基于實時頻譜分析技術(shù)的短波發(fā)信監(jiān)測設(shè)備*

柳　穎　劉　峰　邱　幸

(海軍七〇二廠　上?！?00434)

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基于實時頻譜分析技術(shù)的短波發(fā)信監(jiān)測設(shè)備*

柳穎劉峰邱幸

(海軍七〇二廠上海200434)

論文介紹了實時頻譜分析技術(shù)，利用該技術(shù)研制具備短波猝發(fā)信號監(jiān)測功能的短波發(fā)信監(jiān)測設(shè)備。該設(shè)備具有安裝方便，操作簡單以及不介入發(fā)射系統(tǒng)進行發(fā)射信號監(jiān)測的特點。

超快速通信;猝發(fā)信號;實時頻譜分析;捕獲概率

Class NumberTM935

1　引言

短波通信是艦艇綜合通信系統(tǒng)重要組成部分，打造藍水海軍，要求短波無線通信能夠在大區(qū)域、遠距離進行可靠通信。短波信道環(huán)節(jié)多，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都影響通信效果，而實時監(jiān)測艇外輻射信號是保障短波通信成功的重要手段。研制短波發(fā)信監(jiān)測設(shè)備能及時、準確地監(jiān)測本艦(艇)發(fā)射的短波信號，供指揮員及時掌握本艦(艇)的通信狀況；該設(shè)備可在極短的時間內(nèi)，及時準確地捕捉到包括短波猝發(fā)信號在內(nèi)的短波射頻信號，經(jīng)瞬間取樣、處理后，顯示發(fā)射頻率、發(fā)射功率及輻射程度。該設(shè)備采用成熟技術(shù)，具有顯示直觀，使用方便等特點，可廣泛應(yīng)用于包括猝發(fā)通信在內(nèi)的短波射頻信號監(jiān)測的環(huán)境和場所。

通常，發(fā)射機發(fā)送的射頻信號要通過天線調(diào)諧器、天線互換裝置、天線控制開關(guān)、射頻電纜和天線等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會造成發(fā)信效果不好或發(fā)信失敗。掃描式頻譜儀可以監(jiān)測持續(xù)時間較長的短波射頻信號，但不能監(jiān)測瞬時射頻信號。目前超快速通信，只能靠重復(fù)發(fā)信和多點接收來保證信息的可靠性，增加了潛艇暴露的風險，使?jié)撏У碾[蔽性大打折扣，潛艇的突擊能力受到嚴重影響。因此，研制的采用實時頻譜分析技術(shù)的短波發(fā)信監(jiān)測設(shè)備，可輔助潛艇猝發(fā)通信值班員視情決定是否進行重復(fù)發(fā)信，減少潛艇無線電通信次數(shù)，提高潛艇隱蔽性。該監(jiān)測設(shè)備不僅具備高頻瞬時射頻信號監(jiān)測功能，并具有安裝方便，操作簡單，能與中央控制臺進行通信，以及不介入發(fā)射系統(tǒng)進行發(fā)射信號監(jiān)測的特點。

2　實時頻譜分析技術(shù)

實時頻譜分析是近幾年發(fā)展起來的一種新的信號分析技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電磁信號的實時觸發(fā)，無縫地捕捉信號，還能夠在多個域中分析信號。隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，實時頻譜分析技術(shù)也取得了許多重大進展、應(yīng)用范圍也越來越廣[9]。其核心技術(shù)包括實時觸發(fā)、無縫捕獲和多域分析技術(shù)。在不斷的發(fā)展變化中又衍生出新的信號處理技術(shù)，豐富了實時頻譜分析技術(shù)的應(yīng)用[4]。實時頻譜分析儀是隨著現(xiàn)代FPGA技術(shù)發(fā)展起來的一種新式頻譜分析儀，與傳統(tǒng)頻譜儀相比，它的最大特點在于在信號處理過程中能夠完全利用所采集的時域采樣點，從而實現(xiàn)無縫的頻譜測量及觸發(fā)[7]。由于實時頻譜儀具備無縫處理能力，使得它在頻譜監(jiān)測、研發(fā)診斷以及雷達系統(tǒng)設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用[5]。

