基于實(shí)時(shí)頻譜分析的電磁頻譜監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

易 波,畢術(shù)龍,耿西偉

(解放軍78118部隊(duì),四川 成都 610051)

0 引言

電磁頻譜監(jiān)測(cè)是利用監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)空中電磁信號(hào)的頻譜特性進(jìn)行測(cè)量與分析,以達(dá)到掌握空間電磁態(tài)勢(shì),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(cè)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(hào)頻域密集,時(shí)域相互交疊,整個(gè)電磁環(huán)境呈現(xiàn)出密集性和動(dòng)態(tài)性特征;另一方面,信號(hào)體制和調(diào)制越來越復(fù)雜,信號(hào)空中持續(xù)時(shí)間變短、頻帶變寬以及跳頻通信技術(shù)的推廣,增加了信號(hào)捕獲與識(shí)別的難度。

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

1 典型時(shí)變信號(hào)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(hào))等時(shí)變體制,使得信號(hào)動(dòng)態(tài)性明顯提升,增加了電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)的難度。傳統(tǒng)超外差式和矢量信號(hào)分析儀均存在死區(qū)時(shí)間,因此無法準(zhǔn)確描繪空間信號(hào)的時(shí)變特征。

1.1 跳頻信號(hào)

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?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的全球移動(dòng)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(tái)的跳頻速率更是達(dá)到上萬次/s。

跳頻信號(hào)數(shù)學(xué)模型表示如下:

式中:d()為已調(diào)信號(hào);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(hào)數(shù)學(xué)模型表明跳頻信號(hào)系統(tǒng)具有高度的動(dòng)態(tài)性,載頻頻率隨時(shí)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(cè)工作帶來的挑戰(zhàn)也越大。圖1(a)給出了跳頻信號(hào)的跳頻圖案示例。

1.2 Chirp信號(hào)

Chirp信號(hào)是一種頻率隨時(shí)間線性變化的信號(hào),具有較大時(shí)寬帶寬積,可有效解決探測(cè)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(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

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

Chirp信號(hào)時(shí)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(shí)間呈線性變化,利用傳統(tǒng)掃頻式分析技術(shù),當(dāng)掃描時(shí)間與Chirp信號(hào)變化時(shí)間不匹配時(shí),只能觀察到幾個(gè)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(shí)間,且無法正確反映Chirp 時(shí)域特征,正確反映Chirp時(shí)頻特性需要頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備具備實(shí)時(shí)頻譜分析功能。

另外,隨著電子設(shè)備數(shù)量呈爆炸式增長(zhǎng),無線電設(shè)備的密度也越來越高,電磁信號(hào)在時(shí)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(hào)和調(diào)頻信號(hào)頻率重疊時(shí)的頻譜圖,從圖中難以分辨出Chirp信號(hào)與調(diào)頻信號(hào)的頻率重疊現(xiàn)象。要真實(shí)描述空間中信號(hào)的電磁特征,頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備必須具備實(shí)時(shí)頻譜分析功能。

圖1 典型擴(kuò)頻信號(hào)頻譜圖

2 實(shí)時(shí)頻譜分析原理與重要工具

2.1 實(shí)時(shí)頻譜分析原理

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

圖2 實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)基本電路圖

圖3 實(shí)時(shí)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(kù)的形式積累,以顏色表示信號(hào)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(shí)間內(nèi)所有信號(hào)頻譜累計(jì)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(hào)分析儀難以捕捉的短時(shí)信號(hào)能夠通過DPX 輕松觀測(cè)。

2.3 三維瀑布圖

三維瀑布圖用來描述空間信號(hào)頻率、時(shí)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(gè)FFT 頻譜檢波加權(quán)獲得,取值與縱軸時(shí)間跨度相關(guān),幅度大小用顏色深淺表示。不同時(shí)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(shí)間的變化情況。通過調(diào)整縱向時(shí)間刻度,并配合幅頻圖,可以便捷地測(cè)量信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的規(guī)律、信號(hào)幅度,排查干擾信號(hào)等。

