通信偵察系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)

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(jī)、無人機(jī)、衛(wèi)星平臺(tái)等。通信偵察的主要任務(wù)為電磁頻譜監(jiān)測(cè)、敵方通信信號(hào)技術(shù)參數(shù)和內(nèi)涵情報(bào)的獲取、對(duì)輻射源信號(hào)的測(cè)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(hào)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(hào)交織在一起,使得電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜。另外,跳頻、擴(kuò)頻和跳擴(kuò)結(jié)合等新體制通信信號(hào)的應(yīng)用,使得信號(hào)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(duì)通信偵察系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì),并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論。

2 通信偵察系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)

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(jī)、中頻轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)聽接收機(jī)、信號(hào)處理終端、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)頻譜的全頻段或分頻段顯示功能,能完成對(duì)目標(biāo)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、自動(dòng)搜索;

(2)能夠依靠人工和自動(dòng)的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)通信信號(hào)調(diào)制體制識(shí)別,并具有對(duì)信號(hào)的調(diào)制參數(shù)(包括調(diào)制系數(shù)、信號(hào)帶寬、載頻、碼速率等)的測(cè)量功能,建立輻射源目標(biāo)特征庫;

(3)能夠根據(jù)信號(hào)的識(shí)別結(jié)果,實(shí)時(shí)或離線完成信號(hào)的解調(diào),獲取情報(bào)內(nèi)涵信息;

(4)能夠?qū)νㄐ判盘?hào)進(jìn)行寬帶或窄帶測(cè)向,具有交匯定位功能和目標(biāo)態(tài)勢(shì)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(jì)

2.2.1 偵收天線

根據(jù)偵收信號(hào)的頻段和搭載平臺(tái)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(tái)安裝適應(yīng)性要求。對(duì)于測(cè)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(duì)短波通信信號(hào)的偵察和測(cè)向,船載短波通信信號(hào)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(hào)電磁環(huán)境復(fù)雜、有強(qiáng)干擾信號(hào)時(shí),容易造成射頻前端飽和,產(chǎn)生虛假信號(hào);倒L天線對(duì)甚長波信號(hào)的偵收效果較好,且能偵收水平極化的信號(hào)。

超短波通信信號(hào)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(duì)數(shù)周期天線等,前4種天線均為水平全向天線,可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的全方位偵收,適用于信號(hào)普查和電磁頻譜監(jiān)測(cè)。對(duì)數(shù)周期天線為方位天線,用于對(duì)遠(yuǎn)距離、低功率信號(hào)的高靈敏度偵收。為了確保對(duì)微弱信號(hào)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(dá)10～20dBi。另外,為了保證對(duì)信號(hào)的全方位高增益?zhèn)墒?通常使用帶旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的方位天線,也可將多副方位天線進(jìn)行布陣,使得每副天線對(duì)應(yīng)不同方位,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的360°偵收。

對(duì)于短波、超短波信號(hào)的測(cè)向通常采用天線陣的形式。實(shí)際工程項(xiàng)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(jì)的好壞將影響后端信號(hào)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(gè)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(jí)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(hào)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(diǎn)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(hào)時(shí),容易引起整個(gè)接收鏈路的飽和,噪聲基底抬高,偵收的弱信號(hào)淹沒在噪聲里,同時(shí)產(chǎn)生虛假信號(hào)。在實(shí)際使用時(shí),通常設(shè)置一個(gè)旁路開關(guān),當(dāng)偵收電磁環(huán)境中存在大功率信號(hào)時(shí),可將前置低噪聲放大器旁路,以保證對(duì)監(jiān)測(cè)頻段內(nèi)所有信號(hào)的正常接收。另外,需合理設(shè)計(jì)放大器的增益,盡量提高其1 dB壓縮點(diǎn);也可在保證整個(gè)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(hào)抑制,如移動(dòng)通信頻段的信號(hào)。

(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(hào)進(jìn)行放大、功分、轉(zhuǎn)接,根據(jù)偵測(cè)終端的需求,將其指定天線的信號(hào)送到后端對(duì)應(yīng)的接收機(jī)單元。通過射頻轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)天線資源的共享,后端偵測(cè)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(jī)輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行放大、功分、轉(zhuǎn)接,將接收到的中頻信號(hào)送到要求對(duì)其進(jìn)行偵收處理的終端處理設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)接收機(jī)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(diǎn)、開關(guān)隔離度等,設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注隔離度指標(biāo),否則會(huì)引起不同信道間信號(hào)的串?dāng)_,影響信號(hào)的偵收質(zhì)量。

(3)接收機(jī)

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

調(diào)諧接收機(jī)將接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和變頻,輸出中頻信號(hào)到中頻轉(zhuǎn)接矩陣。目前工程中常用的調(diào)諧接收機(jī)也為超外差式接收機(jī),具有寬帶和窄帶接收功能。短波寬帶最大偵收瞬時(shí)帶寬一般設(shè)計(jì)為1MHz或500kHz,超短波為12 MHz、20MHz或60MHz。接收機(jī)帶寬越寬,搜索速度越快,但鄰道干擾大,信號(hào)偵收靈敏度低,且信道容易飽和,使得信號(hào)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(hào),接收信噪比下降。

