超短波寬帶信號偵察控守技術(shù)研究

魯東明

超短波寬帶信號偵察控守技術(shù)研究

魯東明

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

設(shè)計了一種超短波寬帶信號偵察控守接收技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對指定頻段范圍內(nèi)無線信號的實時偵察和控守解調(diào)。對信號進(jìn)行自主檢測，識別出其中的有效信號，提取參數(shù)特征，估計出信號的頻率、帶寬、信噪比、信號電平、出現(xiàn)時間、符號速率和調(diào)制方式等。并可對指定信號進(jìn)行采集、控守和盲解調(diào)，自主完成盲信號的頻率和相位同步。

超短波信號；偵察；控守解調(diào)；調(diào)制方式識別

0 引言

超短波通信是最常用的通信方式之一，裝備規(guī)模大、數(shù)量多、應(yīng)用廣泛，在戰(zhàn)術(shù)通信中有著十分重要的地位，超短波偵察設(shè)備作為偵察網(wǎng)中的重要支撐部分，地位不可取代，掌握了超短波信號的偵察分析，就能介入絕大多數(shù)的通信體制，為獲得信息優(yōu)勢提供基礎(chǔ)的支撐[1]。

為了滿足不同地點、不同頻段和不同格式的超短波信號偵察、控守，需要部署超短波偵察站的地點。超短波偵察設(shè)備種類與日俱增，采用傳統(tǒng)的人工操作方式完成各偵察站運(yùn)行及維護(hù)的方式成本較高，因此偵察站從原來的以人工操作為主的模式會逐漸過渡到自動化運(yùn)行的無人偵察站模式。

多個無人偵察站與一個運(yùn)管中心組成一個完整的偵察系統(tǒng)。無人偵察站的主要任務(wù)是依據(jù)運(yùn)管中心下發(fā)的任務(wù)計劃，自動調(diào)整、配置相關(guān)參數(shù)完成超短波信號的偵察采集、信號控守和信號的解調(diào)，將偵察及解調(diào)結(jié)果傳送到運(yùn)管中心，運(yùn)管中心收到各無人偵察站數(shù)據(jù)后進(jìn)行融合處理，形成統(tǒng)一的偵察態(tài)勢，將消息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有價值的情報。

1 超短波寬帶偵察接收設(shè)備

超短波寬帶偵察接收設(shè)備由硬件和分析處理軟件構(gòu)成，主要包括寬帶中頻處理卡、多路解調(diào)處理卡、設(shè)備機(jī)箱、電源模塊和顯控終端，可完成顯示控制功能、信號偵察功能和控守監(jiān)測功能的任務(wù)?？傮w框圖如圖1所示。

圖1 超短波寬帶偵察接收設(shè)備總體框圖

本文涉及的研究內(nèi)容主要分為超短波信號偵察和控守解調(diào)。

2 超短波信號偵察

首先，對全頻段/指定頻段頻譜掃描監(jiān)視，進(jìn)行時頻變換計算信號頻譜數(shù)據(jù)；然后對信號進(jìn)行快速檢測及截獲[2]；最后估計信號的頻率、帶寬、信噪比及信號電平等參數(shù)，再根據(jù)特征參數(shù)進(jìn)行調(diào)制方式識別。掃描檢測識別流程分為連續(xù)信號偵察處理流程和跳頻信號偵察處理流程。

2.1 連續(xù)信號偵察處理流程

連續(xù)信號偵察處理流程如圖2所示。

圖2 連續(xù)信號偵察處理流程圖

圖2中虛線為數(shù)據(jù)下發(fā)流程，實線為數(shù)據(jù)上傳流程。其中時頻變換和數(shù)字下變頻（Digital Down Converter，DDC）駐留在現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的邏輯處理部分，控制軟件和分析軟件駐留在FPGA的微處理器部分。

顯控終端下發(fā)掃頻指令，控制軟件解析后，控制接收通道的本振切換，進(jìn)行全頻段掃頻或指定頻段掃頻。數(shù)模轉(zhuǎn)換（Analog to Digital，ADC）將中頻的60 MHz帶寬信號進(jìn)行采集，采集到的信號經(jīng)DDC后進(jìn)行60 MHz的低通濾波（Low-Pass Filter，LPF）做時頻變換。時頻變換后的數(shù)據(jù)經(jīng)控制軟件回傳給顯控終端進(jìn)行實時顯示。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有用信號后，顯控軟件下發(fā)分析指令，控制軟件經(jīng)過解析后，下發(fā)DDC參數(shù)，配置DDC的本振、帶寬和采樣率，將DDC后的數(shù)據(jù)送給分析軟件，分析軟件分析出信號的載波頻率、碼速率、調(diào)制方式和信號電平等參數(shù)，并將參數(shù)上傳給顯控終端進(jìn)行顯示。