2.4 時(shí)頻圖

時(shí)頻圖是時(shí)頻聯(lián)合域分析的簡(jiǎn)稱,是分析時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)的有力工具。以Chirp信號(hào)為例,其時(shí)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(shí)間分辨率,是時(shí)變信號(hào)分析的重要工具。

2.5 時(shí)間功率圖

時(shí)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(hào)進(jìn)行積分得到功率,對(duì)應(yīng)時(shí)刻表示在橫軸上。時(shí)頻圖從時(shí)間和功率角度展示接收信號(hào)功率隨時(shí)間變化關(guān)系。在時(shí)間功率圖中,橫軸表示時(shí)間,縱軸表示功率,以脈沖信號(hào)為例,其時(shí)間功率圖如圖4(d)所示,如果是連續(xù)波,其時(shí)間功率譜則是一條直線。

圖4 實(shí)時(shí)頻譜分析重要工具

3 基于實(shí)時(shí)頻譜分析的擴(kuò)頻信號(hào)監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)在電磁環(huán)境信號(hào)監(jiān)測(cè)中的作用,利用2臺(tái)信號(hào)源(型號(hào):是德33600A 和思議1465B)搭建擴(kuò)頻信號(hào)電磁環(huán)境,1臺(tái)實(shí)時(shí)頻譜分析儀(型號(hào):RSA6114A)模擬監(jiān)測(cè)接收機(jī),系統(tǒng)原理如圖5(a)所示。

3.1 跳頻信號(hào)

跳頻信號(hào)的特點(diǎn)是載頻隨時(shí)間不斷跳變,準(zhǔn)確描述跳頻信號(hào)特征需要跳頻圖案、單跳持續(xù)時(shí)間以及信號(hào)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(hào),模擬跳頻信號(hào)。利用泰克實(shí)時(shí)頻譜分析RSA6114A 對(duì)其實(shí)施監(jiān)測(cè),得到的監(jiān)測(cè)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(hào)進(jìn)行傅里葉變化后,累計(jì)到1幀中,根據(jù)縱軸時(shí)間幀分辨不同,將多個(gè)幀累積顯示,因此信號(hào)持續(xù)時(shí)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(hào)頻率與時(shí)間的關(guān)系,可以準(zhǔn)確描繪出跳頻圖案;利用marker功能可測(cè)量出單個(gè)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間;將三維瀑布圖與幅頻圖相結(jié)合,可以測(cè)量出信號(hào)幅度值。上述工程表明跳頻信號(hào)的特征參數(shù)可以通過三維瀑布圖與幅頻圖準(zhǔn)確測(cè)量。

3.2 Chirp信號(hào)

Chirp信號(hào)以其大時(shí)寬帶寬積而在雷達(dá)探測(cè)中得到廣泛應(yīng)用,描述Chirp信號(hào)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(shí)間功率圖下的Chirp信號(hào)。

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(shí)利用時(shí)間功率譜圖可以對(duì)Chirp 信號(hào)峰值功率進(jìn)行測(cè)量,進(jìn)一步驗(yàn)證信號(hào)脈寬。

3.3 同頻干擾信號(hào)

同頻或鄰頻干擾會(huì)對(duì)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(hào)頻率。三維瀑布圖能夠清晰展示非同時(shí)同頻出現(xiàn)信號(hào)的頻譜特征,對(duì)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(hào)與Chirp信號(hào)同頻干擾示意圖,從圖中可以清晰觀察出Chirp信號(hào)與調(diào)頻信號(hào)頻率,從而確定出干擾頻率。

圖5 實(shí)時(shí)頻譜分析對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

除上述典型信號(hào)監(jiān)測(cè)以外,實(shí)時(shí)頻譜分析儀還具備頻率觸發(fā)模板,能實(shí)現(xiàn)對(duì)猝發(fā)信號(hào)的捕獲,并將觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)前后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),便于后期分析處理。

4 結(jié)束語

實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)能夠無縫捕獲空間中的電磁信號(hào),只要給予足夠的存儲(chǔ)空間,實(shí)時(shí)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(chǎng)上,實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)必將占有重要地位。