基于寬帶接收的偵察系統設計

彭 勃，任祥維

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

近幾年來各國軍備發展及數場局部戰爭表明，網電空間已成為當下和未來戰爭的重要戰場，針對網電空間的爭奪攻防可以直接決定整場戰爭的走向和成敗。而擁有在復雜的戰時環境中及時感知戰場勢態，獲悉敵情分布，鎖定重要鏈路，并迅速由偵察轉為對抗，對敵形成直接戰斗損傷的能力，是網絡戰取勝的關鍵。這其中，尤以精準快速的信號偵察和網絡分析能力為重。目前，偵察接收系統主要采用兩種框架，一種是多通道寬帶接收體制，一種是窄帶快速掃描接收體制[1]。多通道寬帶接收系統截獲概率高，但由于接收帶寬的擴展導致偵察接收靈敏度降低，且對中頻數字化處理速度要求較高；快速掃描接收系統接收靈敏度高，設備趨于小型化，且對中頻數字化處理速度要求相對較低，但截獲概率低并且實時性差[2]。相比較這兩種類型的偵察體制，傳統的偵察系統只能針對單一的鏈路實施偵察，無法完成網絡戰全網偵察的需求?；谏鲜鰲l件，戰場無線網絡偵察系統需要基于多通道寬帶接收體制設計，依托合理的硬件和軟件實現對整個目標頻段的快速精準濾選，多頻點同時分析，實時網絡偵察，快速引導等功能。

1 傳統的偵察接收系統

傳統的偵察接收系統原理[3]如圖1所示。

圖1 傳統偵察接收系統

該系統的處理流程是，首先針對接收信號進行快速預篩選，通過預選結果進行頻率集組合，通過一次或多次變頻，將接收信號下變頻至所設中頻，一路直接到中頻處理部分，另一路通過窄帶中頻濾波器送至信號強度檢測電路。MCU控制進行掃描時，將接收到的信號混頻至窄帶濾波器的帶寬內；由信號強度檢測電路向 MCU返回強度值，同時記錄下頻綜此時所掃描的頻點，另一路則完成對應頻點中頻信號解析。

傳統偵察接收系統的分辨率主要取決于窄帶濾波器的帶寬，可以達到kHz量級，具有較高的偵察靈敏度，有利于對微弱信號的快速檢測[4]。但由于傳統偵察接收系統全頻段截獲概率低，對多信號偵察和多個網絡鏈路分析能力較差，因而在日趨復雜的戰時信道環境和組網機制下，偵察能力明顯不足[5]。

為此，結合該系統的快掃機制，提出一種“組合快掃”機制，即在滿足接收機前端體積功耗和中頻處理板資源限制前提下，利用中頻開關矩陣思想，協調多個通道進行快速掃描和中頻信號協同處理，在保證高靈敏度和快速截獲的同時，極大提高了信號偵察截獲率以及對戰場網絡鏈路的全局態勢感知。

2 基于超外差接收的多通道網絡偵察系統

多通道網絡偵察接收系統原理如圖2所示。

圖2 多通道網絡偵察接收系統

結合軟件無線電（SDR）技術和寬開接收機及快速掃描機制[6]，射頻前端將目標頻段內某一段或幾段信號耦合接收后統一下變頻至某中心頻率，經中頻開關矩陣分選和功分控制后，分別進入針對不同目標不同功能的信號處理板。信號處理板采用了多通道中頻并行采樣和FPGA加DSP的架構處理。其中FPGA為中頻信號處理的核心部分，中頻處理板FPGA實現的功能如圖3所示。

圖3 中頻處理FPGA功能框

信息流經AD采樣進入FFT處理時，需對目標信號時頻特性做充分分析量化，針對不同目標，取各自不同的時頻限定條件，在保證信號截獲概率的同時，盡可能降低信號虛警，以降低后續信號處理時延。經FFT處理后的頻點結果分類存儲后經邏輯選通控制將參數發送給DSP。下變頻模塊在 DSP的控制下完成多通道的數字頻率合成（DDS）的本源配置，之后DDS生成同相和正交本源下變頻為I、Q兩路中頻信號，經信號解調，譯碼等處理，得到基帶信息后，發送至DSP進行詳細信號解析，實現網絡偵察功能。

