復(fù)雜電磁信號(hào)分析與記錄系統(tǒng)解決方案探討

耿莽河

航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 遼寧 沈陽 110850

在寬帶信號(hào)等技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，其頻譜已經(jīng)覆蓋了從低頻、短波、微波、毫米波等全部頻段，頻譜越來越密集，信號(hào)的形式更加多樣化，空間電磁環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜。

1 需求分析

1.1 主要功能

①電磁環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能：具有超寬頻帶的監(jiān)測(cè)范圍，瞬時(shí)帶寬可達(dá)一百多兆赫茲；②電磁環(huán)境數(shù)據(jù)記錄功能：具備長時(shí)間實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)電磁環(huán)境數(shù)據(jù)的功能，用于對(duì)數(shù)據(jù)做事后分析處理，測(cè)試結(jié)果可生成報(bào)表并可通過USB接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)出；③電磁環(huán)境再現(xiàn)功能：產(chǎn)生分析帶寬的任意調(diào)制信號(hào)，具備調(diào)制波形實(shí)時(shí)下載、實(shí)時(shí)產(chǎn)生功能，能夠模擬復(fù)雜電磁環(huán)境中的各種信號(hào)；④專業(yè)的測(cè)試軟件：系統(tǒng)自檢、矢量信號(hào)分析、數(shù)據(jù)管理、矢量信號(hào)發(fā)生、離線分析等功能。

1.2 主要指標(biāo)

①信道數(shù)：1信道（可擴(kuò)展）；②環(huán)境監(jiān)測(cè)頻率范圍：超寬頻帶監(jiān)視，監(jiān)測(cè)帶寬一百多兆赫茲；③分析速度：1s內(nèi)完成超寬頻帶內(nèi)的毛刺和諧波表征，且分辨率帶寬達(dá)十幾千赫茲；④存儲(chǔ)容量：最小4TB（可擴(kuò)展）。

2 技術(shù)方案

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本系統(tǒng)基于高性能PXIe協(xié)議，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可擴(kuò)展的復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)分析與記錄平臺(tái)。本系統(tǒng)主要用于對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行高速連續(xù)實(shí)時(shí)采集記錄，適用于無線通信、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域的復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)的高速采集和記錄，同時(shí)本系統(tǒng)配備了回放模塊，可以提供錄制信號(hào)的回放功能[1]。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 PXIe總線特性。PXIe除了PXI現(xiàn)有的定時(shí)和同步功能，PXIe還提供了附加的定時(shí)和觸發(fā)總線，包括差分系統(tǒng)時(shí)鐘、差分信號(hào)，以及差分星型觸發(fā)等。通過使用差分時(shí)鐘和觸發(fā)，PXIe系統(tǒng)增加了對(duì)儀器時(shí)鐘的抗噪聲能力，并能傳輸更高頻率的時(shí)鐘信號(hào)。

2.2.2 系統(tǒng)組成。系統(tǒng)按照功能可以劃分為接收部分和發(fā)射部分，接收部分實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)和記錄，發(fā)射部分根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，配合功放、天線等設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行再現(xiàn)。接收信號(hào)時(shí)，通過接收天線組捕捉環(huán)境中的電磁干擾信號(hào)，通過矢量信號(hào)分析儀M9393A可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)不重疊頻段內(nèi)的電磁信號(hào)，具體過程是將天線捕捉的不同頻段內(nèi)的射頻信號(hào)通過隔離器/合路器進(jìn)行處理，然后接到下變頻器M9365A，以將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到中頻信號(hào)，再通過中頻數(shù)字化儀M9214A對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化處理，最后數(shù)據(jù)通過背板總線傳輸?shù)礁咚贁?shù)據(jù)存儲(chǔ)卡中進(jìn)行流盤。

發(fā)射信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)讀取高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡上存儲(chǔ)的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，采用矢量信號(hào)發(fā)生器M9381A對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行還原，形成的射頻信號(hào)通過發(fā)射天線組發(fā)射出去。

