基于E3238S的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張偉軍，郭怡惠，李 濤，朱洪生，吳永明

(中國人民解放軍95821部隊，甘肅 酒泉 732750)

0 引言

為了對電磁環(huán)境信號進行有效監(jiān)測，需要利用高掃描速度、高精度、高性能的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)一般由天伺饋分系統(tǒng)、信號接收分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)、主控分系統(tǒng)和配套保障設(shè)備等組成，其中信號處理分系統(tǒng)實現(xiàn)對電磁信號的采集、分選、識別與處理，該部分可采用ADC、DSP、FPGA等器件組成的板卡來實現(xiàn)，也可利用頻譜分析儀、示波器等儀器來實現(xiàn)，也可將板卡與儀器結(jié)合共同來實現(xiàn)。由于儀器的測量速度快、測量精度高，使用儀器來構(gòu)建電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成為常用的一種結(jié)構(gòu)形式。

在電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)配套使用的儀器中，E3238S“黑鳥”是典型代表，由安捷倫公司(現(xiàn)名是德科技)研制，主要優(yōu)點在于：1)具有先進的硬件體系架構(gòu)、高速搜索和高分辨率特性，能夠最大限度找到未知的信號；2)具有靈活的信號捕獲和分析功能，系統(tǒng)可以非常靈活地設(shè)置信號捕獲的條件，并對滿足條件的數(shù)據(jù)進行后期處理與分析；3)系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣，能廣泛應(yīng)用于電子偵察、頻譜監(jiān)測等領(lǐng)域。但其仍存在不足之處，主要體現(xiàn)在：1)測向功能不向中國開放，因此不能對信號測向；2)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)的時間有限，不能對感興趣頻段的信號進行連續(xù)監(jiān)測與存儲。因此需要進行設(shè)計，并進行適應(yīng)改進。本文采用E3238S儀器，配置了其他硬件設(shè)備，開發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)軟件，形成了一套完整的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電磁環(huán)境的監(jiān)測。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要重點實現(xiàn)測頻與測向功能，設(shè)計的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)硬件主要由寬帶接收天線陣列、寬帶接收本振分系統(tǒng)、測頻分系統(tǒng)、測向分系統(tǒng)及伺服分系統(tǒng)組成。

圖1 電磁信號監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

其中，寬帶接收天線陣列包括3個陣元的寬帶天線；寬帶接收本振分系統(tǒng)包括寬帶接收本振信號源、一分三本振功分器等單元部件；測頻分系統(tǒng)包括測頻射頻前端、固定中頻數(shù)字信道化高性能測頻接收機等單元部件，固定中頻數(shù)字信道化高性能測頻接收機，其內(nèi)部又包含中頻接收、A/D組件、測頻高速DSP處理組件、大容量高速數(shù)據(jù)接口等單元；測向分系統(tǒng)包括測向射頻前端、固定中頻數(shù)字雙通道測向接收機等單元部件；伺服分系統(tǒng)包括天線運動轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)臺控制驅(qū)動盒、天線安裝夾具等單元部件。

1.2 系統(tǒng)工作原理

伺服分系統(tǒng)在接收到監(jiān)測信號方位以及速度等參數(shù)后，使架設(shè)其上的天線陣對準(zhǔn)來波方向；測頻分系統(tǒng)主要完成頻率測試功能，包括頻率、功率、調(diào)制、脈寬、重頻、到達時間等參數(shù)分析；寬帶接收本振分系統(tǒng)內(nèi)本振信號源產(chǎn)生高穩(wěn)定度快速掃頻的本振信號，與固定中頻數(shù)字信道化高性能測頻接收機配合實現(xiàn)對全頻段信號的快速掃描接收。在固定中頻數(shù)字信道化高性能測頻接收機中，A/D組件完成中頻信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換；測頻高速DSP處理組件能實現(xiàn)搜索與窄帶信號處理兩大功能，以實現(xiàn)信號有無、頻率、功率、調(diào)制、脈寬等參數(shù)的分析；大容量高速數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)偵察數(shù)據(jù)及分析結(jié)果由DSP處理組件到主控平臺的上傳。從而實現(xiàn)對頻率、功率、調(diào)制、脈寬、重頻、到達時間等參數(shù)的全面測量。

測向分系統(tǒng)主要完成到達角測試。測向射頻前端完成兩路下變頻；寬帶接收本振分系統(tǒng)內(nèi)本振信號源產(chǎn)生高穩(wěn)定度快速掃頻的本振信號，與固定中頻數(shù)字雙通道測向接收機配合實現(xiàn)對全頻段信號的快速接收測向。在固定中頻數(shù)字雙通道測向接收機中，兩路A/D組件完成中頻信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換；測向高速DSP處理組件能實現(xiàn)窄帶中頻信號的FFT變換和比相處理功能，以實現(xiàn)信號到達角參數(shù)的分析；大容量高速數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)測向分析結(jié)果由DSP處理組件到主控平臺的上傳。從而實現(xiàn)對雷達信號到達角的測量。