信號分析處理機可根據全網偵察時的需要隨時控制中頻開關矩陣進行信道切換。前端射頻下變頻之后的中頻信號經過開關矩陣可靈活使用中頻信號處理資源。中頻模擬信號可由信號處理機里的單塊處理板處理也可調度多塊處理板協同對關注的頻率段集中資源處理信號。

3 中頻信號處理實現關鍵技術

3.1 FFT多通道寬掃快速分析機制

在滿足前端接收機體積和中頻處理芯片資源限制的前提下，該架構可實現對目標頻段高截獲率的快速全景掃描。目前最為成熟的是基于中頻70 MHz下的多通道信號處理。在寬開模式下，如每通道中頻帶寬為 20 MHz，該架構可同時針對10通道中頻信號進行處理，一次寬掃帶寬可達200 MHz。目前戰場無線網絡中常用頻段 VHF（30～88 MHz）、（108～140 MHz）以及 UHF 頻段（225～400 MHz），每個頻段的帶寬都小于200 MHz，該模式下可準確給出全景頻譜圖，及時反應戰場信道環境。已實現的某接收機瀑布圖、中頻全景頻譜和射頻全景頻譜如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 瀑布圖

圖5 中頻全景圖

圖6 全景頻譜圖

在精分析模式下，該系統可同時處理多種不同目標，實現對敵網絡的多節點多方位協同偵察，精確分析并掌握敵網絡態勢。

對不同目標，在處理時間內的駐留期，駐留特性，頻譜形狀等方面各有特點。針對定頻信號[7]，例如模擬調制類信號（FM、AM、PM），當信號存在時，表現為能量固定駐留在某單頻點，且駐留時間滿足特定上限和下限值，為周期性的突發信號，例如數字調制類（FSK、MSK）其信號表現為能量持續駐留在固定間隔的兩頻點，兩頻點駐留時間和滿足特定上限和下限值，為周期性的突發信號；針對擴頻信號，信號在一定時間內能量集中在某頻段內，并根據擴頻碼速率的不同頻譜帶寬出現一定的特點，可在一定的頻帶范圍內采用迭代相關逼近的方法獲得擴頻信號的相關參數[8]。各類判決門限值可根據戰場無線環境實時選取，也可預先設定。選取原則為：在滿足無漏截獲前提下，盡可能排除各類強干擾信號；如進行多目標協同偵察，可根據目標信號間的互斥差異性將頻點疑似性鎖定至最小范圍或合理設置優先級，避免對同一頻點反復解析處理；在進行定頻目標偵察時排除各類跳頻干擾信號，在進行跳頻目標偵察時排除各類定頻目標干擾信號可進一步增大信號偵察的截獲概率。

此外，可結合紅、黑名單機制，在信號處理級對某些已知我方使用頻率點做屏蔽處理，對某些敵方經常使用的頻點重點關注，避免信號處理級冗余操作。

3.2 偵察結果邏輯選通控制

偵察后得到的掃頻結果，依不同目標分類統計后，可通過邏輯選通開關將結果及時告知后續處理模塊。多目標模式下，由FPGA將結果分類上傳至DSP，由DSP統籌后下發配置，進行后續處理；單目標模式下，可考慮避免交互過程，由FPGA內部直接進行頻點自動輪詢控制，控制過程如圖7所示。

單次FFT完成后需對譜線作有效標記，并實時更新；根據有效標志，取數個疑似頻點進入解析處理，并作實時處理標識，同時作處理通道忙時標識；經下變頻，解調，解析等后續處理后，如判定某一頻點為虛警，則釋放通道，選取下一未處理頻點；如判定某一頻點為目標信號，則通道鎖定為忙時狀態，同時鎖定頻點，直至FFT標識頻點無效，方釋放通道，接收下一頻點，如此輪詢操作，直到任務中止。

