監(jiān)測(cè)接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉傳棟，陳安軍，韓連龍

（中電科儀器儀表公司,山東青島,266555）

0 引言

通常的無線電監(jiān)測(cè)工作大致分為兩類，分別是常規(guī)監(jiān)測(cè)和專項(xiàng)監(jiān)測(cè)。常規(guī)監(jiān)測(cè)是指以掌握空中電磁頻譜使用情況為目的的監(jiān)測(cè)任務(wù)，執(zhí)行該任務(wù)需要監(jiān)測(cè)接收機(jī)對(duì)指定頻段進(jìn)行掃描，在掃描結(jié)果的基礎(chǔ)上，查找出異常信號(hào)，將其結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的合法已批頻點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，找出非法發(fā)射信號(hào)。專項(xiàng)監(jiān)測(cè)是指以單獨(dú)分析一個(gè)信號(hào)的各類特征為目的的特定監(jiān)測(cè)任務(wù)，執(zhí)行該任務(wù)時(shí)需要監(jiān)測(cè)接收機(jī)對(duì)發(fā)現(xiàn)的非法發(fā)射信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)信號(hào)的分析，確定信號(hào)的基本參數(shù)（如頻率、頻率誤差、發(fā)射功率、發(fā)射帶寬等指標(biāo)），對(duì)發(fā)射標(biāo)識(shí)進(jìn)行識(shí)別確定，必要時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、監(jiān)聽。為同時(shí)滿足上述兩種應(yīng)用需求，一個(gè)理想的信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)解決方案必須具備以下三種能力：寬頻段的快速、高分辨率掃描能力；強(qiáng)大的異常信號(hào)判斷能力；完備的信號(hào)分析能力。

其中，具備寬頻段的快速、高分辨率的掃描能力讓用戶在常規(guī)監(jiān)測(cè)時(shí)盡可能地發(fā)現(xiàn)突發(fā)的瞬態(tài)信號(hào)及近噪微弱信號(hào)，從而提高信號(hào)的截獲概率；強(qiáng)大的異常信號(hào)判斷能力可以方便的從掃描信號(hào)中自動(dòng)識(shí)別出非法信號(hào)發(fā)射，這樣用戶可以重點(diǎn)關(guān)注這些信號(hào)，而不是從眾多信號(hào)中發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)。完備的信號(hào)分析能力為用戶在專項(xiàng)監(jiān)測(cè)時(shí)了解信號(hào)的復(fù)雜本質(zhì)提供了有效工具。

1 方案設(shè)計(jì)

信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)的設(shè)計(jì)首先要實(shí)現(xiàn)寬頻段的快速、高分辨率掃描能力，設(shè)計(jì)要求為：分辨率帶寬2.3kHz下，掃描速度不低于3GHz/s。傳統(tǒng)掃頻設(shè)備掃描速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到該指標(biāo)要求，目前最先進(jìn)的掃頻設(shè)備是安捷倫公司的PXA信號(hào)接收機(jī)N9030，該設(shè)備在掃寬為3GHz，分辨率帶寬2.3kHz時(shí)，掃描時(shí)間為628s，距離1s的要求差距巨大。為達(dá)到信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)的設(shè)計(jì)要求，就需要設(shè)計(jì)一種全新的儀器平臺(tái)。

在傳統(tǒng)的技術(shù)方案中，獲得一定頻率范圍內(nèi)的頻譜有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是掃描調(diào)諧式分析，另外一種是FFT式分析。

掃描調(diào)諧式分析基于外差式接收原理，通過混頻得到所要求的頻點(diǎn)信息，通過更改本振信號(hào)來達(dá)到一個(gè)頻段的測(cè)量。掃描就是不斷改變本振信號(hào)，使得本振信號(hào)剛好掃過一個(gè)頻段達(dá)到測(cè)量目的。在這種技術(shù)方案中，掃速取決于分辨率濾波器的響應(yīng)速度，并且受限于YIG調(diào)諧振蕩器的掃描速度，其掃速可由下式估算：掃速≈0.8×RBW2（RBW為分辨率帶寬）。由該公式可以看出，在RBW比較小的時(shí)候，掃描速度會(huì)非常慢，當(dāng)分辨率帶寬為2.3kHz，掃描速度只有4.23kHz/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足寬頻段、快速、高分辨率掃描的要求。