測頻分系統(tǒng)和測向分系統(tǒng)有機配合，從而實現(xiàn)對雷達信號的頻率、功率、調(diào)制、脈寬、重頻、到達時間、到達角等參數(shù)較為全面地測量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 寬帶接收天線陣列

寬帶接收天線陣列主要功能是對空間的雷達信號進行接收。采用三元陣天線陣列形式。天線單元主要采用寬帶夾脊喇叭，完成對射頻信號的接收，選擇貨架產(chǎn)品ETS寬帶天線3115來實現(xiàn)，頻率范圍是1～18 GHz，駐波系數(shù)不大于1.5。

2.2 寬帶接收本振分系統(tǒng)

寬帶接收本振分系統(tǒng)主要功能是產(chǎn)生測頻、測向分系統(tǒng)所需的本振信號，可采用數(shù)字直接合成+鎖相環(huán)(DDS+ PLL)結(jié)構(gòu)，主要考慮DDS信號源具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、相位噪聲低等優(yōu)良性能，通過PLL的窄帶濾波特性可以減少雜散輸出，因此DDS+PLL的結(jié)構(gòu)能滿足頻率源的使用要求。

在具體實施中，為保證電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)寬帶接收本振的調(diào)頻速度、調(diào)頻精度等指標(biāo)、性能的先進性，直接利用高端頻譜分析儀內(nèi)部的寬帶接收本振信號源作為系統(tǒng)的寬帶接收本振信號源，選擇型號為Agilent E4440A信號源。

2.3 測頻分系統(tǒng)

該分系統(tǒng)中的測頻射頻前端，主要由低噪放大器、下變頻器和濾波器組成。低噪放大器的設(shè)計主要是輸入輸出和級間匹配電路的設(shè)計。為兼顧噪聲系數(shù)和增益，一般低噪聲放大器輸入級按最佳噪聲匹配設(shè)計，級間匹配和輸出匹配按最大增益匹配。低噪聲放大器由兩級低噪聲放大器級聯(lián)而提高增益；下變頻器屬于頻率搬移器件，它將輸入的射頻接收信號與本振信號混頻，產(chǎn)生中頻信號。考慮到E4440A性能優(yōu)越、指標(biāo)優(yōu)秀、接口豐富，因此利用E4440A內(nèi)部的射頻前端作為測頻射頻前端是十分適合的。

該分系統(tǒng)中的固定中頻數(shù)字信道化高性能測頻接收機利用E3238S來實現(xiàn)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 E3238S儀器硬件結(jié)構(gòu)

E3238S的核心模塊主要包括ADC模塊和DSP模塊。ADC模塊采用E1439D，該模塊是高性能采樣器，為信號的監(jiān)測提供了高寬帶、低失真采樣。其采樣率為95 MHz/s，具有0～36 MHz的可調(diào)帶寬；采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)置的數(shù)字濾波進行濾波，降低了噪聲，提高了信噪比。E1439D的高采樣率，產(chǎn)生了190 MB/s的數(shù)據(jù)，利用光纖接口傳輸數(shù)據(jù)，光口的數(shù)據(jù)傳輸率為250 MB/s。DSP模塊采用E9821A DSP處理卡，可配置三對雙DSP模塊，每個模塊內(nèi)置512 M內(nèi)存，可再配置1塊32通道的數(shù)字下變頻模塊，用于多信道的信號解調(diào)。在信號搜索方式下，DSP模塊用作并行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)10 GHz/s高速掃描速度；在信號解調(diào)方式下，其中1個DSP模塊用于36 MHz帶寬中頻信號的搜索，其余DSP通過配置DDC(數(shù)字下變頻)模塊對信號進行精細(xì)化處理。

2.4 測向分系統(tǒng)

測向分系統(tǒng)組成如圖3所示。其工作過程為：首先使用兩路寬帶接收天線單元接收空間電磁輻射信號，然后雙通道測向射頻前端對接收信號進行下變頻，配合本振快速掃頻信號源，將射頻信號變至固定中頻70 MHz，然后利用固定中頻數(shù)字雙通道測向接收機進行A/D變換和信號處理，利用比幅、比相測角原理，測得該頻率信號到達角參數(shù)。

圖3 測向分系統(tǒng)組成框圖

該分系統(tǒng)中的雙通道測向?qū)拵漕l前端主要由兩路低噪放、兩路下變頻器、兩路中頻濾波器及功分器等組成。低噪聲放大器采用Hittite公司的HMC460LC5，在工作頻段上其典型增益為14 dB，噪聲系數(shù)約為2.5 dB。下變頻器是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，選用雙平衡混頻器Agilent 85320B，采用基波和3次諧波混頻形式。中頻濾波電路選用LC濾波器實現(xiàn)。

