根據(jù)特征參數(shù)完成調(diào)制方式識(shí)別；還可以對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行控守解調(diào)，設(shè)置采樣頻點(diǎn)、帶寬及速率完成數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)字DDC，再根據(jù)解調(diào)帶寬和調(diào)制方式進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)解調(diào)。隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁對(duì)抗的日益激烈，該技術(shù)應(yīng)用前景廣闊[12]。

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Research on Ultra-Short Wave Wideband Signal Reconnaissance and Control

LU Dongming

Wideband ultra-short waves signal detection, control and defense receiving technology is designed, which can realize real-time detection and demodulation of wireless signals in a specified frequency band. Carry on the independent detection to the signal, identify the effective signal among them, extract the parameter characteristic, the frequency, bandwidth, signal-to-noise ratio, signal level, occurrence time, symbol rate and modulation mode of the signal are estimated. And it can collect, control and demodulate the specified signal, and realize the frequency and phase synchronization of the blind signal independently.

Ultra-Short Wave Signal; Reconnoitre; Control and Mediation; Modulation Mode Identification

TN975

A

1674-7976-(2023)-06-431-05

2023-07-26。

魯東明（1994.10—），河南長(zhǎng)垣人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理。

“陜西省2022年重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”項(xiàng)目（2022ZDLGY03-03）