FFT式分析儀中，RBW濾波器具有極快的響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)FFT分析儀在窄帶情況下比掃頻分析式快，而寬帶分析時(shí)要保證同樣的分辨率則FFT總計(jì)算量耗時(shí)相當(dāng)可觀，同時(shí)最大分析帶寬還受模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速度的限制。鑒于此，F(xiàn)FT分析儀通常只應(yīng)用于有限帶寬的頻譜掃描，一般帶寬范圍在幾十M左右，無法滿足監(jiān)測(cè)分析全頻段監(jiān)測(cè)的要求。

由上述論述可見，兩種掃描方式各有特點(diǎn)，在各自的應(yīng)用領(lǐng)域都是可行的解決方案，但應(yīng)用于信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)中，兩種掃描方式都無法滿足要求。

1.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)，如圖1所示，權(quán)衡考慮兩種分析方式各自的特點(diǎn)，分別汲取兩種設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)后設(shè)計(jì)了一種新型的高速并行掃描處理方式：高速調(diào)諧超外差接收+多DSP并行FFT分析，通過大步進(jìn)的快速調(diào)諧超外差接收，發(fā)揮其在寬頻段掃描上的優(yōu)勢(shì)；在相互銜接的調(diào)諧步進(jìn)點(diǎn)上采用多DSP并行處理的方式進(jìn)行FFT分析，發(fā)揮其在高分辨率頻譜處理上的優(yōu)勢(shì)。在完整的掃描頻段上接收前端快速調(diào)諧的同時(shí)多DSP并行的進(jìn)行FFT分析，由主機(jī)程序進(jìn)行頻譜無縫拼接，得到完整的掃描頻譜。

圖1 信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)整機(jī)原理

該設(shè)計(jì)除了可以完成高分辨率、快速掃描外，還兼顧了信號(hào)分析功能。分析時(shí)，調(diào)諧超外差接收通路部分工作在固定調(diào)諧狀態(tài)，接收通路完成信號(hào)下變頻至中頻信號(hào)，信號(hào)處理部分對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)輸出基帶正交數(shù)字信號(hào)（IQ數(shù)據(jù)），通過PCI總線傳至CPU內(nèi)存中，然后由CPU通過軟件算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析。

基于本方案設(shè)計(jì)的信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)工作流程如圖2.2所示，信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)通過寬頻段的快速、高分辨率的掃描，對(duì)設(shè)定的頻段進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)過程中對(duì)監(jiān)測(cè)的頻段超過閾值門限的異常信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)的異常信號(hào)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，確定是否為非法發(fā)射信號(hào)。發(fā)現(xiàn)不明發(fā)射后，通過接收通路的固定調(diào)諧接收，由主機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，利用信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)的信號(hào)分析功能對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

圖2 信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)工作流程

1.2 硬件平臺(tái)技術(shù)方案

信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)硬件平臺(tái)方案如圖3所示，主要由微波毫米波接收變頻單元、高速中頻采集單元、DSP實(shí)時(shí)信號(hào)處理單元、合成本振單元、主機(jī)軟件單元等部分構(gòu)成，各單元的基本功能如下：

