易 波,畢術(shù)龍,耿西偉

(解放軍78118部隊,四川 成都 610051)

0 引言

電磁頻譜監(jiān)測是利用監(jiān)測設(shè)備對空中電磁信號的頻譜特性進(jìn)行測量與分析,以達(dá)到掌握空間電磁態(tài)勢,發(fā)現(xiàn)電磁干擾以及定位干擾源的目的。但無線電技術(shù)的發(fā)展給頻譜監(jiān)測工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。一方面無線電設(shè)備的密度日益增加,空中信號頻域密集,時域相互交疊,整個電磁環(huán)境呈現(xiàn)出密集性和動態(tài)性特征;另一方面,信號體制和調(diào)制越來越復(fù)雜,信號空中持續(xù)時間變短、頻帶變寬以及跳頻通信技術(shù)的推廣,增加了信號捕獲與識別的難度。

實(shí)時頻譜分析設(shè)備利用專門的高速計算芯片,將捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理,消除死區(qū)時間,真實(shí)展現(xiàn)空中電磁頻譜特性,及時發(fā)現(xiàn)空中瞬態(tài)信號,準(zhǔn)確測量信號參數(shù),更好地掌握空間信號的變化特征,有效提升頻譜監(jiān)測工作的質(zhì)量。

1 典型時變信號特征

通信、雷達(dá)等設(shè)備為達(dá)到抗干擾目的,普遍采用跳頻、線性調(diào)頻(Chirp信號)等時變體制,使得信號動態(tài)性明顯提升,增加了電磁環(huán)境監(jiān)測的難度。傳統(tǒng)超外差式和矢量信號分析儀均存在死區(qū)時間,因此無法準(zhǔn)確描繪空間信號的時變特征。

1.1 跳頻信號

跳頻是載波頻率在一定頻率范圍內(nèi)不斷跳變的擴(kuò)頻技術(shù),載頻跳變規(guī)律由偽隨機(jī)序列決定。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的全球移動通信系統(tǒng)(GSM)也是跳頻系統(tǒng),跳頻速率規(guī)定為217跳/s,而軍用跳頻電臺的跳頻速率更是達(dá)到上萬次/s。

跳頻信號數(shù)學(xué)模型表示如下:

式中:d()為已調(diào)信號;ω和分別為＜≤(1)范圍內(nèi)的載頻和相位;()為干擾噪聲。

跳頻系統(tǒng)發(fā)射信號數(shù)學(xué)模型表明跳頻信號系統(tǒng)具有高度的動態(tài)性,載頻頻率隨時間按偽隨機(jī)序列不斷變化。載頻頻率跳變的速率越快,頻率數(shù)目越多,跳頻圖案越復(fù)雜,則抗干擾性能也就越好,但給頻譜監(jiān)測工作帶來的挑戰(zhàn)也越大。圖1(a)給出了跳頻信號的跳頻圖案示例。

1.2 Chirp信號

Chirp信號是一種頻率隨時間線性變化的信號,具有較大時寬帶寬積,可有效解決探測距離和提高距離分辨率的矛盾,顯著提升系統(tǒng)抗干擾/雜波能力,在雷達(dá)和通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

Chirp信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:為Chirp信號的初始頻率;為Chirp信號的調(diào)頻斜率;為Chirp信號的初始相位。

Chirp信號時域波形圖和頻域頻譜圖如圖1(b)所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)頻率隨時間呈線性變化,利用傳統(tǒng)掃頻式分析技術(shù),當(dāng)掃描時間與Chirp信號變化時間不匹配時,只能觀察到幾個離散的頻點(diǎn),最大值保持雖然能看清頻譜全貌,但需要累積一定時間,且無法正確反映Chirp 時域特征,正確反映Chirp時頻特性需要頻譜監(jiān)測設(shè)備具備實(shí)時頻譜分析功能。

另外,隨著電子設(shè)備數(shù)量呈爆炸式增長,無線電設(shè)備的密度也越來越高,電磁信號在時域呈現(xiàn)交織,頻域呈現(xiàn)重疊特征,外加違規(guī)用頻或裝設(shè)備雜散,同頻干擾概率急劇增加。圖1(c)為Chirp信號和調(diào)頻信號頻率重疊時的頻譜圖,從圖中難以分辨出Chirp信號與調(diào)頻信號的頻率重疊現(xiàn)象。要真實(shí)描述空間中信號的電磁特征,頻譜監(jiān)測設(shè)備必須具備實(shí)時頻譜分析功能。

圖1 典型擴(kuò)頻信號頻譜圖

2 實(shí)時頻譜分析原理與重要工具

2.1 實(shí)時頻譜分析原理

實(shí)時頻譜分析實(shí)現(xiàn)基本電路如圖2所示。實(shí)時頻譜分析儀射頻前端與矢量信號分析儀相同,均將空中接收信號放大濾波后,再進(jìn)行下變頻。區(qū)別于矢量信號分析儀,實(shí)時頻譜分析技術(shù)擁有超高速的快速傅里葉變換(FFT)計算的專用集成電路(ASIC),保證FFT 計算時間小于信號捕獲時間(如圖3所示),從而實(shí)現(xiàn)信號快速無縫捕獲,達(dá)到實(shí)時效果。

圖2 實(shí)時頻譜分析技術(shù)基本電路圖

圖3 實(shí)時處理基本概念

2.2 數(shù)字熒光技術(shù)

