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國防重點實驗室,浙江 嘉興 314033)

0 引言

隨著無線電技術的高速發(fā)展，無線電磁環(huán)境日益復雜，電子對抗、技術偵察、無線電監(jiān)測系統(tǒng)的任務目標也愈來愈多，涉及通信、雷達、數(shù)據(jù)鏈、敵我識別、GPS、測控、衛(wèi)星通信等多方面，對偵察接收機的掃描速度、頻率分辨率和瞬時處理帶寬等提出了更高的要求，這使得基于軟件無線電體制的偵察接收機得以快速發(fā)展和廣泛應用[1-5]。

頻譜儀是信號頻譜監(jiān)測領域中的常用儀器，可用于測量信號的頻譜、功率等特性，被廣泛的用于無線電領域，包括設計研發(fā)、調試、監(jiān)測、驗收等環(huán)節(jié)，以至于頻譜儀成為判斷一個無線電設備是否正常工作的工具和標準，具有無可置疑的權威性。在電子對抗系統(tǒng)中，我們也常使用頻譜儀監(jiān)測設備是否工作正常。對于大部分無線電設備而言，使用頻譜儀可以準確判斷設備是否正常，但在監(jiān)測偵察接收機時，經(jīng)常會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，讓人十分困惑，能否根據(jù)此抖動現(xiàn)象判斷偵察接收機為故障呢？尤其在外場試驗環(huán)節(jié)，時間非常緊張、條件又非常有限，準確判斷問題是解決問題的關鍵，因此研究該現(xiàn)象十分有必要，具有重要的工程應用價值。

1 頻譜儀監(jiān)測掃頻接收機呈現(xiàn)抖動現(xiàn)象

我們使用八通道接收機對該抖動特性進行了復現(xiàn)。頻譜儀監(jiān)測接收機原理如圖1所示。

圖1 監(jiān)測原理示意圖

監(jiān)測過程如下：

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

2) 設置接收機的掃描起始頻率和終止頻率，設置掃描步進。

3) 設置信號源輸入為掃描頻段內(nèi)的任一頻率；

4) 頻譜儀使用自動模式進行監(jiān)測。

實際測試場景如圖2所示。

圖2 實際測試場景

除了監(jiān)測到接收機中頻信號以外，我們還可以監(jiān)測到抖動現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 抖動信號頻譜圖

監(jiān)測到接收機中頻頻譜具有如下幾個特點：

1) 在大部分時間，觀測到正常信號頻譜，大約每隔幾秒鐘出現(xiàn)一次抖動頻譜閃爍。

2) 該抖動信號不一定在每個掃描周期內(nèi)都出現(xiàn)。

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

4) 該抖動信號為非單音信號，頻譜沒有明顯特征。

在分析該抖動特性之前，需要對頻譜儀和偵察接收機的工作原理和工作過程進行介紹和分析。

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、預選器、混頻器、本振、中頻濾波器、對數(shù)放大器、包絡檢波器、視頻檢波器、顯示器等。將頻譜儀設置為掃描狀態(tài)時，本振在兩個頻率之間切換掃描，而這兩個頻率是由掃頻寬度(SPAN)決定。

圖4 頻譜儀原理圖

傳統(tǒng)頻譜儀可以采用類高斯濾波器模型來分析。在不考慮噪聲基底的情況下，通常認為信號通過中頻濾波器的響應時間dt1可用公式(1)表示：

(1)

式(1)中：dt1為信號通過頻譜儀中頻濾波器的響應時間；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)，頻譜儀的掃描時間總是與分辨率相關。

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

(2)

式(2)中：dt2為信號通過濾波器的上升時間；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,掃描時間也會受視頻濾波器的影響，視頻濾波器通常為一個一階低通濾波器，或一個簡單的RC電路，因此掃描時間變?yōu)?