圖7 頻點自動輪詢控制

3.3 信號解析處理

疑似頻點發送到解析模塊后，激勵生成對應同相正交本源，混頻后得到中頻 I、Q數據，經CIC、FIR兩級抽取濾波得到降速后的數據流，然后針對不同目標信號進行各自解調處理。此處擬遵循“慢存快取”原則：數據以原系統時鐘近1/1000的速率更新，因而可以適當選取深度相同的兩組緩存池，數據低速進入其中一緩存，寫滿后切換寫另一緩存，同時解析進程高速處理已寫滿的緩存池中數據，注意需保證單緩存數據吞吐持續時間大于解析處理時間，最后完成對信號的識別及解碼處理。

在進行信號解析處理中，FPGA內部的信息解析過程不建議有過多主控邏輯[9]。一則主控邏輯較復雜，狀態較多，在FPGA高速時鐘下難以控制而在 DSP芯片內部比較容易實現，可發揮DSP芯片的長處；二則，功能固化的FPGA模塊結合不斷更新的CPU主控及調度，無論系統通用性還是后期功能擴展升級都有極大優勢。在DSP內部可重點實現多種類型目標信號的識別、解調、解交織、解碼等復雜數字信號處理算法。

3.4 數據融合處理

目標網絡的信號經過信號解析處理后可得到解調之后的比特流。通過前期對關注目標的資料分析或者情報收集，可分析出目標信號的網絡專屬特征。通過傳統的信號無源測向算法可得出關注目標信號的方向信息，再經過系統的統一時間基準，對測向信息可標注時間標簽。測向信息結合實時信號解析處理后的目標網絡專屬特征，可偵察出目標網絡的網絡拓撲態勢如圖8所示。

圖8 網絡拓撲態勢

通過網絡偵察可分析出目標網絡的鏈路數量，每條鏈路的成員數量以及分布的方向。如果采用多點偵察可實現對目標網絡的成員定位。由于目前戰場無線網絡的節點數量眾多，并且收發信息切換快，采用單純的傳統偵察和測向方法由于沒有對目標網絡信息進行分析提取，無法完成對戰場無線網絡多個節點精確測向和定位，更不能得到網絡的拓撲態勢。

通過數據融合的網絡偵察信息可為掌握戰場無線網絡以及適時調整作戰指揮提供有利的情報數據。實施網電對抗時，對于有中心的網絡可采用對主節點方向重點控守或者壓制干擾；對于無中心網絡可對流量最大節點方向實施重點控守或者壓制干擾。

4 結語

在無線通信持續高速發展的推動下，網電對抗正以越來越多的方式、場景、作用參與到各國軍備發展和實戰當中。針對愈發擁擠的無線信道空間和多樣的作戰方式，文中介紹了一種基于超外差架構多通道快速偵察接收系統供參考。經試驗樣機驗證：文中介紹的偵察接收系統經過合理的系統時鐘和頻譜規劃后，可達到全網多鏈路全概率截獲，擁有實時的信號預解析功能，且從信號截獲到解析，最終生成偵察引導信息所需時間極短。該系統架構在資源滿足的情況下，有很好的可實現性，可用作車載、艦載或機載平臺，在現階段網電空間對抗高速發展的情況下有較好的實用性。

[1] 秦明偉,李德建,姚遠程.軟件無線電數字下變頻及抽取技術研究[J].通信技術,2008, 41(09):84-85.

[2] 朱慶厚. 通信偵察中信號的搜索與截獲[J].電子對抗,2005(05):29-36.

[3] 韓建立,周少春,韓昕鋒. 外差式偵察接收機對頻率捷變信號進行偵察的可行性[J].海軍航空工程學院學報,2005,20(05):198-204.

[4] 毛自燦. 超寬帶偵察接收機的實現途徑[J].無線電工程,1996,25(06):55-60.

[5] 張曉文,王江宏.LTE 中變速率FIR 濾波器的FPGA實現[J].通信技術,2010,43(02):207-209.

[6] 楊小牛,樓才義,徐建良.軟件無線電原理與應用[M].北京:電子工業出版社,2001:121-140.

[7] 秦志強,張永蓮,孫萍.階數可變的成形濾波器FPGA實現[J].通信技術,2009,42(03):47-48.

[8] 馮振偉,武小冬,梅順良.基于FPGA 的數字中頻接收機設計與實現[J].通信技術,2010,43(04):17-19.

[9] 李鷹. STM-4提取VC-12解復用的FPGA設計[J].信息安全與通信保密,2009(03):40-45.