持續(xù)時間較長的高頻射頻信號可以采用傳統(tǒng)掃描式頻譜儀來監(jiān)測，但對持續(xù)時間較短或猝發(fā)信號無法實現(xiàn)監(jiān)測。目前潛艇短波通信為了提高隱蔽性都采用持續(xù)時間較短或猝發(fā)信號進行通信，因此對該類型信號的檢測只能通過快速譜分析技術(shù)來對其進行監(jiān)測。

實時頻譜分析系統(tǒng)在硬件上具備多路信號同時采集的能力，采集到的射頻信號首先變換成中頻，再對中頻信號進行調(diào)整、A/D采樣，然后對采樣得到的跨度內(nèi)的時域數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換(FFT)，得到頻域數(shù)據(jù)。而頻譜分析則借鑒軟件無線電的設(shè)計思想，最大限度地利用軟件來分析各種信號，實現(xiàn)頻譜分析的各項功能[1]。快速譜分析處理直接在FPGA中用硬件FFT實現(xiàn)，有效提高了設(shè)備處理速度，能夠?qū)Τ掷m(xù)時間較短或猝發(fā)信號進行快速譜分析技術(shù)，提取信號頻率參數(shù)和發(fā)射功率參數(shù)。

3　總體技術(shù)方案

3.1系統(tǒng)工作原理

短波發(fā)信監(jiān)測設(shè)備可對各種短波發(fā)射機的瞬時發(fā)射信號通過磁接收天線進行非介入式的監(jiān)測。磁接收天線安裝在艙內(nèi)，與短波發(fā)信監(jiān)測設(shè)備之間通過電纜相連。監(jiān)測結(jié)果可以存儲在測試設(shè)備中，也可以通過RS485總線與中央控制臺進行通信。

短波發(fā)信監(jiān)測設(shè)備主要由磁接收天線、模擬前端、瞬時寬帶處理、主控單元和電源單元組成。由于發(fā)射信號是猝發(fā)的短波信號，所以傳統(tǒng)掃描式頻譜測量方式不適合，必須采用實時頻譜測量方式。短波發(fā)信監(jiān)測設(shè)備的電原理框圖如圖1所示。

圖1　短波發(fā)信監(jiān)測設(shè)備電原理框圖

3.1.1磁接收天線

磁天線是在鐵氧體制成的磁棒上繞制線圈制成的。磁天線安裝在天線根部饋線電纜附近位置，用以接收天線發(fā)射信號時饋線電纜泄漏的輻射信號。信號發(fā)射的功率越大，饋線電纜泄漏的輻射信號也就越強。磁天線在使用時不介入系統(tǒng)運行，艇內(nèi)安裝方便。

磁接收天線與監(jiān)測設(shè)備之間信號傳輸采用雙層纏繞編織屏蔽電纜，屏蔽效果為-100dB，同時監(jiān)測設(shè)備通過電纜線向磁接收天線提供12V的工作電源，供磁接收天線內(nèi)部的放大電路使用。磁天線采用垂直極化的極化方式[8]，工作帶寬2MHz～30MHz，有源增益大于等于10dB。接收短波全頻率帶寬在2MHz～30MHz的磁性天線目前英國、澳大利亞等有成品出售，價格高，體積較大，不滿足使用要求。本次設(shè)計選用具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)合磁性介質(zhì)，改進線圈的繞制方法，在保證接收帶寬的前提下有效縮小了天線體積。目前設(shè)計的磁接收天線的尺寸為14cm×10cm×8cm。

3.1.2模擬前端

模擬前端的工作原理如圖2所示。磁天線接收的信號進入模擬前端，經(jīng)衰減器、帶通濾波、放大后，再進行模擬變頻處理，變到中心頻率40MHz,帶寬2MHz的中頻，經(jīng)放大和帶通濾波，送到采樣處理部分。

3.1.3瞬時寬帶處理

瞬時寬帶處理部分是實時帶寬分析的核心部分，也是設(shè)備硬件設(shè)計的重點部分，包括：采樣、數(shù)字濾波、FFT處理兩個部分。瞬時寬帶處理部分的工作原理如圖3所示。采樣部分對IF信號進行數(shù)字化，采用帶通采樣，采樣頻率6MHz,對于中心頻率40MHz,帶寬100kHz的IF中頻信號進行采集，采集來的數(shù)據(jù)送到FPGA里進行處理，完成數(shù)字濾波、FFT、功率測量、判定功率是否滿足要求值、儲存測量的值等；處理后的結(jié)果送系統(tǒng)控制器。其中FPGA主要功能是完成數(shù)字濾波、FFT處理和觸發(fā)電平檢測[6]。

