基于軟件無線電平臺的電子偵察系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(中國人民解放軍92941部隊(duì)94分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

電子偵察系統(tǒng)在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中扮演著十分重要的角色，是獲取敵方目標(biāo)、通信等情報(bào)的主要技術(shù)手段，可為針對敵方目標(biāo)實(shí)施電磁干擾或者精確打擊提供重要依據(jù)。近幾年來，隨著軟件無線電(SDR)技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在無線通信系統(tǒng)應(yīng)用上取得的巨大成功，采用軟件無線電的思想設(shè)計(jì)電子偵察系統(tǒng)也成為了一種新的思路。

NI的軟件無線電平臺結(jié)合了先進(jìn)的射頻收發(fā)儀和LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境，可用于快速開發(fā)無線系統(tǒng)。本文采用的USRP RIO軟件無線電平臺用途十分廣泛，不僅可用于無線通信系統(tǒng)的快速開發(fā)，還可用于動態(tài)頻譜接入、認(rèn)知無線電、頻譜感知、波束成形、雷達(dá)系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域[1-2]。目前國內(nèi)外已有多所知名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)利用基于USRP + LabVIEW的軟件無線電平臺進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，如加州大學(xué)伯克利分校Milos等設(shè)計(jì)的一種協(xié)作式MIMO[3]、韓國國家交通大學(xué)Yooho Shin等人設(shè)計(jì)的IEEE 802.11p收發(fā)儀[4]、東南大學(xué)陽析等設(shè)計(jì)的基于NI 平臺的大規(guī)模MIMO 5G原型驗(yàn)證系統(tǒng)[5]、北京郵電大學(xué)謝軒設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程人臉識別系統(tǒng)[6]以及張騫等設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)無線電頻譜Web發(fā)布系統(tǒng)[7]等。

本文旨在利用USRP RIO軟件無線電平臺實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電子戰(zhàn)中電子偵察原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)頻譜掃描、實(shí)時(shí)頻譜顯示、單通道駐守、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回放和參數(shù)分析等電子偵察系統(tǒng)常用的功能，并可以此為基礎(chǔ)快速驗(yàn)證電子偵察系統(tǒng)中的參數(shù)識別算法性能。

1 電子偵察原型系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

本文設(shè)計(jì)的小型雙通道電子偵察原型系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示，主要由PXI機(jī)箱、PXI嵌入式控制器模塊、數(shù)據(jù)交互模塊、USRP RIO軟件無線電平臺以及接收天線組成，其中PXI嵌入式控制器模塊采用數(shù)字信號處理器可完成若干調(diào)制格式和介入模式的解調(diào)和編碼，同時(shí)也可完成產(chǎn)生上變頻，轉(zhuǎn)換成模擬波形進(jìn)行放大和帶通濾波?？刂破髂K和數(shù)據(jù)交互模塊是以板卡形式插入PXI機(jī)箱的插槽中的，USRP RIO通過PCIe高速線纜連接到數(shù)據(jù)交互模塊。PXI嵌入式控制器模塊內(nèi)嵌Windows操作系統(tǒng)，可運(yùn)行LabVIEW軟件開發(fā)環(huán)境和上位機(jī)控制軟件；USRP RIO實(shí)現(xiàn)了對射頻信號的偵收和基帶數(shù)據(jù)采集功能，并通過數(shù)據(jù)交互模塊與上位機(jī)控制軟件進(jìn)行基帶數(shù)據(jù)的傳遞。

圖1 電子偵察系統(tǒng)原型硬件組成

1.2 USRP RIO軟件無線電平臺

NI的USRP RIO軟件無線電平臺提供了集成的硬件和軟件解決方案，可快速構(gòu)建高性能無線通信系統(tǒng)。每臺USRP RIO都有兩個(gè)射頻收發(fā)信道(RF0和RF1)，且每個(gè)信道都是I、Q兩路數(shù)據(jù)采集，USRP RIO內(nèi)部還使用了一片Xilinx Kintex-7系列芯片進(jìn)行信號處理。USRP RIO的體積只有不到1U空間的一半大小，其硬件實(shí)物圖及內(nèi)部架構(gòu)分別如圖2和圖3所示。從圖3可以看出，USRP RIO的內(nèi)部架構(gòu)主要由信號處理電路、總線控制電路、存儲器、模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和兩個(gè)射頻通道組成。

圖2 USRP RIO軟件無線電平臺硬件實(shí)物圖

圖3 USRP RIO軟件無線電平臺內(nèi)部架構(gòu)

