艦載通信信號偵察接收系統(tǒng)

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

復雜電磁環(huán)境，是指在一定的時域、空域、頻域上，電磁信號密集跌宕、縱橫交錯、功率分布起伏變化，在有限的時空范圍內(nèi)，電磁活動產(chǎn)生重大影響的一種電磁環(huán)境[1]。隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展和大量軍用、民用電子設備的廣泛應用，空間電磁環(huán)境較以往發(fā)生了巨大的變化，電磁環(huán)境越來越惡化。尤其是沿海及近海地區(qū)，由于其環(huán)境和地理位置的特殊性，其電磁環(huán)境更加復雜。

對于艦載偵察接收系統(tǒng)來講，在保證各項技術指標要求的前提下，適應沿海及近海地區(qū)復雜的電磁環(huán)境是該系統(tǒng)設計的一個重點。本文通過分析通信信號偵察接收的技術體制和特點，探討了一系列為適應復雜電磁環(huán)境的改進措施，并在實際工程應用中證明該方法能較好地解決艦載通信信號偵察接收系統(tǒng)的使用問題，保證系統(tǒng)具有大偵收帶寬、高靈敏度、大動態(tài)范圍、強抗干擾能力。

2 沿海地區(qū)復雜電磁環(huán)境的特點

沿海和近海地區(qū)由于其自身的一些特殊性，空間中聚集著大量的電磁信號，即使是在和平時期，沿海和近海地區(qū)的電磁環(huán)境較內(nèi)陸地區(qū)，其電磁輻射源的數(shù)量更多，信號的密集程度更高、復雜性更強[2]。

沿海和近海地區(qū)復雜電磁環(huán)境突出表現(xiàn)為以下特征：

(1)輻射源數(shù)量多、密度高

沿海和近海地區(qū)由于其自身的地理因素，空間中充斥著大量的民用和軍用電磁信號。常見的民用信號的發(fā)射站有GSM、CDMA手機基站、民用的海岸電臺、漁業(yè)指揮岸臺、廣播電視信號、民用導航雷達、漁用雷達等。同時，海岸地帶會設立各種軍事基地：建設海岸炮、導彈等防控陣地；在港灣內(nèi)設立艦艇停泊碼頭和后勤保障設施；在臨海山地建設觀通雷達站，構成堅固的防御體系。因此，在海岸線附近的空間中還存在著大量的軍用電臺通信信號、海面警戒雷達信號、防空警戒雷達信號、艦載雷達信號等。

(2)電波傳播復雜

沿海及近海地區(qū)由于其自身的一些物理和大氣特性會造成電波傳輸中較為嚴重的折射、反射和散射。海面的強反射、潮漲潮落和雨、霧、海面水蒸氣、海面大氣逆溫等均可能引起電波的多徑傳輸干涉性衰落，即由于直射波和反射波相互疊加，使得接收端的接收電平起伏、失真和波形展寬。這種衰落在信號幅度上服從瑞利分布或廣義瑞利分布。彼此處于協(xié)同方的通信系統(tǒng)常常采用分集接收、增加收發(fā)天線高度差、自適應均衡技術等措施來抗海面多徑衰落或相位波動；對于非協(xié)同方的偵察接收系統(tǒng)來說，由于海面及大氣引起的多徑衰落對通信信號偵收的影響將更加嚴重，增加了信號接收的不穩(wěn)定因素。

(3)大功率發(fā)射信號多

隨著沿海漁業(yè)、海上旅游業(yè)的迅速發(fā)展，尤其是漁民對移動通信需求的增大，為了保證手機用戶在近海地區(qū)能接收到手機信號，GSM、CDMA等手機基站發(fā)射的功率一般都強于內(nèi)陸地區(qū)。如GSM系統(tǒng)根據(jù)TS GSM05.05技術規(guī)范要求，大部分基站輸出功率為40 W(46 dBm)第4級功率等級；但在沿海及近海地區(qū)，為了滿足在近海50多公里范圍內(nèi)通話正常，部分基站輸出功率為320 W(55 dBm)第1級功率等級。其它各種調(diào)頻電臺、軍民用雷達信號也比內(nèi)陸地區(qū)相同功能設備的信號發(fā)射功率強得多。如漁民常用的船用單邊帶電臺(IC-M801)發(fā)射功率為125 W，IC-M802的最大發(fā)射功率為150 W；船用雷達MR-1000TⅢ的峰值輸出功率為4 kW；船用導航雷達RM1290A的發(fā)射功率為25 kW。軍用對海警戒雷達發(fā)射的峰值功率為數(shù)千瓦級，對空警戒雷達發(fā)射的峰值功率為數(shù)兆瓦級，平均功率為數(shù)千瓦級。