圖2　模擬前端部分

圖3　瞬時寬帶處理部分

傳統(tǒng)的頻譜測量使用超外差接收機，以中頻帶寬為步進從低頻到高頻進行掃頻。短波通信信道寬帶一般為3kHz，為了有效測量信道功率，頻率分辨率(RBW)必須要≤1kHz，中頻濾波器一般采用調(diào)諧式高斯模式的帶通模擬濾波器，其形狀因子k值一般都在2～3以上，取k=2，頻率分辨率(RBW)取200Hz，50kHz的掃寬(SPAN)掃描時間：

當掃寬為50kHz時，掃描時間ST=100ms，這么長的掃描時間顯然無法測量10ms短促脈沖信號。因此必須采用FFT快速計算的頻譜測量方式，由于發(fā)射信號頻率范圍已知，所以測試儀在測試參數(shù)設(shè)置時以被測信號頻率為中心頻率，監(jiān)測該中心頻率50kHz范圍內(nèi)的輻射情況。為兼顧接收靈敏度、測量速度、頻率分辨率和電路的復(fù)雜性及成本，綜合考慮模擬IF的瞬時帶寬取100kHz，中頻帶通采樣頻率取6MHz,在采樣后首先進行數(shù)字濾波成50kHz的瞬時帶寬，滿足指標要求；FFT的長度取32768點，頻率分辨率為6MHz/32768=183.1Hz，對于每一幀，采集時間(1/6MHz)*32768=5.46ms，32768點進行抽取濾波和FFT處理時間為小于1ms，加上測量運算和相關(guān)電路控制開銷1ms,每幀總處理時間約為7.5ms，亦即在選擇好測量頻段后，可連續(xù)以7.5ms的間隔監(jiān)測信號，或在觸發(fā)信號后7.5ms內(nèi)完成信號的測量。換言之，對于持續(xù)時間大于7.5ms的信號均可探測到，而對于持續(xù)時間大于10ms的信號則具有100%的截獲概率。

ADC器件采用凌特廠的LT2204-16器件，幅度精度16bit，采樣頻率最高40MHz，SNR可以達到79dBc，SFDR可以達到92dBc，模擬輸入帶寬達700MHz,指標能很好地滿足瞬時動態(tài)范圍80dB要求。系統(tǒng)參考時鐘采用10MHz恒溫晶振,經(jīng)時鐘處理和驅(qū)動后提供給ADC，從而保證ADC的轉(zhuǎn)換精度和良好的信噪比。

3.1.4觸發(fā)電路

觸發(fā)功能是在FPGA中完成。ADC轉(zhuǎn)換器將數(shù)字化的信號存入FPGA中的FIFO，連續(xù)采樣的數(shù)據(jù)流不斷地與系統(tǒng)設(shè)置的觸發(fā)電平進行比較，經(jīng)多次統(tǒng)計符合觸發(fā)條件即觸發(fā)，同時讀取FIFO中的一幀數(shù)據(jù)并進行處理。觸發(fā)處理模塊如圖4所示。

圖4　觸發(fā)電路硬件框圖

傳統(tǒng)的掃描式接收機或頻譜分析儀中觸發(fā)只是單一的功率電平，設(shè)定觸發(fā)電平，當信號的電平升到設(shè)置的電平時，啟動水平掃描，觀察到的信號是觸發(fā)后的信號。而本設(shè)備的觸發(fā)概念具有二維性質(zhì)，即頻率—電平，只有頻率和電平都達到設(shè)定條件時才觸發(fā)；另一個不同是：由于本設(shè)備是以數(shù)字方式處理信號，并具有大的內(nèi)存容量，所以可以捕獲觸發(fā)前及觸發(fā)后發(fā)生的事件。這樣就可以觀察到單次的指定的脈沖信號，不需要觀察的信號就可以丟棄。

