一種輻射源產(chǎn)生及識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)*

孫希東　李曉江

(1.91404部隊(duì)　秦皇島　066001)(2.91202部隊(duì)　秦皇島　066001)

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一種輻射源產(chǎn)生及識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)*

孫希東1李曉江2

(1.91404部隊(duì)秦皇島066001)(2.91202部隊(duì)秦皇島066001)

摘要論文論證了一種輻射源的產(chǎn)生及精確識(shí)別技術(shù)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程,主要包括信號(hào)環(huán)境產(chǎn)生系統(tǒng)和偵察接收系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方案,可為輻射源指紋識(shí)別等革新技術(shù)在雷達(dá)與電子戰(zhàn)中的應(yīng)用研究提供基本的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái),可為電子目標(biāo)識(shí)別與應(yīng)用提供基本的支撐條件。

關(guān)鍵詞輻射源; 識(shí)別; 信號(hào)環(huán)境; 偵察

A Kind of Generation and Identification Technology for Radio Transmitters

SUN Xidong1LI Xiaojiang2

(1. No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066001)(2. No. 91202 Troops of PLA, Qinhuangdao066001)

AbstractA realization of the process and the design of a kind of generation & identification technology for radio transmitters are demonstrated in this paper. It includes the work principle and designed scheme for signal envialment generating system and receive and detect system. It provides a test validating platform for identification technology for radio transmitters to do research for application of radar and electronic countmeasure. And it provides a supportable condition for the application of identificating electronic target and utilizing.

Key Wordsradio transmitters, identification, signal environment, detect

Class NumberTN957.5

1引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已由過(guò)去的單一兵器或單一平臺(tái)的對(duì)抗向系統(tǒng)對(duì)抗、體系對(duì)抗轉(zhuǎn)變[1]。面對(duì)復(fù)雜的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境,單一功能電子對(duì)抗裝備的生存能力和作戰(zhàn)性能受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),任何單一的電子戰(zhàn)裝備或多種電子戰(zhàn)裝備的簡(jiǎn)單疊加,已難以保障對(duì)敵方綜合性高技術(shù)電子兵器實(shí)施有效和可靠的壓制,必須把不同種類、不同用途的電子戰(zhàn)設(shè)備和多種電子戰(zhàn)手段有機(jī)結(jié)合,構(gòu)成綜合性一體化電子戰(zhàn)作戰(zhàn)體系,才能形成強(qiáng)大的電子進(jìn)攻力量和電子防衛(wèi)力量。

目前,國(guó)內(nèi)在通信偵察、雷達(dá)偵察系統(tǒng)等方面的研究均取得了很大成果[2],研制、裝備了許多雷達(dá)、通信偵察設(shè)備,并積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn),但在綜合一體化電子戰(zhàn)系統(tǒng)方面的研究則剛剛起步。綜合一體化電子戰(zhàn)系統(tǒng)所涉及的研究?jī)?nèi)容相當(dāng)廣泛,需要解決的關(guān)鍵技術(shù)也非常多[3]?；诋?dāng)前實(shí)際情況,本文著重對(duì)信息化條件下軍事訓(xùn)練保障領(lǐng)域就如何模擬多種、多批次通信電臺(tái)、雷達(dá)發(fā)射的信號(hào),通過(guò)高保真度電子對(duì)抗偵察接收機(jī)接收,輸出保真度極高的中頻、視頻信號(hào),供輻射源指紋識(shí)別等軍民融合發(fā)展課題進(jìn)行分析和研究。

2系統(tǒng)組成

輻射源產(chǎn)生及精確識(shí)別系統(tǒng)主要包括信號(hào)環(huán)境產(chǎn)生系統(tǒng)和偵察接收系統(tǒng),其中,信號(hào)環(huán)境產(chǎn)生系統(tǒng)主要用于模擬多種、多批次通信電臺(tái)和多體制、多批次雷達(dá)輻射源信號(hào),以構(gòu)建構(gòu)建電子對(duì)抗新技術(shù)研究所需的通信信號(hào)和雷達(dá)輻射源等電子對(duì)抗信號(hào)。偵察接收系統(tǒng)主要是接收信號(hào)環(huán)境產(chǎn)生系統(tǒng)模擬的多種、多批次通信電臺(tái)和多體制、多批次雷達(dá)輻射源信號(hào),輸出保真度極高的中頻、視頻信號(hào),以供輻射源指紋識(shí)別等科研課題的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

3工作原理及實(shí)現(xiàn)

3.1信號(hào)環(huán)境產(chǎn)生系統(tǒng)