(4)輻射信號體制復雜

隨著信息技術的突飛猛進，目前通信、雷達裝備廣泛采用了各種復雜的信號調(diào)制樣式。通信信號的調(diào)制方式從傳統(tǒng)的FM、SSB、AM到現(xiàn)在的QPSK、MQAM、FSK及其改進、衍生的調(diào)制樣式，如高斯濾波最小移頻鍵控(GMSK)、偏移四相相移鍵控(OQPSK)、正交頻分復用調(diào)制(OFDM)等。許多新體制的雷達已廣泛采用頻率捷變、重頻參差、重頻抖動、重頻編碼、脈內(nèi)壓縮以及頻率分集和跳頻等一系列抗干擾技術體制。

(5)電磁頻譜范圍跨度大

沿海和近海地區(qū)內(nèi)各種軍民混用的電子收發(fā)設備，所占用的頻段幾乎涵蓋了整個電磁頻譜，其中包括從短波、超短波、微波到毫米波、紅外的幾乎所有電磁頻譜。

3 艦載通信信號偵察系統(tǒng)的組成

近年來，隨著軟件無線電(Software Defined Radio,SDR)的飛速發(fā)展和不斷成熟，基于軟件無線電技術的數(shù)字接收機被廣泛應用于各個領域。目前，通信信號偵察系統(tǒng)也普遍采用這種技術體制，該系統(tǒng)主要由偵收天線、接收機、高速A/D轉換器和數(shù)字信號處理器四大部分組成。艦載通信信號偵察系統(tǒng)由于其自身的工作環(huán)境所限，以及為了便于人員操作等因素，接收機和數(shù)字信號處理設備一般都是位于艙室內(nèi)部，通過船用長電纜與艙外的偵收天線相互連接，因此，艦載通信系統(tǒng)一般還多一級射頻前端組件位于偵收天線和接收機之間，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 艦載通信偵察系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition of ship-borne communication signals reconnaissance system

艦載通信偵察接收系統(tǒng)主要是由圖1中的射頻前端組件和接收機組成，其中射頻前端組件一般是由限幅器、低噪聲放大器、可變衰減器等組成，位于艙室外部并盡量靠近天線輸出端口以提高整個接收系統(tǒng)的靈敏度，并補償從天線處到艙室內(nèi)長電纜的損耗。接收機可以由諸如WJ-8969、IC-R8500這類常規(guī)的商用接收機，或一些定制的接收機組成。這些接收機一般都會設有預選器、可變衰減器、AGC、MGC等器件，以實現(xiàn)濾除帶外干擾和通過改變增益來擴大接收機動態(tài)范圍。

在傳統(tǒng)的設計方法中，一般對帶外強干擾信號的濾除和擴大接收系統(tǒng)的動態(tài)范圍都是依靠艙室內(nèi)的接收機來完成，射頻前端組件往往會忽略，設計得比較簡單，一般是選用一個性能優(yōu)良的寬帶低噪聲放大器來降低系統(tǒng)噪聲系數(shù)，提高偵收靈敏度。這種設計方法在電磁環(huán)境比較好的條件下能夠適用，但是在日趨復雜的電磁環(huán)境尤其是沿海地區(qū)復雜的電磁環(huán)境中往往不能勝任。因為在這種情況下，射頻前端組件中可能就已經(jīng)產(chǎn)生了嚴重的非線性失真、信道飽和，甚至信道阻塞。因此，需要通過增加射頻前端組件設計的復雜性和抗強信號、多信號的能力，以提高整個偵察接收系統(tǒng)的環(huán)境適應性和系統(tǒng)可靠性。

4 沿海地區(qū)復雜電磁環(huán)境對通信信號偵察接收系統(tǒng)的影響分析

沿海和近海地區(qū)不論是在和平時期，還是危機期間和戰(zhàn)爭時期，其空間內(nèi)都存在大量民用和軍用的通信、雷達信號。在時域上，這些電磁波時隱時現(xiàn)，時疏時密，在特定時間內(nèi)有可能呈現(xiàn)高密集狀態(tài)；在空域上，各種電磁信號遍布空中、地面、海上，輻射距離從幾十米到數(shù)千公里；在頻域上，電磁信號占用的頻段幾乎覆蓋了整個頻帶；在能量上，大功率輻射信號多，且輻射功率強弱不定、跌宕起伏[3]。這些復雜背景信號的存在為電子偵察提出了新的挑戰(zhàn)，增加了偵察接收系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素，為后端設備對未知的有用信號進行分析處理造成了非常大的影響。

