頻譜儀監(jiān)測(cè)偵察接收機(jī)呈現(xiàn)抖動(dòng)特性的探討*

王衛(wèi)濤,程 明,張永光,2,顧俊杰

(1.江南電子通信研究所, 浙江 嘉興 314033；2.通信信息控制和安全技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 嘉興 314033)

0 引言

隨著無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)電磁環(huán)境日益復(fù)雜，電子對(duì)抗、技術(shù)偵察、無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)也愈來(lái)愈多，涉及通信、雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈、敵我識(shí)別、GPS、測(cè)控、衛(wèi)星通信等多方面，對(duì)偵察接收機(jī)的掃描速度、頻率分辨率和瞬時(shí)處理帶寬等提出了更高的要求，這使得基于軟件無(wú)線(xiàn)電體制的偵察接收機(jī)得以快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1-5]。

頻譜儀是信號(hào)頻譜監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的常用儀器，可用于測(cè)量信號(hào)的頻譜、功率等特性，被廣泛的用于無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域，包括設(shè)計(jì)研發(fā)、調(diào)試、監(jiān)測(cè)、驗(yàn)收等環(huán)節(jié)，以至于頻譜儀成為判斷一個(gè)無(wú)線(xiàn)電設(shè)備是否正常工作的工具和標(biāo)準(zhǔn)，具有無(wú)可置疑的權(quán)威性。在電子對(duì)抗系統(tǒng)中，我們也常使用頻譜儀監(jiān)測(cè)設(shè)備是否工作正常。對(duì)于大部分無(wú)線(xiàn)電設(shè)備而言，使用頻譜儀可以準(zhǔn)確判斷設(shè)備是否正常，但在監(jiān)測(cè)偵察接收機(jī)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，讓人十分困惑，能否根據(jù)此抖動(dòng)現(xiàn)象判斷偵察接收機(jī)為故障呢？尤其在外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)節(jié)，時(shí)間非常緊張、條件又非常有限，準(zhǔn)確判斷問(wèn)題是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，因此研究該現(xiàn)象十分有必要，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 頻譜儀監(jiān)測(cè)掃頻接收機(jī)呈現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象

我們使用八通道接收機(jī)對(duì)該抖動(dòng)特性進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)。頻譜儀監(jiān)測(cè)接收機(jī)原理如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)原理示意圖

監(jiān)測(cè)過(guò)程如下：

1) 接收機(jī)加電工作，將偵察接收機(jī)任一通道的中頻接入頻譜儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2) 設(shè)置接收機(jī)的掃描起始頻率和終止頻率，設(shè)置掃描步進(jìn)。

3) 設(shè)置信號(hào)源輸入為掃描頻段內(nèi)的任一頻率；

4) 頻譜儀使用自動(dòng)模式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景

除了監(jiān)測(cè)到接收機(jī)中頻信號(hào)以外，我們還可以監(jiān)測(cè)到抖動(dòng)現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 抖動(dòng)信號(hào)頻譜圖

監(jiān)測(cè)到接收機(jī)中頻頻譜具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1) 在大部分時(shí)間，觀測(cè)到正常信號(hào)頻譜，大約每隔幾秒鐘出現(xiàn)一次抖動(dòng)頻譜閃爍。

2) 該抖動(dòng)信號(hào)不一定在每個(gè)掃描周期內(nèi)都出現(xiàn)。

3) 該抖動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)的位置不固定，可出現(xiàn)在中頻瞬時(shí)帶寬內(nèi)任意位置。

4) 該抖動(dòng)信號(hào)為非單音信號(hào)，頻譜沒(méi)有明顯特征。

在分析該抖動(dòng)特性之前，需要對(duì)頻譜儀和偵察接收機(jī)的工作原理和工作過(guò)程進(jìn)行介紹和分析。

2 頻譜儀工作原理

掃頻式頻譜儀的原理如圖4所示。主要包括：射頻輸入衰減器、預(yù)選器、混頻器、本振、中頻濾波器、對(duì)數(shù)放大器、包絡(luò)檢波器、視頻檢波器、顯示器等。將頻譜儀設(shè)置為掃描狀態(tài)時(shí)，本振在兩個(gè)頻率之間切換掃描，而這兩個(gè)頻率是由掃頻寬度(SPAN)決定。

圖4 頻譜儀原理圖

傳統(tǒng)頻譜儀可以采用類(lèi)高斯濾波器模型來(lái)分析。在不考慮噪聲基底的情況下，通常認(rèn)為信號(hào)通過(guò)中頻濾波器的響應(yīng)時(shí)間dt1可用公式(1)表示：

(1)

式(1)中：dt1為信號(hào)通過(guò)頻譜儀中頻濾波器的響應(yīng)時(shí)間；RBW為頻譜儀中頻濾波器的帶寬；SPAN為頻譜儀的掃描寬度；SWEEP為頻譜儀的掃描時(shí)間。