圖3 信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)框圖

微波毫米波接收變頻單元是信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)的信號(hào)通路部分，由步進(jìn)衰減器、低波段混頻通路、高波段混頻通路、信號(hào)濾波等處理電路構(gòu)成，它將天線接收的9kHz～50GHz信號(hào)變換到中心頻率為75MHz的中頻信號(hào)。高速中頻采集單元對(duì)75MHz中頻信號(hào)進(jìn)行高速采集，同時(shí)完成寬帶數(shù)字下變頻或多信道的窄帶數(shù)字下變頻處理。DSP實(shí)時(shí)信號(hào)處理單元是信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)算部分，對(duì)寬帶數(shù)字下變頻器或多信道窄帶數(shù)字下變頻器輸出的信號(hào)進(jìn)行各種實(shí)時(shí)FFT處理操作等。合成本振單元為微波毫米波接收變頻單元提供多級(jí)混頻所需的高純本振信號(hào)。主機(jī)軟件單元是信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)的核心控制部分，負(fù)責(zé)整機(jī)硬件的驅(qū)動(dòng)，軟件程序的調(diào)度，人機(jī)界面的交互，同時(shí)進(jìn)行快速傅立葉變換、多閾值信號(hào)檢測(cè)、通信信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別、雷達(dá)信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別、多域參數(shù)關(guān)聯(lián)分析、信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、音頻解調(diào)等軟件處理。

1.3 軟件總體方案

信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)軟件采用自頂向下，分層設(shè)計(jì)的方法。對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行分層，每一層屏蔽下一層的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，為上層提供統(tǒng)一的服務(wù)。如圖4所示，設(shè)計(jì)分為三層，分別為交互層、分析處理層、驅(qū)動(dòng)層。

圖4 整機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖

交互層由通用的交互模塊組成，它負(fù)責(zé)接收用戶的操作指令，返回儀器的處理結(jié)果，實(shí)現(xiàn)與用戶的隨機(jī)交互。這個(gè)交互式模塊將遠(yuǎn)程控制和本機(jī)顯示界面統(tǒng)一為一個(gè)整體，通過遠(yuǎn)地、本地兩種途徑最終改變的如果是本模塊自身的狀態(tài)（如：顯示相關(guān)的狀態(tài)）時(shí)，模塊直接進(jìn)行處理；如果改變的是整機(jī)的狀態(tài)時(shí)（如：改變中心頻率），將接收的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)處理（如：參數(shù)合法化），向分析處理層傳遞。由于模塊需要控制多種外圍接口，包括網(wǎng)絡(luò)控制器、GPIB控制器、USB-Target控制器，USB鍵盤控制器等，模塊也包含了這些接口的控制部分，控制部分基于控制器的驅(qū)動(dòng)程序完成接口控制功能。

分析處理層接收交互模塊傳送的儀器狀態(tài)，完成具體的信號(hào)分析與處理操作。它主要由主控模塊、多閾值信號(hào)檢測(cè)模塊、多域參數(shù)關(guān)聯(lián)分析模塊、通信信號(hào)調(diào)制參數(shù)識(shí)別模塊、雷達(dá)信號(hào)調(diào)制參數(shù)識(shí)別模塊、通用功能模塊構(gòu)成。主控模塊和通有功能模塊是兩個(gè)服務(wù)模塊，其中，主控模塊負(fù)責(zé)初始化系統(tǒng)，創(chuàng)建、管理、協(xié)調(diào)系統(tǒng)中的各個(gè)功能模塊，解析用戶指令，調(diào)用相應(yīng)的分析模塊完成指定的功能。通用功能模塊為各個(gè)分析模塊提供通用的功能服務(wù)，它按照功能單一、高內(nèi)聚、低耦合的原則，將儀器中涉及到的通用功能劃分成獨(dú)立的子模塊，組成通用功能庫(kù)，提供給各個(gè)分析模塊直接調(diào)用，這些通用功能子模塊主要包括：通路校準(zhǔn)、誤差修正、跟蹤補(bǔ)償、硬件驅(qū)動(dòng)控制、GPS定位等。分析處理層通過驅(qū)動(dòng)層將控制信息發(fā)送給硬件設(shè)備，硬件設(shè)備將采集的信息通過驅(qū)動(dòng)層返回給分析處理層。

驅(qū)動(dòng)層由各種驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成，是上層與硬件設(shè)備的連接紐帶，為上層的硬件訪問提供了完全透明的接口，降低了各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)難度，提高了代碼的通用性。