信號(hào)環(huán)境產(chǎn)生系統(tǒng)主要由顯示控制單元、基帶信號(hào)波形產(chǎn)生單元、發(fā)射激勵(lì)單元、頻率源單元及電源模塊等組成,其組成原理如圖1所示。

顯示控制單元是信號(hào)環(huán)境產(chǎn)生系統(tǒng)的重要組成部分,控制輻射源信號(hào)產(chǎn)生模塊的運(yùn)行,為用戶提供友好的人機(jī)界面,它包含的主要功能有:信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、自檢、試驗(yàn)戰(zhàn)情設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行控制、設(shè)備狀態(tài)顯示和接口通信等,其主要功能包括:

圖1　信號(hào)環(huán)境產(chǎn)生系統(tǒng)組成原理框圖

顯示控制單元的輻射源信號(hào)產(chǎn)生控制軟件為用戶提供一個(gè)開(kāi)放的輻射源信號(hào)編輯環(huán)境,用戶通過(guò)輻射源信號(hào)編輯界面將雷達(dá)及多種體制通信信號(hào)的參數(shù)設(shè)置至控制軟件內(nèi),通過(guò)控制軟件生成輻射源信號(hào)數(shù)據(jù)報(bào)文,在初始化時(shí)發(fā)送至基帶信號(hào)波形產(chǎn)生單元。顯示控制單元可選用PowerPC作為顯控控制計(jì)算機(jī),液晶顯示屏選用16位真彩顯示屏。

基帶信號(hào)波形產(chǎn)生單元是以具有調(diào)頻、調(diào)相功能的DDS為核心的大規(guī)模實(shí)時(shí)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng),主要接收顯示控制單元的威脅輻射源參數(shù),進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)精度轉(zhuǎn)換,如脈沖寬度、子碼寬度、頻率精度等,以及線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻等脈內(nèi)調(diào)制信息的解算,按照脈沖的時(shí)序排隊(duì),順序生成控制寬帶DDS的頻率控制字、相位控制字,控制寬帶DDS產(chǎn)生相應(yīng)頻率、脈寬、脈內(nèi)調(diào)制的400MHz~600MHz的威脅輻射源中頻基帶信號(hào)脈沖,并負(fù)責(zé)頻率合成器、發(fā)射激勵(lì)單元的微波器件的控制。

基帶信號(hào)波形產(chǎn)生單元利用大規(guī)模FPGA和高速DAC構(gòu)建的具有調(diào)頻、調(diào)相功能的寬帶DDS器件,在FPGA內(nèi)部通過(guò)DDS IP核,構(gòu)建DDS的相位累加器、ROM和數(shù)字控制接口,通過(guò)數(shù)字控制接口將相應(yīng)脈沖的頻率控制字、相位控制字發(fā)送給DDS IP核,產(chǎn)生高速的波形數(shù)字量數(shù)字流,送給高速DAC,產(chǎn)生具有一定載頻、脈寬、頻率調(diào)制、相位調(diào)制的威脅輻射源脈沖中頻基帶信號(hào)。

基帶信號(hào)波形產(chǎn)生單元所實(shí)現(xiàn)的寬帶DDS具有調(diào)頻、調(diào)相功能,DDS工作原理框圖如圖2所示。

圖2　DDS工作原理框圖

DDS不僅能直接合成信號(hào)頻率,而且可以直接合成任意信號(hào)的波形。根據(jù)DDS技術(shù)本身的這些特性可以看出,只要輸入不同的控制指令,就可以產(chǎn)生各種波形。假設(shè)信號(hào)波形定義為:Asin(ωt+φ)。

DDS技術(shù)可以直接對(duì)三個(gè)信號(hào)波形參數(shù)ω、φ、A中的一個(gè)、二個(gè)或三個(gè)同時(shí)進(jìn)行控制,而且置頻時(shí)間在100ns左右,因此,不但可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)波信號(hào)、常規(guī)脈沖信號(hào),還可以實(shí)現(xiàn)頻率捷變、脈沖壓縮、脈沖編碼等體制的威脅雷達(dá)信號(hào)及通信信號(hào)。

如果要產(chǎn)生線性/非線性調(diào)頻,只需要按照頻率變化的規(guī)律對(duì)頻率控制字進(jìn)行改變,則可形成所需要的線性/非線性調(diào)頻信號(hào)。如果需要二相/多相編碼,則可以按照規(guī)律改變相位累加器的相位代碼,就能得到所需要的調(diào)相信號(hào)。