無虛假響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍是接收機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo),常用雙音信號(hào)來測(cè)試,稱為雙音動(dòng)態(tài)范圍。它表征了接收機(jī)在大的干擾信號(hào)存在下,對(duì)小信號(hào)的接收能力。要設(shè)計(jì)雙音動(dòng)態(tài)范圍大的接收機(jī),必須合理分配各級(jí)增益,鏈路余量適宜、各級(jí)均衡,并著重考慮末級(jí)、末前級(jí)放大器的三階截點(diǎn)及增益大小[1]。

另外,接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)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(hào),減少組合干擾。

2.2.3 信號(hào)處理終端

信號(hào)處理終端是通信偵察系統(tǒng)的核心處理單元,主要對(duì)前端接收設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,完成電磁信號(hào)頻譜顯示及信號(hào)搜索、信號(hào)的調(diào)制分析、參數(shù)測(cè)量、信號(hào)的解調(diào)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、編碼分析等功能。通常要求采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),使用統(tǒng)一的硬件平臺(tái)通過加載不同的軟件實(shí)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(kuò)展性和靈活性,以滿足不同任務(wù)的需求。

信號(hào)處理終端一般采用多個(gè)信號(hào)處理板加計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)。信號(hào)處理板主要由FPGA、DSP、存儲(chǔ)芯片、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。隨著通信偵察技術(shù)的發(fā)展和小型化、一體化設(shè)計(jì)需求的增強(qiáng),人們對(duì)信號(hào)處理能力和信號(hào)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(hào)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(jì)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(huì)在工程中得到廣泛的應(yīng)用[2]。

3 通信信號(hào)偵察的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 通信信號(hào)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(hào)的位置,而且也不知道這些信號(hào)何時(shí)出現(xiàn),工作在哪個(gè)頻點(diǎn)或頻段,它們混雜在幾十個(gè)、上百個(gè)無用信號(hào)或干擾信號(hào)中,有些還可能淹沒在噪聲里,因此,對(duì)信號(hào)的搜索、截獲是通信偵察要解決的首要任務(wù)。

通信信號(hào)的搜索、截獲處理流程如圖2所示。

圖2 通信信號(hào)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(hào)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(shí)間較短的信號(hào);高的頻域分辨率更能看清頻譜的細(xì)節(jié),發(fā)現(xiàn)信號(hào),特別是那些在大信號(hào)位置附近或接近基底噪聲的低電平信號(hào)。

影響信號(hào)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(jī)的瞬時(shí)帶寬和頻率切換時(shí)間、頻譜分析的處理時(shí)間、信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)則及判決時(shí)間等。采用寬波束天線進(jìn)行寬帶接收、多處理器并行處理和快速、有效的信號(hào)檢測(cè)算法等均可提高信號(hào)的搜索速度。實(shí)際應(yīng)用中,還將多個(gè)寬開信道聯(lián)合,采用頻率拼接的方案來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的超寬帶步進(jìn)搜索,進(jìn)一步提高信號(hào)的搜索速度,如由5個(gè)12 MHz的接收信道拼接成60MHz的瞬時(shí)掃描帶寬。

影響信號(hào)頻率分辨率的因素主要包括信號(hào)的持續(xù)時(shí)間、FFT的點(diǎn)數(shù)、采樣速率。采樣速率又與信號(hào)的分析帶寬即接收機(jī)的瞬時(shí)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(diǎn)數(shù),此時(shí)要耗費(fèi)較長的信號(hào)處理時(shí)間,從而降低信號(hào)搜索速度。因此,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)兩者必須綜合考慮。

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

(1)固定門限檢測(cè)

在全景譜上人工設(shè)置一信號(hào)幅度門限,當(dāng)信號(hào)超過該門限時(shí),即停止掃描或?qū)⒃撔盘?hào)的頻率記錄在信號(hào)列表或信號(hào)數(shù)據(jù)庫中,并可啟動(dòng)自動(dòng)存儲(chǔ)功能完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

(2)進(jìn)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(diǎn),只對(duì)上述頻點(diǎn)或頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),剔除非感興趣頻段或頻點(diǎn)的信號(hào)。

(3)自適應(yīng)門限檢測(cè)

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

(4)其它檢測(cè)手段

對(duì)過門限信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析,根據(jù)信號(hào)的頻譜形狀、帶寬、峰值等來區(qū)分是否為感興趣的信號(hào);對(duì)特殊的信號(hào)如Link16信號(hào)等,必須根據(jù)信號(hào)的組合特征進(jìn)行綜合分析、識(shí)別,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)和截獲。

文獻(xiàn)[3]針對(duì)寬帶數(shù)字式搜索接收機(jī)信號(hào)處理中的高分辨率譜估計(jì)和弱信號(hào)漏檢問題,提出一種有效的信號(hào)檢測(cè)方法。安捷倫公司近年推出的E3238S(黑鳥)信號(hào)監(jiān)測(cè)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(hào)判決方法,快速有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)空中瞬態(tài)信號(hào)的搜索、發(fā)現(xiàn)[4],其設(shè)計(jì)技術(shù)值得借鑒和學(xué)習(xí)。

