監測接收機的設計與實現

劉傳棟，陳安軍，韓連龍

（中電科儀器儀表公司,山東青島,266555）

0 引言

通常的無線電監測工作大致分為兩類，分別是常規監測和專項監測。常規監測是指以掌握空中電磁頻譜使用情況為目的的監測任務，執行該任務需要監測接收機對指定頻段進行掃描，在掃描結果的基礎上，查找出異常信號，將其結果和監測數據庫中的合法已批頻點進行對比，找出非法發射信號。專項監測是指以單獨分析一個信號的各類特征為目的的特定監測任務，執行該任務時需要監測接收機對發現的非法發射信號進行監測，通過對信號的分析，確定信號的基本參數（如頻率、頻率誤差、發射功率、發射帶寬等指標），對發射標識進行識別確定，必要時對信號進行解調、監聽。為同時滿足上述兩種應用需求，一個理想的信號監測接收機解決方案必須具備以下三種能力：寬頻段的快速、高分辨率掃描能力；強大的異常信號判斷能力；完備的信號分析能力。

其中，具備寬頻段的快速、高分辨率的掃描能力讓用戶在常規監測時盡可能地發現突發的瞬態信號及近噪微弱信號，從而提高信號的截獲概率；強大的異常信號判斷能力可以方便的從掃描信號中自動識別出非法信號發射，這樣用戶可以重點關注這些信號，而不是從眾多信號中發現這些信號。完備的信號分析能力為用戶在專項監測時了解信號的復雜本質提供了有效工具。

1 方案設計

信號監測接收機的設計首先要實現寬頻段的快速、高分辨率掃描能力，設計要求為：分辨率帶寬2.3kHz下，掃描速度不低于3GHz/s。傳統掃頻設備掃描速度遠遠達不到該指標要求，目前最先進的掃頻設備是安捷倫公司的PXA信號接收機N9030，該設備在掃寬為3GHz，分辨率帶寬2.3kHz時，掃描時間為628s，距離1s的要求差距巨大。為達到信號監測接收機的設計要求，就需要設計一種全新的儀器平臺。

在傳統的技術方案中，獲得一定頻率范圍內的頻譜有兩種實現方式：一種是掃描調諧式分析，另外一種是FFT式分析。

掃描調諧式分析基于外差式接收原理，通過混頻得到所要求的頻點信息，通過更改本振信號來達到一個頻段的測量。掃描就是不斷改變本振信號，使得本振信號剛好掃過一個頻段達到測量目的。在這種技術方案中，掃速取決于分辨率濾波器的響應速度，并且受限于YIG調諧振蕩器的掃描速度，其掃速可由下式估算：掃速≈0.8×RBW2（RBW為分辨率帶寬）。由該公式可以看出，在RBW比較小的時候，掃描速度會非常慢，當分辨率帶寬為2.3kHz，掃描速度只有4.23kHz/s，遠遠無法滿足寬頻段、快速、高分辨率掃描的要求。

FFT式分析儀中，RBW濾波器具有極快的響應時間，當FFT分析儀在窄帶情況下比掃頻分析式快，而寬帶分析時要保證同樣的分辨率則FFT總計算量耗時相當可觀，同時最大分析帶寬還受模數轉換器采樣速度的限制。鑒于此，FFT分析儀通常只應用于有限帶寬的頻譜掃描，一般帶寬范圍在幾十M左右，無法滿足監測分析全頻段監測的要求。

由上述論述可見，兩種掃描方式各有特點，在各自的應用領域都是可行的解決方案，但應用于信號監測接收機中，兩種掃描方式都無法滿足要求。

1.1 整機設計

本設計，如圖1所示，權衡考慮兩種分析方式各自的特點，分別汲取兩種設計優點后設計了一種新型的高速并行掃描處理方式：高速調諧超外差接收+多DSP并行FFT分析，通過大步進的快速調諧超外差接收，發揮其在寬頻段掃描上的優勢；在相互銜接的調諧步進點上采用多DSP并行處理的方式進行FFT分析，發揮其在高分辨率頻譜處理上的優勢。在完整的掃描頻段上接收前端快速調諧的同時多DSP并行的進行FFT分析，由主機程序進行頻譜無縫拼接，得到完整的掃描頻譜。

圖1 信號監測接收機整機原理

該設計除了可以完成高分辨率、快速掃描外，還兼顧了信號分析功能。分析時，調諧超外差接收通路部分工作在固定調諧狀態，接收通路完成信號下變頻至中頻信號，信號處理部分對中頻信號進行正交解調輸出基帶正交數字信號（IQ數據），通過PCI總線傳至CPU內存中，然后由CPU通過軟件算法實現信號分析。