基帶信號(hào)波形產(chǎn)生單元可模擬的中頻基帶信號(hào)形式包括:常規(guī)脈沖雷達(dá)、頻率分集雷達(dá)、重頻抖動(dòng)雷達(dá)、重頻參差雷達(dá)、頻率捷變雷達(dá)、線性調(diào)頻雷達(dá)、連續(xù)波雷達(dá)以及TDMA、CDMA、FDMA、OFDM等多種體制通信信號(hào)?；鶐盘?hào)波形產(chǎn)生單元還根據(jù)每個(gè)威脅輻射源脈沖的載頻信息,通過(guò)TTL電平的數(shù)字I/O實(shí)時(shí)控制頻率源、變頻網(wǎng)絡(luò)及射頻通道等微波模塊,產(chǎn)生所需的威脅輻射源射頻信號(hào)。

發(fā)射激勵(lì)單元主要是接收基帶信號(hào)波形產(chǎn)生單元輸出的雷達(dá)中頻基帶信號(hào),在100KHz~500MHz頻段范圍內(nèi),直接接收基帶信號(hào)產(chǎn)生單元輸出的100KHz~500MHz中頻基帶信號(hào),進(jìn)行放大濾波和高速調(diào)制,產(chǎn)生所需的威脅輻射源射頻信號(hào)。

頻率源單元主要功能是為發(fā)射激勵(lì)單元的上變頻網(wǎng)絡(luò)提供變頻所需本振信號(hào),并為基帶信號(hào)波形產(chǎn)生單元提供所需的時(shí)鐘信號(hào)。參考源采用噪聲性能優(yōu)異的100MHz恒溫晶振(OCXO),1kHz相噪為-150dBc,并具有很高的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。諧波發(fā)生器產(chǎn)生100MHz間隔的梳狀譜,通過(guò)固定電頻濾波器產(chǎn)生1GHz、2GHz的時(shí)鐘信號(hào),通過(guò)開(kāi)關(guān)濾波器組濾出3GHz~4GHz上變頻所需的2.6GHz~3.4GHz間隔200MHz的連續(xù)本振信號(hào)。2GHz時(shí)鐘信號(hào)送基帶信號(hào)產(chǎn)生單元,1GHz時(shí)鐘信號(hào)送另一個(gè)諧波發(fā)生器產(chǎn)生間隔1GHz的梳狀譜,通過(guò)開(kāi)關(guān)濾波器組濾出0.5GHz~4GHz上變頻所需的4GHz、5GHz、13GHz、14GHz;固定本振信號(hào)利用固定點(diǎn)頻濾波器濾出。

3.2偵察接收系統(tǒng)

偵察接收系統(tǒng)主要由標(biāo)頻模塊、下變頻模塊、PowerPC模塊、數(shù)字處理模塊1、接口控制模塊、AD采樣模塊、預(yù)處理模塊、電源模塊組成。偵察接收設(shè)備組成框圖如圖3所示。

圖3　偵察接收系統(tǒng)原理框圖

下變頻模塊1采用寬、窄帶一體化設(shè)計(jì),分為寬帶直采和窄帶變頻兩種工作模式。100KHz~500MHz的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)模式選擇、預(yù)選濾波后經(jīng)開(kāi)關(guān)分為兩路,一路經(jīng)放大、數(shù)控衰減和放大后輸出寬帶直采信號(hào),另一路經(jīng)混頻放大、數(shù)控衰減、帶通濾波和放大后輸出中心頻率為40.455MHz,帶寬為24kHz的窄帶信號(hào)。寬帶信號(hào)和窄帶信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇輸出,供數(shù)字處理采樣使用。每路信道模塊中都包含獨(dú)立本振,通過(guò)統(tǒng)一提供的參考源產(chǎn)生本振信號(hào),用于偵察時(shí),各信道設(shè)置不同的本振頻率,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率信號(hào)的接收[4]。

下變頻模塊2完成對(duì)500MHz~4000MHz頻段范圍內(nèi)的射頻信號(hào)的下變頻,輸出1路中心頻率為140MHz,帶寬為0.2/20/60MHz的中頻信號(hào)。

AD采樣模塊接收下變頻模塊輸出的中頻模擬信號(hào),實(shí)現(xiàn)2路中頻模擬信號(hào)數(shù)字變換,模塊變換后的數(shù)據(jù)通過(guò)總線分發(fā)送預(yù)處理模塊進(jìn)行信道化及分發(fā)等處理,預(yù)處理后數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)字處理模塊再進(jìn)行指紋特征提取,通過(guò)確立輻射源信號(hào)的載頻、調(diào)制參數(shù)及雜散成分特性為穩(wěn)態(tài)信號(hào)指紋,可以對(duì)上述特征運(yùn)用時(shí)域、頻域分析方法和現(xiàn)代時(shí)頻域和高階譜方法進(jìn)行特征提取分析[5]。