該分系統(tǒng)中的固定中頻數(shù)字雙通道測向接收機主要完成雷達信號的到達角參數(shù)測量，形成信號特征字送至主控平臺進行信號識別與顯示。固定中頻數(shù)字雙通道測向接收機由兩路A/D組件、高速DSP處理組件、大容量高速數(shù)據(jù)接口等組成。其中A/D組件采用AD6645第四代寬帶模/數(shù)轉(zhuǎn)換器配合輔助電路完成；高速DSP處理組件由多片XC6VLX130T#FPGA和TS201 DSP實現(xiàn)。

2.5 伺服分系統(tǒng)

伺服分系統(tǒng)主要實現(xiàn)天線在方位向的運動。系統(tǒng)軟件通過自動控制的工作方式對轉(zhuǎn)臺進行控制，天線運動轉(zhuǎn)臺采用貨架產(chǎn)品。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)軟件需要具備以下功能：1)需要根據(jù)用戶界面設(shè)置的參數(shù)，實現(xiàn)對E3238S儀器、E4440A儀器以及系統(tǒng)其他硬件進行控制的功能；2)需要獲取E3238S儀器測量數(shù)據(jù)、天線運動轉(zhuǎn)臺位置反饋等信息。

獲取E3238S儀器測量數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)功能最為關(guān)鍵的部分。由于E3238S系統(tǒng)配有N6820E軟件，如果系統(tǒng)軟件能通過接口與N6820E軟件建立通信聯(lián)系，并對E3238S系統(tǒng)進行控制，整個系統(tǒng)的開發(fā)將容易實現(xiàn)。考慮到N6820E軟件采用Motif編程來實現(xiàn)，Motif是建立在X-Windows之上的一個圖形用戶界面產(chǎn)品，它以X-Window作為顯示模型和窗口模型。為了對其進行調(diào)用，可采用Motif編程，或基于N6820E提供的socket接口用其它高級語言來編程，后者比前者更容易實現(xiàn)。因此，經(jīng)過比較分析，系統(tǒng)軟件采用Visual Studio VB結(jié)合Measurement studio 8.6混合編程來實現(xiàn)。

3.2 軟件模塊

系統(tǒng)軟件采用功能模塊化技術(shù)，使各個模塊獨立完成各自功能，模塊之間通過接口來實現(xiàn)監(jiān)測功能。主要分為以下模塊：用戶權(quán)限管理、設(shè)備控制、監(jiān)測數(shù)據(jù)讀寫、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、測試結(jié)果顯示、狀態(tài)反饋、異常響應(yīng)。

各模塊主要功能是：1)用戶權(quán)限管理模塊：主要完成對用戶名、密碼、用戶權(quán)限的管理，防止非法用戶對系統(tǒng)進行操作;2)設(shè)備控制模塊：主要實現(xiàn)對E3238S儀器、E4440A儀器和轉(zhuǎn)臺的通信與控制，將用戶設(shè)置的參數(shù)傳給儀器和轉(zhuǎn)臺，控制儀器和轉(zhuǎn)臺的設(shè)置與工作狀態(tài);3)監(jiān)測數(shù)據(jù)讀寫：主要將E3238S儀器測量的數(shù)據(jù)、測向結(jié)果通過LAN傳給控制計算機，控制計算機將數(shù)據(jù)予以保存;4)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理：主要完成以下功能：(1)功率校準(zhǔn)。根據(jù)天線增益、電纜損耗，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行功率標(biāo)準(zhǔn)，獲得準(zhǔn)確的信號功率幅度；(2)數(shù)據(jù)處理。對校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進行分析與處理，以獲得頻譜數(shù)據(jù)的中心頻率，帶寬、幅度等信息;5)測試結(jié)果顯示模塊：將測量的頻率、方向等數(shù)據(jù)進行實時顯示;6)狀態(tài)反饋模塊：主要將儀器的狀態(tài)信息，如正在監(jiān)測的頻段，監(jiān)測所用時間、轉(zhuǎn)臺當(dāng)前角度等信息，反饋給用戶;7)異常響應(yīng)模塊：主要是在儀器處于異常狀態(tài)或測量數(shù)據(jù)錯誤時，將信息反饋給用戶。

3.3 工作流程

用戶通過軟件界面，將需要發(fā)送的指令及參數(shù)通過socket接口發(fā)送給在后臺運行的N6820E軟件，并通過該接口獲得E3238S測量的數(shù)據(jù)；另一方面，軟件對測向系統(tǒng)進行控制，從而獲得對應(yīng)信號的到達角。軟件工作流程如圖4所示。