USRP RIO的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理過程及數(shù)據(jù)流向如圖4所示[5]，在接收端，天線接收信號后進(jìn)行正交下變頻，通過ADC進(jìn)行采樣獲得I、Q兩路基帶數(shù)據(jù)，然后在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)I/Q平衡、頻率偏移與分?jǐn)?shù)抽取，然后對信號進(jìn)行處理(可自定義)，并通過DMA FIFO上傳數(shù)據(jù)到上位機(jī)軟件進(jìn)行處理與顯示；在發(fā)射端，上位機(jī)將基帶數(shù)據(jù)通過DMA FIFO下傳到FPGA內(nèi)部的信號處理模塊(可自定義)，對數(shù)據(jù)完成處理之后再進(jìn)行分?jǐn)?shù)內(nèi)插、頻率偏移、I/Q平衡等處理，然后轉(zhuǎn)換成I、Q兩路基帶調(diào)制信號，通過DAC進(jìn)行數(shù)模變換，最后再將基帶信號上變頻到射頻，并通過天線發(fā)射出去。收發(fā)本振分別采用不同的鎖相環(huán)(PLL)進(jìn)行控制，通過上位機(jī)可配置為中心頻點(diǎn)在1.2～6 GHz的射頻信號。

圖4 USRP RIO內(nèi)部數(shù)據(jù)處理過程及數(shù)據(jù)流向

本文采用了USRP 2943R軟件無線電平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 USRP 2943R主要指標(biāo)參數(shù)

2 電子偵察原型系統(tǒng)功能及軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能描述

小型雙通道電子偵察原型系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對L/S/C(1.2～6 GHz)頻段內(nèi)電磁信號的偵察、接收、采集與分析功能，可實(shí)現(xiàn)一路掃描偵察和一路駐守采集。掃描通道實(shí)現(xiàn)了在可配置的起始頻率與截止頻率之間的頻段內(nèi)對電磁信號進(jìn)行掃頻偵收，并將掃描頻段內(nèi)的全頻譜信息顯示在上位機(jī)軟件界面上。操作人員可依據(jù)全頻譜信息設(shè)置采集通道的接收本振，實(shí)現(xiàn)對感興趣信號的采集功能。該軟件還可對采集到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與參數(shù)識別，還可用于引導(dǎo)干擾設(shè)備產(chǎn)生干擾信號。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電子偵察原型系統(tǒng)采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，主要由兩部分組成：掃描偵收與采集軟件和數(shù)據(jù)回放分析軟件，軟件界面設(shè)計(jì)如圖5所示，分為掃描偵收與采集控制界面(圖5左)和數(shù)據(jù)回放與分析界面(圖5右)兩個(gè)組成部分。

圖5 小型雙通道電子偵察系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)

軟件總功能及各部分軟件的功能如圖6所示。掃描偵收與采集軟件主要實(shí)現(xiàn)對硬件設(shè)備工作參數(shù)的配置、系統(tǒng)工作狀態(tài)指示、實(shí)時(shí)頻譜顯示以及信號數(shù)據(jù)采集控制；數(shù)據(jù)回放與分析軟件主要實(shí)現(xiàn)對信號采集數(shù)據(jù)的回放、頻譜分析以及參數(shù)識別。

圖6 電子偵察原型系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過掃描偵收與采集軟件主控界面可設(shè)置掃描通道起始頻率和截止頻率、采集通道本振、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)、參考電平、數(shù)據(jù)記錄控制以及數(shù)據(jù)文件存儲路徑等多個(gè)參數(shù)，同時(shí)可顯示全頻段頻譜圖、掃描通道瞬時(shí)功率譜、采集通道功率譜、采集通道波形數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)工作狀態(tài)指示等內(nèi)容。由于USRP RIO可支持1.2～6 GHz共4.8 GHz的頻段，瞬時(shí)處理帶寬最大為120 MHz，需要通過掃頻的方式以實(shí)現(xiàn)全頻段頻譜分析。本方案中設(shè)計(jì)掃頻步進(jìn)與采樣率相同，為100 MSps，每5 ms切換一次本振，按照100 MHz掃頻步進(jìn)計(jì)算，掃描整個(gè)頻段需要240 ms的時(shí)間。操作人員可以根據(jù)全頻段頻譜圖將采集通道本振設(shè)置成感興趣的頻點(diǎn)，在采集通道功率譜和采集通道IQ數(shù)據(jù)顯示部分觀察感興趣信號的頻譜和時(shí)域波形，如圖7所示，同時(shí)可以打開數(shù)據(jù)記錄按鈕將數(shù)據(jù)存儲到硬盤上。