傳統(tǒng)的艦載偵察接收機為了保持對海面環(huán)境的實時監(jiān)視，要達到100%的截獲概率，通常采用偵收天線在方位上360°覆蓋，偵收信道在頻域內(nèi)采用全頻段寬開接收的體制。信號先通過艙外的天線接收下來，再經(jīng)過偵收信道，到艙內(nèi)的各種接收機和交換網(wǎng)絡中進行后端的分析處理。

傳統(tǒng)的偵收信道在一般的電磁環(huán)境下和實驗室條件下有可能具有良好的性能，但是一旦在密集復雜的電磁環(huán)境下，特別是沿海和近海地區(qū)則常會出現(xiàn)系統(tǒng)整體偵收性能下降[4]，遇到較多的問題，主要有以下幾個方面：

(1)雷達信號抑制能力差

目前，雷達和通信信號的區(qū)別越來越不明顯，它們所占用的頻率范圍與以前所規(guī)定的使用頻段也不同，通信系統(tǒng)已經(jīng)在以前只屬于雷達范疇的頻率上工作，而遠程雷達也在原屬于通信范疇的VHF頻段上工作。而且，兩種體制的信號特征也不再有明顯的區(qū)別，通信信號一般為連續(xù)波形，個別采用間斷連續(xù)波形，如短時猝發(fā)通信信號；雷達信號最常見的為脈沖調(diào)制波形，但少部分雷達也采用了連續(xù)波信號。

在對通信信號進行偵察時，常常是進行寬帶偵察。在復雜電磁環(huán)境下，雷達與通信信號往往同時存在，在寬頻帶內(nèi)很難將其濾除，而且雷達信號的功率往往大于通信信號，容易引起通信信號的偵收信道飽和，導致信道中部分有源器件非線性問題嚴重。

(2)系統(tǒng)適應能力差

復雜電磁環(huán)境中，電磁信號密集多樣，使得偵察接收系統(tǒng)的寬帶接收信道在瞬時帶寬內(nèi)能同時接收到數(shù)量眾多、種類各異的電磁信號，超出了后端偵察設備的識別處理能力，導致偵察設備的偵察能力降低，使得有價值的信號漏報；也有可能各個信號之間交調(diào)產(chǎn)生出虛假信號，導致誤報，從而影響情報的可靠性和真實性。

當頻段內(nèi)有連續(xù)波和脈沖信號同時存在時，ELINT系統(tǒng)中的IFM接收機將無法準確地測頻，這樣就極大地降低了其測頻精度、截獲概率以及識別的可靠性；超外差接收機雖然不像IFM接收機那樣易受干擾，但也會造成其偵收信號的精度和可靠性下降。在很多地方ELINT系統(tǒng)的IFM接收機在0.8～2 GHz頻段幾乎無法測量，這正是由于手機信號的頻率正好處在該頻段內(nèi)造成的。

(3)系統(tǒng)性能下降

在有線測試接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)時，測試的指標非常好，用傳統(tǒng)經(jīng)典公式可以換算成極低的接收靈敏度電平值。但在實際使用中，特別是在沿海等復雜的電磁環(huán)境下，系統(tǒng)無線測試時，有可能發(fā)現(xiàn)在實際使用環(huán)境中該系統(tǒng)的接收靈敏度會變差，實測電平值會遠高于推算值。原因是由于接收信道的1dB壓縮點電平值是相對于整個系統(tǒng)能接收到的所有信號的功率總和而言，即整個接收頻帶內(nèi)所有信號功率的疊加值。有時，往往需要偵收的有用信號的電平值不是很大，但是寬頻帶內(nèi)其它頻點的大信號會使得偵收信道完全飽和、失真，整個接收系統(tǒng)的噪聲基底被抬高，與測試時單個信號的接收靈敏度預計值有很大差別。因此，對于寬帶偵察的接收系統(tǒng)，有時一味追求噪聲系數(shù)盡可能地小，而把系統(tǒng)的增益過分抬高，簡化前端設計，這種做法常常會使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性大打折扣，對外界環(huán)境尤其是沿海復雜的電磁環(huán)境的適應性大大降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性、實用性和環(huán)境適應性變差。