在不考慮視頻平滑的情況下(即視頻帶寬比分辨率帶寬大)，頻譜儀的掃描時(shí)間總是與分辨率相關(guān)。

另一方面，信號(hào)通過(guò)濾波器的上升時(shí)間又與其帶寬反比，如果我們引入比例常數(shù)K，則有：

(2)

式(2)中：dt2為信號(hào)通過(guò)濾波器的上升時(shí)間；K為比例常數(shù)；假如令：dt1=dt2則：

(3)

式(3)的成立條件是：VBW≥RBW；

如果考慮視頻濾波器的平滑作用，即:VBW≤RBW,掃描時(shí)間也會(huì)受視頻濾波器的影響，視頻濾波器通常為一個(gè)一階低通濾波器，或一個(gè)簡(jiǎn)單的RC電路，因此掃描時(shí)間變?yōu)?

(4)

許多模擬式頻譜儀中所采用同步調(diào)諧式準(zhǔn)高斯濾波器，其K值大約2～3。

隨著數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展，許多頻譜分析儀采用了數(shù)字濾波器，如果采用數(shù)字高斯濾波器，那么需要修正比例因子來(lái)表示掃描速度，對(duì)于一些比較好的頻譜儀，可將比例因子看做為1，速度是模擬濾波器的2～4倍。其掃描速度可用下式表示：

(5)

此外，頻譜儀的掃描時(shí)間還受調(diào)諧速度、總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速度、顯示速度等的影響，因此，以上公式僅能粗略估算頻譜儀的掃描時(shí)間[6,7]。

3 偵察接收機(jī)的工作過(guò)程

軟件無(wú)線(xiàn)電偵察接收機(jī)是電子偵察系統(tǒng)基本設(shè)備之一，主要由射頻接收前端、ADC、FFT、數(shù)據(jù)處理等單元等組成。

本試驗(yàn)偵察接收機(jī)采用超外差體制，通過(guò)調(diào)諧一本振和二本振，可將寬帶射頻信號(hào)變換至固定中頻，再對(duì)該模擬中頻進(jìn)行ADC、FFT，進(jìn)行功率譜計(jì)算。

偵察接收機(jī)掃頻的主要工作過(guò)程如下：

1) 上位機(jī)通過(guò)總線(xiàn)，下達(dá)掃描起始頻率和終止頻率。

2) 偵察接收機(jī)接收到掃描指令，調(diào)諧模塊從原有頻率f 0處啟動(dòng)開(kāi)始換頻。

3) 調(diào)諧模塊的本振進(jìn)入重新鎖定過(guò)程，至f 1處重新鎖定；換頻時(shí)間用TLOCK表示，鎖定時(shí)間長(zhǎng)短取決于采用何種頻率合成方式。

4) 處理模塊進(jìn)行等待，由于本振鎖定的時(shí)間并不是固定的，會(huì)隨著多種因素發(fā)生變化，因此需要設(shè)置延時(shí)等待時(shí)間TDELAY。

5) 確定接收機(jī)頻率源重新鎖定后，處理模塊開(kāi)始進(jìn)行采樣和FFT,處理完畢后送顯示。

6) 進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，從f 1掃描至f 2；直至終止頻率fn。

假如接收機(jī)采用串行工作方式，單次掃描時(shí)間T可用下式表示：

T=TLOCK+TDELAY+TDIGITAL.

(6)

其中：TLOCK為接收機(jī)換頻時(shí)間；TDELAY為接收機(jī)換頻后，數(shù)字處理延遲的時(shí)間；TDIGITAL為接收機(jī)數(shù)字處理及顯示時(shí)間；

為了簡(jiǎn)化分析，不妨認(rèn)為：T≈1 ms。

假如采用流水并行作業(yè)方式，則掃描時(shí)間只與鎖定時(shí)間、ADC時(shí)間、FFT時(shí)間的最大者和數(shù)據(jù)傳輸顯示時(shí)間有關(guān)，則掃描時(shí)間T應(yīng)小于1 ms。

4 抖動(dòng)現(xiàn)象分析與探討

頻譜儀對(duì)偵察接收機(jī)的采樣時(shí)機(jī)見(jiàn)圖5。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，只有當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)最高頻率的2倍時(shí)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)才能完整地保留原始信號(hào)中的信息，因此當(dāng)使用頻譜儀對(duì)偵察接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量和采樣時(shí)，頻譜儀并不能準(zhǔn)確測(cè)量和描述偵察接收機(jī)的工作過(guò)程。