3.2 通信信號(hào)的調(diào)制識(shí)別

通信信號(hào)的調(diào)制識(shí)別是近來信號(hào)處理領(lǐng)域的熱門課題,在這方面有大量的文獻(xiàn)資料,提出了很多新的思路和方法。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的通信信號(hào)識(shí)別方法;文獻(xiàn)[6]提出了一種基于高階累積量為特征參數(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制信號(hào)的分類識(shí)別方法;文獻(xiàn)[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(dòng)識(shí)別算法;文獻(xiàn)[8]針對(duì)π/4QPSK和8PSK信號(hào)調(diào)制體制識(shí)別,提出了一種基于相位差分信號(hào)星座圖的調(diào)制體制識(shí)別算法等。

目前,通信信號(hào)的調(diào)制識(shí)別技術(shù)已應(yīng)用于實(shí)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(hào)的調(diào)制識(shí)別準(zhǔn)確率,尋找計(jì)算量更小、適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境、宜于工程化實(shí)現(xiàn)、識(shí)別性能更好的新識(shí)別特征參數(shù)和識(shí)別方法等,仍是今后很長一段時(shí)間內(nèi)努力的方向。

3.3 通信信號(hào)的高精度測(cè)向、定位

3.3.1 通信信號(hào)的測(cè)向

無線電測(cè)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(hào)的來波方向。測(cè)向系統(tǒng)的主要指標(biāo)包括頻率覆蓋范圍、測(cè)向準(zhǔn)確度、靈敏度、抗擾度、時(shí)效性等。

實(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)向法[9]和時(shí)差測(cè)向法[11]。

對(duì)于比幅測(cè)向法,影響系統(tǒng)測(cè)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(cè)向精度必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精心設(shè)計(jì),同時(shí)采取誤差修正手段和采用好的測(cè)向算法,以降低各種誤差因素對(duì)角度測(cè)量的影響。對(duì)于相關(guān)干涉儀測(cè)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(shí)際效果上弱化了其對(duì)測(cè)向精度的影響。對(duì)于時(shí)差測(cè)向法,在進(jìn)行測(cè)向時(shí),精確的時(shí)間差測(cè)量是影響測(cè)向精度的關(guān)鍵。測(cè)向基線越短,在相同測(cè)向精度條件下,對(duì)時(shí)間差測(cè)量的精度要求越高。時(shí)間差測(cè)量的方法主要有兩種[11]:時(shí)域測(cè)量方法和頻域測(cè)量方法。采用時(shí)域方法測(cè)量時(shí)差時(shí),要獲得較高的時(shí)間測(cè)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(cè)量時(shí)差時(shí),信號(hào)帶寬越寬,信噪比越高,時(shí)差測(cè)量的精度就越高。該方法對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)處理能力高于時(shí)域時(shí)間差測(cè)量方法。

3.3.2 通信信號(hào)的定位

采用3個(gè)時(shí)間差偵測(cè)系統(tǒng)布站即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位,即時(shí)差定位法。在平面情況下,一個(gè)TDOA確定一條雙曲線,兩個(gè)TDOA確定兩條雙曲線,這兩條雙曲線的交點(diǎn)即為輻射源的位置。由于測(cè)時(shí)精度的關(guān)系,現(xiàn)有的無源時(shí)差定位要達(dá)到1%的相對(duì)定位精度,一般都采用基線距離長達(dá)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(shí)差定位技術(shù)的研究。關(guān)于通信信號(hào)的定位,工程上還采用了交匯定位技術(shù),通過將機(jī)動(dòng)平臺(tái)如船、飛機(jī)在不同位置測(cè)得的同一目標(biāo)的方位或分布在不同地理位置的測(cè)向站測(cè)得的同一目標(biāo)的方位值進(jìn)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(hào)的匹配問題,通常根據(jù)信號(hào)的截獲時(shí)間、工作頻率和調(diào)制方式等,對(duì)于Link11這種特殊的信號(hào),可根據(jù)其PU碼來識(shí)別匹配。為了在復(fù)雜電磁環(huán)境下更好地完成信號(hào)的匹配,需要研究新的輻射源匹配技術(shù),如根據(jù)信號(hào)的細(xì)微特征來完成信號(hào)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(hào)偵察系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的問題,需要從系統(tǒng)的應(yīng)用平臺(tái)、應(yīng)用環(huán)境、作戰(zhàn)性能要求等諸多方面進(jìn)行綜合考慮。本文對(duì)通信信號(hào)偵察系統(tǒng)組成、設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)的論述,對(duì)通信偵察實(shí)際工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tái)的分選與識(shí)別、時(shí)頻混疊信號(hào)的分離、同頻多信號(hào)測(cè)向和通信信號(hào)的“指紋”特征分析、輻射源目標(biāo)識(shí)別等諸多關(guān)鍵技術(shù)。

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