(4)

許多模擬式頻譜儀中所采用同步調諧式準高斯濾波器，其K值大約2～3。

隨著數(shù)字技術的高速發(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表示掃描速度，對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，頻譜儀的掃描時間還受調諧速度、總線數(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間[6,7]。

3 偵察接收機的工作過程

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

本試驗偵察接收機采用超外差體制，通過調諧一本振和二本振，可將寬帶射頻信號變換至固定中頻，再對該模擬中頻進行ADC、FFT，進行功率譜計算。

偵察接收機掃頻的主要工作過程如下：

1) 上位機通過總線，下達掃描起始頻率和終止頻率。

2) 偵察接收機接收到掃描指令，調諧模塊從原有頻率f 0處啟動開始換頻。

3) 調諧模塊的本振進入重新鎖定過程，至f 1處重新鎖定；換頻時間用TLOCK表示，鎖定時間長短取決于采用何種頻率合成方式。

4) 處理模塊進行等待，由于本振鎖定的時間并不是固定的，會隨著多種因素發(fā)生變化，因此需要設置延時等待時間TDELAY。

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

6) 進入下一個循環(huán)，從f 1掃描至f 2；直至終止頻率fn。

假如接收機采用串行工作方式，單次掃描時間T可用下式表示：

T=TLOCK+TDELAY+TDIGITAL.

(6)

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

為了簡化分析，不妨認為：T≈1 ms。

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

4 抖動現(xiàn)象分析與探討

頻譜儀對偵察接收機的采樣時機見圖5。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，只有當采樣頻率大于信號最高頻率的2倍時，采樣之后的數(shù)字信號才能完整地保留原始信號中的信息，因此當使用頻譜儀對偵察接收機進行測量和采樣時，頻譜儀并不能準確測量和描述偵察接收機的工作過程。

綜合以上，該抖動現(xiàn)象可解釋如下：

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

2) 對于每1個掃描頻率點，假定接收機總掃描時間約1ms；頻譜儀的掃描時間約為2.5ms，且每次掃描的時間也有一定的變化。

3) 由于頻譜儀的掃描速度小于偵察接收機的掃描速度，根據(jù)奈奎斯特采樣定量，頻譜儀并不能準確監(jiān)測偵察接收機的工作過程。

4)由于偵察接收機和頻譜儀沒有進行同步，因此頻譜儀有可能在偵察接收機的失鎖狀態(tài)進行隨機采樣，那么頻譜儀上就會顯示失鎖信號，在頻域上觀測，失鎖的信號就是抖動的雜亂頻譜。

5)從采樣時機圖可知，在偵察接收機的工作過程中，失鎖狀態(tài)只占少部分，因此頻譜儀監(jiān)測到抖動失鎖信號只占小部分時間，這也與實際測量現(xiàn)象相符。

圖5 頻譜儀對掃描接收機的采樣時機示意圖

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

因此常用的頻譜儀并不能準確監(jiān)測偵察接收機的掃描過程，頻譜儀監(jiān)測到接收機有抖動信號是正常的現(xiàn)象，并不能據(jù)此判斷偵察接收機有問題。

當需要監(jiān)測偵察接收機的掃描過程時，我們建議采用調制域分析儀進行測量，測量原理圖如下圖6所示。

圖6 調制域分析儀法原理圖

具體測量過程如下：

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

2) 偵察接收機的中頻IF接入調制域分析儀。

3) 設置偵察接收機在fH和fL之間不間斷的掃描。

4) 觀測調制域分析儀，可以觀測到fIF2+1 MHz與fIF2-1 MHz不停切換的過程，則說明偵察接收機在fH和fL不停的掃描。并且兩次切換時間間隔即為一次掃描時間。

5 總結

本文對頻譜儀監(jiān)測偵察接收機呈現(xiàn)抖動特性進行了介紹，并通過八通道偵察接收機進行了復現(xiàn)。對頻譜儀和偵察接收機的工作原理進行了介紹，并對該抖動特性的機制進行了分析和討論。偵察接收機工作時包括失鎖狀態(tài)和鎖定狀態(tài)，由于頻譜儀與接收機沒有進行同步，當頻譜儀采樣到接收機的失鎖狀態(tài)時，即可監(jiān)測到抖動現(xiàn)象。由于頻譜儀的掃描速度小于接收機的掃描速度，因此根據(jù)采樣定理，頻譜儀并不能準確監(jiān)測偵察接收機的工作過程，本文最后給出了一種調制域分析儀測試法，可用于監(jiān)測偵察接收機工作過程。總之，在電子對抗系統(tǒng)中，使用頻譜儀監(jiān)測偵察接收機時，呈現(xiàn)抖動特性是正?，F(xiàn)象，該抖動特性為偵察接收機的固有特性，不能以此判斷偵察接收機工作異常[8]。