5 復雜電磁環(huán)境下通信信號偵察接收系統(tǒng)的解決措施

(1)濾除雷達等復雜背景信號，降低信道非線性的概率

當寬開的接收信道存在像雷達、GSM、CDMA等大功率信號時，由于能量的累加作用，會導致偵察接收信道完全飽和。其所產(chǎn)生的非線性交調(diào)、諧波分量以及各干擾信號相位噪聲的影響，使得整個接收信道的噪聲基底被顯著抬高，不利于對小信號的截獲、識別、分析和解調(diào)。因此，圖1中的射頻前端組件里應增加濾除大功率信號功能的器件。比較靈活的一種方法是在支路中設置電調(diào)帶阻濾波器，濾除脈沖信號和大功率連續(xù)波等背景信號，稀釋進入接收機的信號密度，防止其阻塞偵察接收信道。但由于微波工藝和器件水平限制，目前電調(diào)濾波器體積、插損大，重量重，將其前置會影響整個接收系統(tǒng)的接收靈敏度，難以放置在接收信道前端。另一種方法是將預選器前置，從天線接收到的信號先經(jīng)過預選器分段濾除干擾信號。為了抑制強信號在接收信道中非線性器件的交互調(diào)干擾，前置預選器一般是采用亞倍頻程的要求進行設計。但在實際工程設計中，為了降低預選器的復雜程度和插損值，在頻率低端可以依據(jù)已知的一些實際外部信號的分布情況，適當增加低端頻率的濾波器帶寬；同時，在設計時也可以預先把不關心的雷達信號占用的頻帶或者手機基站的頻段排除在外，對已知的大功率干擾信號能夠起到很好的抑制作用。

(2)通過定向天線和全向天線、寬帶信道和窄帶信道相結合的方法，提高發(fā)現(xiàn)偵察發(fā)現(xiàn)概率和識別解調(diào)門限

由于電波傳播的方向性，對已知來波方向的信號，可以利用定向天線對其進行偵收。由于定向天線的波瓣寬度窄、方向性好、增益高、作用距離遠、抗干擾能力強，因此通過定向天線的使用，可以在空域內(nèi)稀釋信號，濾除或減小其它方向來波信號的電平值。在實際偵收時，通過全向天線和定向天線的配合使用，或是采用多個定向天線組陣的方式，通過全向天線在全空域360°范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)有用信號后，再引導定向天線在該來波方向上實施偵收的方式，來發(fā)現(xiàn)外界感興趣的信號并對其進行詳查分析。

對通信信號的偵察，在系統(tǒng)設計時還可以考慮通過采用寬帶和窄帶超外差相結合的體制，寬帶支路實現(xiàn)高截獲概率并引導窄帶支路偵收。其中，寬帶支路由于帶寬比較寬，帶內(nèi)信號多，可以使用限幅器保護前端放大器；窄帶支路由于帶內(nèi)信號數(shù)量少，可以不用限幅器，直接選用低噪聲、高增益、高截點的窄帶放大器，以實現(xiàn)較低的識別解調(diào)門限。實際使用中可以先通過寬帶信道觀察全頻段內(nèi)的信號，有感興趣的信號，再切換到相應的窄帶信道中，對該信號進行識別、分析、解調(diào)、存儲、記錄等操作。

(3)慎用限幅器

為了保護接收信道中的第一級低噪聲放大器不被外界的強信號燒毀，實際使用中，經(jīng)常在天線和第一級低噪聲放大器之間加入一個寬帶的限幅器，對后級器件起到一個保護的作用。

但是，限幅器大多采用PIN二極管，而二極管是與整個頻帶內(nèi)所有信號的能量總和相對應，因此其不具備根據(jù)頻率把需要的和不要的信號區(qū)別開來的能力。當有大功率的信號輸入時，輸入電平幅度大到使限幅器開始起作用時，其輸出的信號幅度將產(chǎn)生嚴重非線性失真。而且，限幅器還存在信號抑制作用，即當噪聲或干擾信號與有用信號同時加到限幅器上，而且輸入的干擾信號接近或超過有用信號時，在限幅器輸出端有用信號將受到抑制，這就是限幅器的信號抑制。例如在一種特殊情況下，噪聲信號能使限幅器輸出端的正常信噪比較輸入端的信噪比減小5～6 dB。

通信信號偵察系統(tǒng)不同于雷達信號偵察系統(tǒng)，雷達信號的偵察對信號幅度不是很關心，因此常常使用限幅器，但是通信信號偵測系統(tǒng)對信號的幅度比較敏感，因此在通信信號偵測接收系統(tǒng)的前端，尤其是對偵察信號幅度參數(shù)比較敏感的接收系統(tǒng)中，應慎用限幅器。