完成這一觸發(fā)功能是在高速電路支持下，通過軟件完成。數(shù)字采集系統(tǒng)(ADC轉(zhuǎn)換器)將數(shù)字化的信號幅度和信號時間戳一起存入存儲器中。新樣點連續(xù)輸送到內(nèi)存中，最老的樣點將離開內(nèi)存，即FIFO。觸發(fā)到達時，采集停止，內(nèi)存內(nèi)容被凍結(jié)。

3.2系統(tǒng)軟件流程框圖

系統(tǒng)軟件流程框圖按信號處理過程給出，見圖5所示。

圖5　系統(tǒng)軟件流程框圖

實時頻譜軟件設(shè)計：軟件是基于實時操作系統(tǒng)的控制和分析軟件，是整個實時頻譜分析的最頂層的軟件。系統(tǒng)軟件負責配置分析軟硬件環(huán)境，使之互相匹配；根據(jù)用戶要求控制測量流程；在硬盤上存儲結(jié)果，以便進行后期的分析處理。系統(tǒng)軟件除對整個實時頻譜分析系統(tǒng)進行控制調(diào)度以外，還要提供全面的時域、頻域和調(diào)制域的信號分析功能。如：信號提取、頻譜分析、解調(diào)分析、參數(shù)測量、脈沖信號測試等[3]。

4　結(jié)語

實時頻譜分析不但具有一般頻譜分析的功能，而且還具有時間測量、實時頻譜、解調(diào)分析、發(fā)射參數(shù)測量、觸發(fā)捕獲等特殊功能[3]?；趯崟r頻譜分析技術(shù)研制的短波發(fā)信監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)?MHz～30MHz范圍內(nèi)射頻信號的頻率、幅度進行監(jiān)測；能夠監(jiān)測目前海軍的超快速通信發(fā)射的射頻信號；具有設(shè)置參考門限的功能，以判斷短波信號輻射強度是否滿足要求；輔助通信值班員判斷是否需要重復(fù)發(fā)信，增強了通信的隱蔽性。

[1]楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2001:2-3.

[2]鄭君里,應(yīng)啟珩,楊為理.信號與系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社,2009:107-128.

[3]劉玉軍,吳小東.實時頻譜分析原理與應(yīng)用[J].現(xiàn)代儀器,2009(2)：7-11.

[4]郭仕劍,陳曾平.實時頻譜分析技術(shù)在雷達信號偵查中的應(yīng)用[J].信號處理,2011(8)：1229-1233.

[5]趙仁才,顏龍,郭軍.短波信號實時頻譜分析儀設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2004,4(11):878-880.

[6]楊守建,沈一波,楊忠.基于FPGA和C8051F020的簡易實時頻譜分析設(shè)計[J].軟件設(shè)計開發(fā),2011,7(16):3884-3886.

[7]陳志坤,李勝.基于FPGA的頻譜分析設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電工程,2010,40:19-21.

[8]徐天東.無線電波水下接收[J].宇航計測技術(shù),2007(5):10-13.

[9]宿紹瑩,劉平,陳曾平.寬帶實時頻譜分析技術(shù)和研究[J].電子測量與儀器學報,2007(5):118-122.

[10]杜治蕓,王巍.基于DSP的數(shù)據(jù)采集和頻譜分析系統(tǒng)設(shè)計[J].山西電子技術(shù),2010(1):5-6.

HF Signal Monitoring Equipment Based on the Technology of Real-time Frequency Spectrum Analysis

LIU YingLIU FengQIU Xing

(702 Navy Factory,Shanghai200434)

In this paper,the key technologies of real-time spectrum analysis are introduced and used to design the monitoring equipment suitable for HF signal and burst signal.This equipment is very easy to be fixed and operated without entering the HF signal transmission system.

ultrafast communication,burst signal,real-time frequency spectrum analyzer,capture probability

2016年3月10日,

2016年4月27日

柳穎,女,碩士,工程師,研究方向：電路板自動測試和故障診斷技術(shù)。劉峰,男,碩士,高級工程師,研究方向：通信與系統(tǒng)。邱幸,女,助理工程師,研究方向：電路板自動測試和故障診斷技術(shù)。

TM935DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.028