2 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)通過下拉式菜單、快捷按鈕、傳統(tǒng)菜單和眾多對(duì)話框?qū)崿F(xiàn)與用戶的友好交互，掃描檢測(cè)的界面如圖5所示。

圖5 掃描檢測(cè)的界面

對(duì)掃描得到的頻譜數(shù)據(jù)通過自動(dòng)閾值的方式進(jìn)行能量檢測(cè)，如圖6所示。

圖6 能量檢測(cè)的界面

對(duì)發(fā)現(xiàn)的非法信號(hào)發(fā)射進(jìn)行信號(hào)分析得到其調(diào)制格式。

圖7 信號(hào)分析的界面

根據(jù)企標(biāo)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了掃描速度的測(cè)試。測(cè)試方法：信號(hào)源1頻率2GHz，功率10dBm；信號(hào)源2頻率3GHz，功率0dBm。利用檢波器對(duì)75MHz中頻信號(hào)檢波，示波器測(cè)量檢波器輸出。在不同的分辨率帶寬下得到的測(cè)試結(jié)果。

表1 信號(hào)分析的界面

通過上述的實(shí)驗(yàn)可以看出，本設(shè)計(jì)的掃描速度在RBW為2.3kHz時(shí)，掃描速度為4.13 GHz/s，高于指標(biāo)RBW為2.3kHz時(shí)，掃描速度為3GHz/s的要求，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

通過統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證能量檢測(cè)和信號(hào)識(shí)別的可靠性，實(shí)驗(yàn)方法：信號(hào)源輸出頻率1GHz，調(diào)制格式為AM調(diào)制的信號(hào)，功率為0dBm，依次改變信號(hào)源功率和調(diào)制格式。信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)檢測(cè)到信號(hào)，然后用信號(hào)識(shí)別得到信號(hào)的調(diào)制格式。

經(jīng)過對(duì)上述方法進(jìn)行的大量數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，當(dāng)被識(shí)別信號(hào)的信噪比滿足如下條件時(shí)，正確識(shí)別率能夠達(dá)到90%以上。

對(duì)AM、FM、ASK、2FSK、4FSK、BPSK信號(hào)，信噪比大于10dB ；對(duì) 8FSK、16FSK、QPSK、OQPSK、Pi/4QPSK 信號(hào)，信噪比大于15dB；對(duì)8PSK、16PSK、16QAM、32QAM信號(hào)，信噪比大于20dB；對(duì)64QAM、128QAM、256QAM信號(hào)，信噪比大于25dB。

3 總結(jié)和展望

本文對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)接收機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，重點(diǎn)研究了監(jiān)測(cè)信號(hào)接收機(jī)中的關(guān)鍵軟件技術(shù)。文中的所有技術(shù)均在最新國(guó)產(chǎn)某型信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)中得到應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的研究重點(diǎn)是：

（1）繼續(xù)提高頻譜掃描的速度。

從本論文的快速掃描設(shè)計(jì)中，可以看出掃速的提高還是有一定的空間的。本振切換的時(shí)間，在步進(jìn)不同時(shí)，實(shí)際上是有差異的。而在本論文中的軟件控制中，使用了固定的3ms等待時(shí)間，后續(xù)可以根據(jù)步進(jìn)的不同，改變此等待時(shí)間提高掃描的速度。同時(shí)DSP中FFT算法的優(yōu)化，降低FFT譜運(yùn)算時(shí)間，也可以提高掃描速度。

（2）調(diào)試識(shí)別算法的改進(jìn)。

本論文中設(shè)計(jì)的調(diào)制識(shí)別算法是基于特征統(tǒng)計(jì)的識(shí)別算法，目前基于神經(jīng)元的識(shí)別算法，成為調(diào)制識(shí)別的研究熱點(diǎn)，后繼可以考慮在神經(jīng)元識(shí)別算法上進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高調(diào)制識(shí)別的正確概率。