圖4 軟件工作流程圖

3.4 系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)功能

該軟件設(shè)計能將E3238S儀器+N6820E軟件具有的優(yōu)勢將完全發(fā)揮出來，具體表現(xiàn)為：1)高效的電磁頻譜監(jiān)測與分析。E3238S能對復(fù)雜電磁環(huán)境中的頻譜分布、信號帶寬、信號占有率、功率、調(diào)制參數(shù)等信息進行分析。E3238S具有高靈敏度和快速掃描速度的特點，高動態(tài)范圍下，保證了大小信號的無失真快速記錄。軟件提供了不同分辨帶寬的設(shè)置、不同的平均設(shè)置、多種的門限條件設(shè)置等功能，保證記錄的準(zhǔn)確性；2)多種判決方法捕獲特殊信號。軟件提供了多種檢測信號門限設(shè)置功能，用于捕獲各種信號。主要的判決方法有：電平判決、電磁譜背景判決、噪聲自適應(yīng)判決、用戶自定義，如圖5所示。儀器在監(jiān)測過程中，如發(fā)現(xiàn)超過門限的信號，就自動記錄，并提供信息報告。另外，儀器利用信號特征識別功能，提高了信號捕獲的準(zhǔn)確性；3)信號識別、記錄、解調(diào)功能。儀器提供手動記錄和自動記錄兩種方式，記錄捕獲的信號，便于事后分析。既可以記錄時域數(shù)據(jù)，也可以記錄頻域數(shù)據(jù)。記錄的信號支持硬件回放和軟件回放，復(fù)現(xiàn)監(jiān)測信號的狀態(tài)。另一方面，通過對未知信號進行調(diào)制識別，能給出調(diào)制類型、符號率、帶寬等信息；4)多通道信號記錄。在窄帶模式下，儀器可以對多達96個通道的信號頻譜進行監(jiān)測與記錄；5)多種圖表顯示。儀器提供多窗口和縮放功能，以解決測量分辨率和顯示分辨率的矛盾，能以多種不同圖表形式，綜合顯示監(jiān)測信息，如圖6所示。

圖5 多種判決方法

圖6 多種窗口顯示

4 試驗結(jié)果與分析

為了對系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果進行驗證，在內(nèi)場搭建了測試環(huán)境，主要硬件包括雷達模擬器、轉(zhuǎn)臺、被測試的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，如圖7所示。測試的主要內(nèi)容包括：頻率精度測試、頻率輸出范圍測試、信號幅度測試、適應(yīng)信號類型測試等。測試方法為：利用雷達模擬器產(chǎn)生指定頻率、幅度、類型的輻射信號，通過轉(zhuǎn)臺模擬某一角度的輻射信號，利用設(shè)計的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，將監(jiān)測的結(jié)果與設(shè)置的參數(shù)進行比對分析。

圖7 測試環(huán)境示意圖

在某次測試中，設(shè)置雷達模擬器依次產(chǎn)生4～6 GHz，頻率步進0.5 GHz的射頻信號，在每個頻點使發(fā)射天線的伺服機構(gòu)轉(zhuǎn)動范圍為0～3°，信號經(jīng)過天線輻射后，由監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示?？梢?，系統(tǒng)能對信號的頻率、到達角、幅度進行準(zhǔn)確測試。

圖8 測試結(jié)果界面

進一步測試的結(jié)果表明，系統(tǒng)達到的主要技術(shù)參數(shù)為：1)監(jiān)測頻率范圍：1～18 GHz；2)測頻精度：≤0.1 MHz；3)測向精度：≤3°(r.m.s)；4)系統(tǒng)靈敏度：≤-90 dBm；5)掃描速度：4 GHz /s(RBW=15 kHz)；6)適應(yīng)信號類型：連續(xù)波、單脈沖、線性調(diào)頻、脈沖多普勒、頻率捷變、重頻參差等。

總體上來看，該系統(tǒng)性能較為優(yōu)異，但系統(tǒng)利用了E3238S配套的N6820E軟件，存在一些不足之處，主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)難以實現(xiàn)對系統(tǒng)底層硬件的靈活控制，對N6820E軟件的功能拓展也較為困難。

5 結(jié)束語

目前，利用測量速度快、測量精度高的儀器來構(gòu)建電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)已成為常用的結(jié)構(gòu)形式。本文利用先進的E3238S儀器，增配其他硬件形成完整的系統(tǒng)硬件，開發(fā)了對應(yīng)系統(tǒng)軟件，充分發(fā)揮了E3238S儀器的優(yōu)勢，最終實現(xiàn)的測量系統(tǒng)具有測量精度高、速度快、穩(wěn)定性好、測向精度高、能長時間存儲測量數(shù)據(jù)等優(yōu)點，能滿足電磁環(huán)境監(jiān)測的需要。隨著新型高性能儀器的出現(xiàn)，與之結(jié)合的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的性能將更一步提高。