數(shù)字熒光技術(shù)(DPX)通過將每秒數(shù)十萬幀的頻譜數(shù)據(jù)以位圖數(shù)據(jù)庫的形式積累,以顏色表示信號出現(xiàn)概率,并以人眼可反應(yīng)的速度更新頻譜軌跡。DPX 實(shí)質(zhì)就是將一段時間內(nèi)所有信號頻譜累計到1張位圖中,其數(shù)據(jù)處理過程如圖4(a)所示。矢量信號分析儀難以捕捉的短時信號能夠通過DPX 輕松觀測。

2.3 三維瀑布圖

三維瀑布圖用來描述空間信號頻率、時間與幅度三者變化情況,其數(shù)據(jù)處理流程如圖4(b)所示。圖中1條水平線代表1幀頻譜,其由個FFT 頻譜檢波加權(quán)獲得,取值與縱軸時間跨度相關(guān),幅度大小用顏色深淺表示。不同時刻頻譜從上往下依次排列(最新的幀位于頂部),從而連續(xù)表示出頻譜隨時間的變化情況。通過調(diào)整縱向時間刻度,并配合幅頻圖,可以便捷地測量信號頻率隨時間變化的規(guī)律、信號幅度,排查干擾信號等。

2.4 時頻圖

時頻圖是時頻聯(lián)合域分析的簡稱,是分析時變非平穩(wěn)信號的有力工具。以Chirp信號為例,其時頻圖如圖4(c)所示。相比三維瀑布圖,更容易發(fā)現(xiàn)頻率突變,具有更高的時間分辨率,是時變信號分析的重要工具。

2.5 時間功率圖

時間功率圖與掃頻式分析儀零掃寬功能類似,將中頻濾波器輸出信號進(jìn)行積分得到功率,對應(yīng)時刻表示在橫軸上。時頻圖從時間和功率角度展示接收信號功率隨時間變化關(guān)系。在時間功率圖中,橫軸表示時間,縱軸表示功率,以脈沖信號為例,其時間功率圖如圖4(d)所示,如果是連續(xù)波,其時間功率譜則是一條直線。

圖4 實(shí)時頻譜分析重要工具

3 基于實(shí)時頻譜分析的擴(kuò)頻信號監(jiān)測

為驗證實(shí)時頻譜分析技術(shù)在電磁環(huán)境信號監(jiān)測中的作用,利用2臺信號源(型號:是德33600A 和思議1465B)搭建擴(kuò)頻信號電磁環(huán)境,1臺實(shí)時頻譜分析儀(型號:RSA6114A)模擬監(jiān)測接收機(jī),系統(tǒng)原理如圖5(a)所示。

3.1 跳頻信號

跳頻信號的特點(diǎn)是載頻隨時間不斷跳變,準(zhǔn)確描述跳頻信號特征需要跳頻圖案、單跳持續(xù)時間以及信號幅度等信息。

利用是德33600A 列表發(fā)射功能,按表1 中的頻點(diǎn)循環(huán)發(fā)射信號,模擬跳頻信號。利用泰克實(shí)時頻譜分析RSA6114A 對其實(shí)施監(jiān)測,得到的監(jiān)測結(jié)果如圖5(b)所示。三維瀑布圖通過將每幀所采集的信號進(jìn)行傅里葉變化后,累計到1幀中,根據(jù)縱軸時間幀分辨不同,將多個幀累積顯示,因此信號持續(xù)時間大于數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣率,就能在三維瀑布圖中顯示。

表1 跳頻頻點(diǎn)序列表

在三維瀑布圖中清晰顯示了跳頻信號頻率與時間的關(guān)系,可以準(zhǔn)確描繪出跳頻圖案;利用marker功能可測量出單個信號的持續(xù)時間;將三維瀑布圖與幅頻圖相結(jié)合,可以測量出信號幅度值。上述工程表明跳頻信號的特征參數(shù)可以通過三維瀑布圖與幅頻圖準(zhǔn)確測量。

3.2 Chirp信號

Chirp信號以其大時寬帶寬積而在雷達(dá)探測中得到廣泛應(yīng)用,描述Chirp信號主要通過調(diào)頻斜率、脈寬以及功率等。圖5(c)展示了三維瀑布圖和時間功率圖下的Chirp信號。

從三維瀑布圖中可以清晰地讀出起始頻率、終止頻率以及脈寬與脈沖重復(fù)周期等參數(shù),同時利用時間功率譜圖可以對Chirp 信號峰值功率進(jìn)行測量,進(jìn)一步驗證信號脈寬。

3.3 同頻干擾信號

同頻或鄰頻干擾會對裝設(shè)備正常功能發(fā)揮產(chǎn)生重要影響,排除同頻干擾的第一步就是找出干擾信號頻率。三維瀑布圖能夠清晰展示非同時同頻出現(xiàn)信號的頻譜特征,對于排除同頻或鄰頻干擾具有重要意義。

圖5(d)展示了調(diào)頻信號與Chirp信號同頻干擾示意圖,從圖中可以清晰觀察出Chirp信號與調(diào)頻信號頻率,從而確定出干擾頻率。

圖5 實(shí)時頻譜分析對擴(kuò)頻信號監(jiān)測結(jié)果圖

除上述典型信號監(jiān)測以外,實(shí)時頻譜分析儀還具備頻率觸發(fā)模板,能實(shí)現(xiàn)對猝發(fā)信號的捕獲,并將觸發(fā)時間點(diǎn)前后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,便于后期分析處理。

4 結(jié)束語

實(shí)時頻譜分析技術(shù)能夠無縫捕獲空間中的電磁信號,只要給予足夠的存儲空間,實(shí)時頻譜分析設(shè)備就能夠十分準(zhǔn)確地描繪出空間特定頻段的電磁特性。未來戰(zhàn)場上,實(shí)時頻譜分析技術(shù)必將占有重要地位。