2.2 跳頻信號偵察處理流程

寬帶中頻跳頻信號處理流程如圖3所示。

圖3 跳頻信號偵察處理流程圖

跳頻信號處理流程與連續(xù)信號處理流程區(qū)別在于，時頻變換的快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）點數(shù)變?yōu)?096，采集濾波后信號不再經(jīng)過DDC，而是以同相/正交（In-phase/Quadrature，I/Q）數(shù)據(jù)形式直接送出，通過高速接口送給存儲模塊。

當(dāng)在連續(xù)模式下判斷出跳頻信號或需要鎖定某一頻段，通過數(shù)據(jù)積累發(fā)現(xiàn)跳頻信號[3]，則由顯控終端下發(fā)跳頻指令，將本振切換到某一頻段，對該頻段采集信號進(jìn)行4096點FFT，時頻數(shù)據(jù)上顯并進(jìn)行存儲分析。同時將I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，為進(jìn)一步分析跳頻信號進(jìn)行準(zhǔn)備[4]。

2.3 參數(shù)估計流程

完成信號時頻變換檢測后，根據(jù)信號實時頻譜檢測結(jié)果，選擇需要分析的信號進(jìn)行參數(shù)估計。當(dāng)信號幅度超過預(yù)設(shè)門限時，DDC模塊會按照信號當(dāng)前頻點進(jìn)行下變頻濾波，并將多個需要參數(shù)估計的信號進(jìn)行頻域分離，最后將分離后的信號送給參數(shù)估計模塊進(jìn)行參數(shù)估計與識別[5]。

參數(shù)估計與識別模塊采用高階統(tǒng)計量提取信號參數(shù)特征，基于特征匹配的方式完成信號調(diào)制類型的分類與依次識別[6]。

3 超短波信號控守解調(diào)

顯控終端將需要解調(diào)的信號的頻點、帶寬、調(diào)制方式等信息進(jìn)行下發(fā)，控制軟件解析后控制接收通道進(jìn)行本振切換，并將DDC所需的本振、帶寬和采樣率等參數(shù)下發(fā)給8路DDC模塊進(jìn)行配置，同時將調(diào)制方式、符號速率、解調(diào)均值等解調(diào)參數(shù)下發(fā)給解調(diào)模塊。每個解調(diào)模塊都需要能夠同時處理多種調(diào)制方式的解調(diào)。解調(diào)后的結(jié)果或解調(diào)前的I/Q數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口上傳給顯控終端。多路超短波信號控守解調(diào)處理流程如圖4所示。

圖4 控守解調(diào)處理流程圖

3.1 DDC設(shè)計

1）DDC流程設(shè)計

DDC完成60 MHz帶寬內(nèi)中頻有用信號的下變頻、抽取和濾波。其步驟分為LPF、抽取、LPF三個步驟。其中第一個LPF為高采樣率下的LPF，第二個LPF為抽取后低采樣率下的LPF[7]。DDC實現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 DDC流程圖

由于瞬時帶寬60 MHz，采樣后的60 MHz帶寬信號首經(jīng)過復(fù)數(shù)下變頻，之后直接進(jìn)行級聯(lián)積分梳狀濾波器（Cascaded Integrator Comb，CIC）抽取。CIC抽取后將數(shù)據(jù)速率將為原先的倍。CIC抽取濾波器的抽取倍數(shù)可根據(jù)要求，由上位機(jī)下發(fā)。CIC抽取濾波可抽取倍數(shù)介于4～8192倍之間，為保證抽取后帶內(nèi)信號在3 dB以內(nèi)，抽取后采樣率不得低于符號速率的16倍。抽取后數(shù)據(jù)符號速率降為（120/）Msps，CIC抽取后經(jīng)過兩級半帶（Half-Band，HB）濾波，最后一級LPF完成有用信號的濾波提取，濾波器系數(shù)可根據(jù)帶寬要求，由上位機(jī)下發(fā)。整個有用信號提取過程中信號變化如圖6所示。

圖6 DDC頻譜變化示意圖

由于模擬ADC采樣變頻后，60 MHz帶寬范圍信號映射為-30～30 MHz。假設(shè)下變頻后有用信號中心頻率為0 MHz，帶寬2 MHz，在5 MHz處也有一個1 MHz帶寬的信號。為了提取出0 MHz的基帶信號，濾除5 MHz處信號，首先信號經(jīng)過CIC抽取進(jìn)行降速。為保證帶內(nèi)信號衰減在3 dB以內(nèi)，抽取后采樣率不得低于信號帶寬16倍?？蓪⑿盘栠M(jìn)行6倍抽取，抽取后符號速率降為20 Msps。抽取過程中，5 MHz處的信號得到一定抑制，但仍沒有完全濾除。此時為了完全濾除5 MHz信號，需要進(jìn)行LPF。而為了降低濾波器的階數(shù)，必須在此之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步降速，因此必須在低通濾波前進(jìn)行半帶濾波，以降低數(shù)據(jù)速率。

半帶濾波后，低通濾波器在10 Msps下設(shè)計。根據(jù)兩個信號的載波頻率和帶寬，將濾波器的通帶設(shè)為1 MHz，截止頻率設(shè)為4 MHz，將5 MHz處的信號完全濾除。