(4)提高接收系統(tǒng)的整體動態(tài)范圍

一般而言，動態(tài)范圍可以很好地表征電磁環(huán)境對接收設備的影響，動態(tài)范圍大的接收設備對電磁環(huán)境適應能力強，反之則弱。因此，為了更好地適應日益惡化的電磁環(huán)境，應盡量提高接收系統(tǒng)的動態(tài)范圍。系統(tǒng)的動態(tài)范圍主要由如圖1中所示的射頻前端組件和接收機等模擬模擬器件的動態(tài)范圍和AD模數(shù)轉換器的動態(tài)范圍兩部分組成。

對模擬射頻器件，常用的提高動態(tài)范圍的方法有采用對數(shù)放大器、手動增益控制(MGC)方式、自動增益控制(AGC)方式，或選用高性能的器件(低的噪聲系數(shù)、高的1 dB壓縮點，二階、三階截點)。對數(shù)放大器本身就是一個非線性的器件，一般是在對信號幅度不敏感的系統(tǒng)中選用，以提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍。一般線性系統(tǒng)的動態(tài)范圍為60 dB左右，采用對數(shù)放大器后動態(tài)范圍可以擴大到90 dB以上。但是在通信信號偵測系統(tǒng)中，對于像QAM等調(diào)制方式信號的解調(diào)或比幅測向、干涉儀測向系統(tǒng)以及圓錐掃描天線跟蹤系統(tǒng)都需要準確的信號幅度信息，因此在通信信號偵測系統(tǒng)中采用對數(shù)放大器來擴大系統(tǒng)動態(tài)范圍有一定的局限。

目前，在工程上已普遍選用16 bit、61.44 MHz的ADC對70 MHz中頻信號進行帶通采樣，該器件能實現(xiàn)其有效位數(shù)為13位，無雜散動態(tài)范圍為80 dB，信噪比為65 dB左右，完全可以滿足前端模擬器件所需的動態(tài)范圍要求。在實際設計中ADC應該作為接收系統(tǒng)的一部分與前端超外差接收系統(tǒng)一起設計，使得其增益、動態(tài)范圍的設計應與模數(shù)變換器(ADC)的指標相匹配，把前端模擬器件的增益設計合理，不宜過高，降低模擬器件信道的非線性壓力，充分發(fā)揮各部分器件的最大功效。

(5)運用新技術提高在復雜背景下的信號偵測能力

近年來，隨著新技術的進步，諸如數(shù)字波束形成(DBF)技術和自適應均衡器被廣泛應用于移動通信領域，用于降低碼間干擾和信道間干擾，提高通信質(zhì)量。其中，DBF技術是利用天線陣元將接收到的信號無失真地下變頻到數(shù)字信號，再通過乘以相應的加權系數(shù)形成所需的接收波束，由于是數(shù)字處理，因而采用DBF技術易于實現(xiàn)低副瓣、自適應零點及超強分辨處理能力。利用波束形成技術，通過空間掃描來稀釋進入接收通道的信號，充分利用信號的空間可分性，有助于完成對偵察信號的檢測與分選識別工作。而在通信信號偵察領域也可以采用信道自適應均衡技術，克服偵收無線信道衰落，特別是海面多徑傳播造成的幅度衰落、多徑時延，以及多普勒頻移等造成的衰落，改善偵收系統(tǒng)性能，提高在復雜背景下的信號偵測能力。

6 結 論

本文針對沿海地區(qū)復雜電磁環(huán)境的特點，對通信信號偵察接收系統(tǒng)的技術體制、偵收方法進行了詳細分析，提出了在復雜電磁環(huán)境下的改進建議，通過對通信信號偵察接收系統(tǒng)的改進，可以使通信信號偵收系統(tǒng)能夠更好地適應日趨復雜的電磁環(huán)境。

在實際工程應用中，該艦載偵察接收系統(tǒng)的設計思想得到了較好的應用。在復雜的沿海電磁環(huán)境中，該系統(tǒng)在1～8.5 GHz的偵察帶寬內(nèi)，寬帶偵察通路的偵察靈敏度為-102 dBm(1 MHz帶寬、10 dB信噪比時)，窄帶偵收通路的偵收靈敏度為-105 dBm，動態(tài)范圍70 dB；并且較好地解決了當偵察帶寬內(nèi)存在大功率信號時，偵收信號大幅度抖動的現(xiàn)象，提高了整個偵察接收系統(tǒng)的穩(wěn)定性和環(huán)境適應性。對沿海地區(qū)復雜電磁環(huán)境對艦載偵察接收系統(tǒng)的影響及解決措施分析，對寬帶通信信號偵察接收系統(tǒng)的總體設計和前期接收設備的研制具有一定的參考和指導意義，后續(xù)工作需要在如何通過運用新技術來提高復雜電磁環(huán)境的適應性等方面做進一步的深入研究和探討。

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