2.2.3 主要硬件模塊。主要硬件模塊包括：PXIe機(jī)箱、嵌入式控制器、矢量信號(hào)分析儀、矢量信號(hào)發(fā)生器、高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡、顯控單元、機(jī)箱、天線組。接收天線：1個(gè)有源拉桿天線、2個(gè)雙錐天線、1個(gè)喇叭天線。發(fā)射天線：發(fā)射天線發(fā)射的頻段為高頻段信號(hào)，可通過一個(gè)對(duì)數(shù)周期天線來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于低頻段范圍內(nèi)的信號(hào)直接由信號(hào)發(fā)生器輸出至待測(cè)設(shè)備。

2.2.4 軟件設(shè)計(jì)。推薦的專業(yè)測(cè)試軟件是在參考德科技“黑鳥”系統(tǒng)軟件主要功能的基礎(chǔ)上，開發(fā)外場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)軟件，采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

測(cè)試軟件功能包括：自檢、矢量信號(hào)分析、數(shù)據(jù)管理、矢量信號(hào)發(fā)生、離線分析。

2.2.4.1 自檢功能。自檢功能完成系統(tǒng)各部分的自檢并給出自檢結(jié)果。

2.2.4.2 矢量信號(hào)分析功能?？焖兕l譜搜索：實(shí)現(xiàn)完整頻譜的快速搜索功能，可以同時(shí)監(jiān)視四組不同頻段的測(cè)量數(shù)據(jù)。 信號(hào)檢測(cè)功能：由能量閾值檢測(cè)、能量歷史信息和告警條件組成。信號(hào)解調(diào)功能：可以進(jìn)行模糊解調(diào)（AM、FM）和數(shù)字解調(diào)（ASK、FSK、PSK、MSK、CPM、QAM）。在線分析功能：可以實(shí)現(xiàn)功率譜、峰值功率和頻率、帶內(nèi)功率、鄰頻功率等頻譜測(cè)量功能。

2.2.4.3 數(shù)據(jù)管理功能。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和分析結(jié)果的管理，保證可靠記錄和處理，包括記錄的干擾數(shù)據(jù)、天線型號(hào)等。

2.2.4.4 矢量信號(hào)發(fā)生功能。矢量信號(hào)發(fā)生界面可以生成模擬連續(xù)波，如正旋波信號(hào)，也可以生成模擬調(diào)制波（AM、FM）和數(shù)字調(diào)制波（ASK、FSK、PSK、MSK、CPM、QAM），還可以再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境信號(hào)。

2.2.4.5 離線分析功能。離線分析界面會(huì)通過加載所保存的數(shù)據(jù)文件，將所需的環(huán)境信息回放出來，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。也可以生成報(bào)表格式進(jìn)行保存，方便用戶導(dǎo)出。

3 結(jié)束語

本解決方案是基于德科技的PXIe模塊化產(chǎn)品，結(jié)合系統(tǒng)集成研發(fā)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其先進(jìn)性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.1 基于PXIe總線的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低延時(shí)、高吞吐量的PXIe體系結(jié)構(gòu)，提升系統(tǒng)的測(cè)試性能；使用戶在需要滿足新的測(cè)試要求時(shí)，只需要更換個(gè)別的模塊，而無須更換整個(gè)系統(tǒng)。

3.2 高性能的硬件設(shè)備

采用目前全球范圍內(nèi)頻帶范圍最寬的模塊化矢量信號(hào)分析儀M9393A，它具有極高的射頻搜索速度和分辨率，可以加速檢測(cè)未知的持續(xù)時(shí)間較短的無線信號(hào)。

3.3 超大容量的模塊化高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡

采用目前主流的模塊化高速數(shù)據(jù)流盤產(chǎn)品，不僅具有與傳統(tǒng)的磁盤陣列產(chǎn)品相媲美的存儲(chǔ)容量和讀寫性能，而且更進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的集成度。