2）參數(shù)設(shè)置

ADC采樣率后由于CIC抽取濾波器的主瓣會隨著抽取倍數(shù)的提升迅速下降，為了保證通帶衰減在3 dB以內(nèi)，抽取的倍數(shù)必須滿足抽取后采樣率為信號帶寬的16倍以上[8]。本文抽取后采樣率為符號速率的20倍，之后經(jīng)過兩級半帶濾波，抽取為信號帶寬5倍，送到后級進(jìn)行解調(diào)或輸出。

3.2 解調(diào)設(shè)計

信號解調(diào)一般采用相干解調(diào)方式，接收端需要恢復(fù)一個與發(fā)射端調(diào)制信號同頻同相的相干載波，因此需要對接收信號進(jìn)行載波同步和位同步。本文針對非合作解調(diào)場景，采用基于判決反饋環(huán)的數(shù)字鎖相技術(shù)實現(xiàn)載波同步，通過數(shù)字鎖相位同步環(huán)實現(xiàn)位同步[9]。

1）載波同步設(shè)計

載波恢復(fù)用于校正載波頻差及相位抖動，以恢復(fù)相干載波。本文采用判決反饋方法來恢復(fù)載波，判決反饋恢復(fù)載波方法利用了判決后的信息，性能優(yōu)于非判決反饋載波恢復(fù)，基于判決反饋環(huán)的數(shù)字鎖相技術(shù)原理如圖7所示。

圖7 基于判決反饋環(huán)的數(shù)字鎖相環(huán)

首先，將判決前的采樣點與判決后的采樣點進(jìn)行復(fù)相關(guān)運(yùn)算，提取相位誤差，再通過環(huán)路濾波器和數(shù)字控制振蕩器（Numerically Controlled Oscillator，NCO），將相位誤差補(bǔ)償?shù)奖镜剌d波中，以糾正頻偏和相偏。

2）位同步設(shè)計

位同步分兩種情況：當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為多比特數(shù)據(jù)流時，需要同時滿足最佳判決時刻與位同步定時脈沖的功能；另一種情況是輸入數(shù)據(jù)為單比特數(shù)據(jù)流時，只需要確定位定時脈沖的頻率即可。因此，需要通過合適的同步方法調(diào)整接收端的判決時鐘，達(dá)到最佳判決效果[10]。數(shù)字鎖相環(huán)位同步法，是通過鑒相器調(diào)整位同步信號的相位逼近接收信號相位，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時使本地信號與接收信號的相位一致，該方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單，在FPGA中實現(xiàn)容易且資源要求低。數(shù)字鎖相環(huán)主要由鑒相器、控制器、分頻器和時鐘變換電路組成，原理框圖如圖8所示。

圖8 數(shù)字鎖相環(huán)位同步圖

本文使用超前—滯后型數(shù)字鎖相環(huán)，其鑒相器在每一個周期內(nèi)將輸入信號與本地估算信號進(jìn)行相位比較，從而得到兩者的相位差[11]。然后，將輸出的相位誤差送到環(huán)路濾波器，產(chǎn)生加速或減速脈沖控制信號，用來改變數(shù)控振蕩器的高速時鐘周期和相位，使得本地估算信號的相位向輸入信號相位逼近。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種針對超短波寬帶信號的偵察及控守解調(diào)方法，能對全頻段/指定頻段頻譜掃描監(jiān)視，對信號進(jìn)行快速檢測及截獲，同時估計信號的頻率、帶寬、信噪比及信號電平等參數(shù)，再根據(jù)特征參數(shù)完成調(diào)制方式識別；還可以對目標(biāo)信號進(jìn)行控守解調(diào)，設(shè)置采樣頻點、帶寬及速率完成數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)字DDC，再根據(jù)解調(diào)帶寬和調(diào)制方式進(jìn)行模擬/數(shù)字信號解調(diào)。隨著戰(zhàn)場電磁對抗的日益激烈，該技術(shù)應(yīng)用前景廣闊[12]。

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Research on Ultra-Short Wave Wideband Signal Reconnaissance and Control

LU Dongming

Wideband ultra-short waves signal detection, control and defense receiving technology is designed, which can realize real-time detection and demodulation of wireless signals in a specified frequency band. Carry on the independent detection to the signal, identify the effective signal among them, extract the parameter characteristic, the frequency, bandwidth, signal-to-noise ratio, signal level, occurrence time, symbol rate and modulation mode of the signal are estimated. And it can collect, control and demodulate the specified signal, and realize the frequency and phase synchronization of the blind signal independently.

Ultra-Short Wave Signal; Reconnoitre; Control and Mediation; Modulation Mode Identification

TN975

A

1674-7976-(2023)-06-431-05

2023-07-26。

魯東明（1994.10—），河南長垣人，碩士，工程師，主要研究方向為信號處理。

“陜西省2022年重點研發(fā)計劃”項目（2022ZDLGY03-03）