圖4　基于證據(jù)理論組合分類器的輻射源個(gè)體識(shí)別結(jié)構(gòu)

數(shù)字處理模塊配置高速FPGA和DSP芯片,實(shí)現(xiàn)對(duì)帶數(shù)據(jù)的寬帶偵察、識(shí)別和窄帶偵控等工作[6]。信號(hào)處理模塊軟件主要包括通信信號(hào)載波恢復(fù)、調(diào)制參數(shù)特征提取、識(shí)別軟件和雷達(dá)信號(hào)分選識(shí)別軟件組成[7]。通信信號(hào)載波恢復(fù)、調(diào)制參數(shù)特征提取、識(shí)別軟件利用通信偵察接收模塊輸出的中頻通信信號(hào)進(jìn)行采樣數(shù)據(jù),在事后構(gòu)建高精度載波恢復(fù)模塊和調(diào)制參數(shù)特征提取模塊,恢復(fù)通信信號(hào)的載波信息,恢復(fù)信號(hào)類型包括AM、SSB、FM、FSK、PSK;同時(shí)提取通信信號(hào)的調(diào)制參數(shù),調(diào)制類型包括AM、SSB、FM、FSK、PSK,調(diào)制參數(shù)包括調(diào)制指數(shù)、碼元速率、誤差矢量幅度[8];通信信號(hào)的分析過(guò)程包括預(yù)處理和信號(hào)處理兩部分,預(yù)處理模塊進(jìn)行信道化及分發(fā)等處理,數(shù)字處理模塊配置高速FPGA和DSP芯片,實(shí)現(xiàn)對(duì)帶數(shù)據(jù)的寬帶偵察、識(shí)別等工作[9]。

雷達(dá)信號(hào)分選識(shí)別軟件主要是完成雷達(dá)信號(hào)的事后分選和分析,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)輻射源的識(shí)別,雷達(dá)信號(hào)分選識(shí)別過(guò)程包括預(yù)處理和主處理。預(yù)處理完成信號(hào)的去交錯(cuò)脈沖分選,主處理完成信號(hào)的詳細(xì)分選與參數(shù)計(jì)算。

接口控制模塊負(fù)責(zé)擴(kuò)展分機(jī)的對(duì)外接口,如從PowerPC模塊經(jīng)VPX底板過(guò)來(lái)的2路千兆以太網(wǎng)接口、控制前端需要的RS422接口、接收GPS/匿影/秒脈沖、音頻輸出等。

標(biāo)頻模塊為各信道模塊提供統(tǒng)一的參考源時(shí)鐘,該模塊也可接入外部參考源時(shí)鐘信號(hào),實(shí)現(xiàn)內(nèi)部參考源和外部參考源時(shí)鐘信號(hào)的選擇切換。

PowerPC模塊上設(shè)計(jì)有高性能雙核CPU芯片,負(fù)責(zé)分機(jī)內(nèi)部資源的檢測(cè)識(shí)別、管理調(diào)度,并實(shí)現(xiàn)協(xié)議分析功能,同時(shí)負(fù)責(zé)接收和分解席位下發(fā)的指令,根據(jù)當(dāng)前需求為數(shù)字處理模塊加載相應(yīng)軟件,設(shè)置分機(jī)內(nèi)的各硬件模塊的工作參數(shù)等。

4結(jié)語(yǔ)

輻射源精確識(shí)別技術(shù)集成了通信及雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生與偵察,該技術(shù)應(yīng)用于電子偵察裝備,將大大提高電子對(duì)抗系統(tǒng)綜合偵察效能[10],可為輻射源指紋識(shí)別等革新技術(shù)在雷達(dá)與電子戰(zhàn)中的應(yīng)用研究提供基本的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái),可為電子目標(biāo)識(shí)別與應(yīng)用提供基本的支撐條件;通過(guò)構(gòu)建電子對(duì)抗信號(hào)環(huán)境模擬器和高保真度電子對(duì)抗偵察接收機(jī),模擬多種、多批次通信電臺(tái)、雷達(dá)發(fā)射的信號(hào),通過(guò)高保真度電子對(duì)抗偵察接收機(jī)接收,輸出保真度極高的中頻、視頻信號(hào),供輻射源指紋識(shí)別等科研課題的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)TN957.5

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.040

作者簡(jiǎn)介:孫希東,男,高級(jí)工程師,研究方向:電子對(duì)抗。李曉江,男,工程師,研究方向:電子對(duì)抗。

收稿日期:2015年9月9日,修回日期:2015年10月26日