圖7 掃描偵察與采集軟件主控界面顯示效果

數(shù)據(jù)回放與分析軟件可對信號采集數(shù)據(jù)進(jìn)行回放和分析，識別其時(shí)域參數(shù)、頻域參數(shù)以及調(diào)制參數(shù)，同時(shí)顯示某一段數(shù)據(jù)的幅度譜、平方譜以及時(shí)頻譜等頻域信息，針對實(shí)際采集的一段脈沖信號進(jìn)行分析的結(jié)果如圖8所示。該信號由信號源產(chǎn)生，脈寬設(shè)置為20 μs，重頻設(shè)置為40 μs，采集通道本振與實(shí)際信號源輸出頻率相差10 MHz，識別結(jié)果分別為脈寬20.06 μs，重頻40 μs，載頻10.00 MHz，信號調(diào)制體制識別結(jié)果為單頻信號，參數(shù)估計(jì)結(jié)果正確。

圖8 針對實(shí)際采集的信號分析結(jié)果顯示

3 參數(shù)識別算法設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的小型雙通道電子偵察原型系統(tǒng)可對信號的脈沖寬度(脈寬)、重復(fù)頻率(重頻)、調(diào)制體制、載頻、碼率、帶寬進(jìn)行估計(jì)，其中脈寬和重頻主要適應(yīng)雷達(dá)脈沖信號，調(diào)制體制、載頻、碼率主要適應(yīng)幾種典型的數(shù)字調(diào)制信號。

3.1 脈寬與重頻估計(jì)算法

脈寬與重頻識別算法設(shè)計(jì)如圖9所示，主要由信號檢測、檢波、脈沖前后沿統(tǒng)計(jì)、脈寬重頻計(jì)算和平均值統(tǒng)計(jì)五個(gè)部分。信號檢測主要通過時(shí)域和頻域手段結(jié)合的方式，在確定信號有無的同時(shí)輸出檢波結(jié)果，然后根據(jù)檢波信號檢測所有上升沿和下降沿的位置，相鄰上升沿之間的時(shí)間間隔為重頻，相鄰上升沿與下降沿之間的時(shí)間間隔為脈寬，將測量結(jié)果中相差很小的結(jié)果認(rèn)為是一個(gè)值，統(tǒng)計(jì)一組數(shù)據(jù)中多次測量結(jié)果中出現(xiàn)次數(shù)最多的測量值，作為脈寬和重頻結(jié)果的估計(jì)值。

圖9 脈寬與重頻估計(jì)算法

3.2 調(diào)制體制、載頻與碼率聯(lián)合估計(jì)算法

調(diào)制體制、載頻與碼率聯(lián)合估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)了對單頻信號和BPSK、QPSK/OQPSK、8PSK、MSK/GMSK幾種常用數(shù)字通信調(diào)制信號的分類和參數(shù)識別功能。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)分析[8-9]，這幾種數(shù)字調(diào)制信號的頻譜分別具有如表2所示的特征(不考慮零頻處的頻譜)，可用于進(jìn)行分類。

表2 不同信號類型頻譜特征

基于表2的分析，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于頻譜-平方譜-四次方譜聯(lián)合分析的調(diào)制體制識別與載頻、碼率估計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)流程如圖10所示，具體算法步驟如下：

Step 1：對采樣信號通過過零檢測法粗略估計(jì)信號載頻，同時(shí)計(jì)算信號的歸一化幅度譜、歸一化平方譜和歸一化四次方譜；

Step 2：根據(jù)載頻粗估結(jié)果計(jì)算一倍載頻(fc)、二倍載頻(2fc)和四倍載頻(4fc)的頻譜位置，并以此提取幅度譜fc±fc/2范圍內(nèi)的頻譜(Spectrum1)、提取平方譜2fc±fc/2范圍內(nèi)的頻譜(Spectrum2)、提取四次方譜4fc±fc/2范圍內(nèi)頻譜(Spectrum3)和0～fc范圍內(nèi)的頻譜(Spectrum4)；

Step 3：統(tǒng)計(jì)Spectrum1～Spectrum3和歸一化平方譜中的過門限譜峰個(gè)數(shù)，分別為N1、N2、N3、N4，同時(shí)依據(jù)下面的決策表進(jìn)行調(diào)制方式的判決以及載頻和碼率的估計(jì)。