綜合以上，該抖動(dòng)現(xiàn)象可解釋如下：

1) 偵察接收機(jī)的工作過(guò)程，包含頻率鎖定狀態(tài)和失鎖狀態(tài)。

2) 對(duì)于每1個(gè)掃描頻率點(diǎn)，假定接收機(jī)總掃描時(shí)間約1ms；頻譜儀的掃描時(shí)間約為2.5ms，且每次掃描的時(shí)間也有一定的變化。

3) 由于頻譜儀的掃描速度小于偵察接收機(jī)的掃描速度，根據(jù)奈奎斯特采樣定量，頻譜儀并不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)偵察接收機(jī)的工作過(guò)程。

4)由于偵察接收機(jī)和頻譜儀沒(méi)有進(jìn)行同步，因此頻譜儀有可能在偵察接收機(jī)的失鎖狀態(tài)進(jìn)行隨機(jī)采樣，那么頻譜儀上就會(huì)顯示失鎖信號(hào)，在頻域上觀測(cè)，失鎖的信號(hào)就是抖動(dòng)的雜亂頻譜。

5)從采樣時(shí)機(jī)圖可知，在偵察接收機(jī)的工作過(guò)程中，失鎖狀態(tài)只占少部分，因此頻譜儀監(jiān)測(cè)到抖動(dòng)失鎖信號(hào)只占小部分時(shí)間，這也與實(shí)際測(cè)量現(xiàn)象相符。

圖5 頻譜儀對(duì)掃描接收機(jī)的采樣時(shí)機(jī)示意圖

6) 對(duì)于偵察接收機(jī)自身而言，處理模塊和接收機(jī)的調(diào)諧模塊之間是有同步的，處理模塊每次都在換頻之后，延遲若干時(shí)間，再進(jìn)行采樣，而此時(shí)接收機(jī)的調(diào)諧模塊已經(jīng)確定鎖定，因此偵察接收機(jī)的顯示屏可以看到每次掃描都能得到正確的單音信號(hào)。

因此常用的頻譜儀并不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)偵察接收機(jī)的掃描過(guò)程，頻譜儀監(jiān)測(cè)到接收機(jī)有抖動(dòng)信號(hào)是正常的現(xiàn)象，并不能據(jù)此判斷偵察接收機(jī)有問(wèn)題。

當(dāng)需要監(jiān)測(cè)偵察接收機(jī)的掃描過(guò)程時(shí)，我們建議采用調(diào)制域分析儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量原理圖如下圖6所示。

圖6 調(diào)制域分析儀法原理圖

具體測(cè)量過(guò)程如下：

1) 使用兩臺(tái)信號(hào)源，分別產(chǎn)生偵察接收機(jī)的最高工作fH-1 MHz和最低工作頻率fL+1 MHz；兩路信號(hào)源經(jīng)過(guò)合路后，輸入到偵察接收機(jī)。

2) 偵察接收機(jī)的中頻IF接入調(diào)制域分析儀。

3) 設(shè)置偵察接收機(jī)在fH和fL之間不間斷的掃描。

4) 觀測(cè)調(diào)制域分析儀，可以觀測(cè)到fIF2+1 MHz與fIF2-1 MHz不停切換的過(guò)程，則說(shuō)明偵察接收機(jī)在fH和fL不停的掃描。并且兩次切換時(shí)間間隔即為一次掃描時(shí)間。

5 總結(jié)

本文對(duì)頻譜儀監(jiān)測(cè)偵察接收機(jī)呈現(xiàn)抖動(dòng)特性進(jìn)行了介紹，并通過(guò)八通道偵察接收機(jī)進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)。對(duì)頻譜儀和偵察接收機(jī)的工作原理進(jìn)行了介紹，并對(duì)該抖動(dòng)特性的機(jī)制進(jìn)行了分析和討論。偵察接收機(jī)工作時(shí)包括失鎖狀態(tài)和鎖定狀態(tài)，由于頻譜儀與接收機(jī)沒(méi)有進(jìn)行同步，當(dāng)頻譜儀采樣到接收機(jī)的失鎖狀態(tài)時(shí)，即可監(jiān)測(cè)到抖動(dòng)現(xiàn)象。由于頻譜儀的掃描速度小于接收機(jī)的掃描速度，因此根據(jù)采樣定理，頻譜儀并不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)偵察接收機(jī)的工作過(guò)程，本文最后給出了一種調(diào)制域分析儀測(cè)試法，可用于監(jiān)測(cè)偵察接收機(jī)工作過(guò)程?？傊陔娮訉?duì)抗系統(tǒng)中，使用頻譜儀監(jiān)測(cè)偵察接收機(jī)時(shí)，呈現(xiàn)抖動(dòng)特性是正?，F(xiàn)象，該抖動(dòng)特性為偵察接收機(jī)的固有特性，不能以此判斷偵察接收機(jī)工作異常[8]。