表3 調(diào)制識別與載頻、碼率估計(jì)決策表

圖10 基于頻譜-平方譜-四次方譜聯(lián)合分析的調(diào)制體制識別與載頻、碼率估計(jì)算法

3.3 信號帶寬估計(jì)算法

信號帶寬估計(jì)采用能量集中法，其軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖11所示，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

Step 1：對采樣信號進(jìn)行載頻估計(jì)(參考前面載頻估計(jì)的算法)和頻譜變換，獲得信號的幅度譜以及載頻在幅度譜上的位置。

Step 2：對幅度譜上所有的點(diǎn)求平方和S，作為接收帶寬內(nèi)的信號能量；

Step 3：設(shè)載頻在幅度譜上的位置為I，以I為中心向兩邊擴(kuò)展，設(shè)擴(kuò)展參數(shù)為i，計(jì)算幅度譜在(I-i，I+i)范圍內(nèi)的點(diǎn)的平方和P，作為搜索帶寬內(nèi)的信號能量；

Step 4：計(jì)算比值P/S，若P/S≥90%，則進(jìn)行Step 5，提取信號帶寬估計(jì)值；若P/S<90%，則令i=i+1，若i=I，則進(jìn)行Step6；若i

Step 5：信號帶寬為(I-i，I+i)范圍內(nèi)的帶寬，設(shè)幅度譜的頻率分辨率為Δf，則信號帶寬為2iΔf，帶寬估計(jì)完成，該帶寬估計(jì)結(jié)果置信度高；

Step 6：信號帶寬為2IΔf，帶寬估計(jì)完成，但該帶寬估計(jì)結(jié)果置信度低。

圖11 帶寬估計(jì)算法軟件設(shè)計(jì)流程

4 電子偵察原型系統(tǒng)無線測試試驗(yàn)

4.1 無線測試試驗(yàn)環(huán)境搭建

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的電子偵察原型系統(tǒng)的基本功能，本文采用了無線試驗(yàn)環(huán)境，主要試驗(yàn)設(shè)備如表4所示。

表4 無線測試試驗(yàn)環(huán)境主要設(shè)備列表

無線測試試驗(yàn)設(shè)備連接圖如圖12所示，采用兩臺USRP RIO軟件無線電設(shè)備，一臺作為數(shù)字通信原型系統(tǒng)，可模擬典型的通信系統(tǒng)，包括BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK、MSK和GMSK調(diào)制以及OFDM通信系統(tǒng)，另外一臺作為電子偵察原型系統(tǒng)，對通信系統(tǒng)的信號進(jìn)行偵察采集和參數(shù)識別。

圖12 無線測試試驗(yàn)環(huán)境設(shè)備連接圖

4.2 無線測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果

試驗(yàn)過程中分別測試了偵收采集不同調(diào)制體制的信號，對其中一次的部分采集數(shù)據(jù)回放及分析結(jié)果如圖13所示。本次測試中通信原型系統(tǒng)的輸出信號配置為QPSK調(diào)制信號，載頻配置為5 MHz，符號速率配置為2.5 MBaud，通過數(shù)據(jù)分析軟件的分析結(jié)果可以看出，對采集信號的載頻估計(jì)結(jié)果為5.00 MHz，符號速率估計(jì)結(jié)果為2.5 MBaud，信號帶寬為2.49 MHz，調(diào)制體制為QPSK/OQPSK，識別結(jié)果正確。

圖13 無線測試試驗(yàn)中針對某配置下數(shù)字通信系統(tǒng)的信號分析結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于NI的USRP RIO軟件無線電平臺設(shè)計(jì)了一種小型雙通道電子偵察原型系統(tǒng)，是將軟件無線電與電子偵察系統(tǒng)結(jié)合設(shè)計(jì)的新理念。該偵察系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對1.2～6 GHz L/S/C頻段信號的掃描偵收、實(shí)時(shí)頻譜顯示、信號采集、信號回放和參數(shù)估計(jì)等基本功能，并通過無線試驗(yàn)驗(yàn)證了這些功能。

該偵察系統(tǒng)同時(shí)采用了NI的LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境，可以對軟件界面與實(shí)際程序進(jìn)行同步設(shè)計(jì)，具有很高的設(shè)計(jì)自由度。不僅如此，以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合LabVIEW開發(fā)環(huán)境中提供的信號分析工具，可以快速設(shè)計(jì)并不斷加入新的參數(shù)識別算法，實(shí)現(xiàn)對已有算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)與快速驗(yàn)證，提升系統(tǒng)性能，極大地縮短了軟件開發(fā)周期。