基于本方案設計的信號監測接收機工作流程如圖2.2所示，信號監測接收機通過寬頻段的快速、高分辨率的掃描，對設定的頻段進行連續的監測，在監測過程中對監測的頻段超過閾值門限的異常信號進行檢測，發現的異常信號與監測數據庫中的信號進行對比，確定是否為非法發射信號。發現不明發射后，通過接收通路的固定調諧接收，由主機對信號進行分析，利用信號監測接收機的信號分析功能對異常信號進行標識。

圖2 信號監測接收機工作流程

1.2 硬件平臺技術方案

信號監測接收機硬件平臺方案如圖3所示，主要由微波毫米波接收變頻單元、高速中頻采集單元、DSP實時信號處理單元、合成本振單元、主機軟件單元等部分構成，各單元的基本功能如下：

圖3 信號監測接收機框圖

微波毫米波接收變頻單元是信號監測接收機的信號通路部分，由步進衰減器、低波段混頻通路、高波段混頻通路、信號濾波等處理電路構成，它將天線接收的9kHz～50GHz信號變換到中心頻率為75MHz的中頻信號。高速中頻采集單元對75MHz中頻信號進行高速采集，同時完成寬帶數字下變頻或多信道的窄帶數字下變頻處理。DSP實時信號處理單元是信號監測接收機的實時運算部分，對寬帶數字下變頻器或多信道窄帶數字下變頻器輸出的信號進行各種實時FFT處理操作等。合成本振單元為微波毫米波接收變頻單元提供多級混頻所需的高純本振信號。主機軟件單元是信號監測接收機的核心控制部分，負責整機硬件的驅動，軟件程序的調度，人機界面的交互，同時進行快速傅立葉變換、多閾值信號檢測、通信信號調制方式識別、雷達信號調制方式識別、多域參數關聯分析、信號實時監測、音頻解調等軟件處理。

1.3 軟件總體方案

信號監測接收機軟件采用自頂向下，分層設計的方法。對整個設計進行分層，每一層屏蔽下一層的設計細節，為上層提供統一的服務。如圖4所示，設計分為三層，分別為交互層、分析處理層、驅動層。

圖4 整機軟件結構圖

交互層由通用的交互模塊組成，它負責接收用戶的操作指令，返回儀器的處理結果，實現與用戶的隨機交互。這個交互式模塊將遠程控制和本機顯示界面統一為一個整體，通過遠地、本地兩種途徑最終改變的如果是本模塊自身的狀態（如：顯示相關的狀態）時，模塊直接進行處理；如果改變的是整機的狀態時（如：改變中心頻率），將接收的狀態進行預處理（如：參數合法化），向分析處理層傳遞。由于模塊需要控制多種外圍接口，包括網絡控制器、GPIB控制器、USB-Target控制器，USB鍵盤控制器等，模塊也包含了這些接口的控制部分，控制部分基于控制器的驅動程序完成接口控制功能。

分析處理層接收交互模塊傳送的儀器狀態，完成具體的信號分析與處理操作。它主要由主控模塊、多閾值信號檢測模塊、多域參數關聯分析模塊、通信信號調制參數識別模塊、雷達信號調制參數識別模塊、通用功能模塊構成。主控模塊和通有功能模塊是兩個服務模塊，其中，主控模塊負責初始化系統，創建、管理、協調系統中的各個功能模塊，解析用戶指令，調用相應的分析模塊完成指定的功能。通用功能模塊為各個分析模塊提供通用的功能服務，它按照功能單一、高內聚、低耦合的原則，將儀器中涉及到的通用功能劃分成獨立的子模塊，組成通用功能庫，提供給各個分析模塊直接調用，這些通用功能子模塊主要包括：通路校準、誤差修正、跟蹤補償、硬件驅動控制、GPS定位等。分析處理層通過驅動層將控制信息發送給硬件設備，硬件設備將采集的信息通過驅動層返回給分析處理層。

驅動層由各種驅動程序構成，是上層與硬件設備的連接紐帶，為上層的硬件訪問提供了完全透明的接口，降低了各個模塊的實現難度，提高了代碼的通用性。

2 實現結果

本設計通過下拉式菜單、快捷按鈕、傳統菜單和眾多對話框實現與用戶的友好交互，掃描檢測的界面如圖5所示。

圖5 掃描檢測的界面

對掃描得到的頻譜數據通過自動閾值的方式進行能量檢測，如圖6所示。

圖6 能量檢測的界面

對發現的非法信號發射進行信號分析得到其調制格式。

圖7 信號分析的界面

根據企標的檢測標準，對本設計進行了掃描速度的測試。測試方法：信號源1頻率2GHz，功率10dBm；信號源2頻率3GHz，功率0dBm。利用檢波器對75MHz中頻信號檢波，示波器測量檢波器輸出。在不同的分辨率帶寬下得到的測試結果。

表1 信號分析的界面

通過上述的實驗可以看出，本設計的掃描速度在RBW為2.3kHz時，掃描速度為4.13 GHz/s，高于指標RBW為2.3kHz時，掃描速度為3GHz/s的要求，完全達到了設計要求。

通過統一的實驗方法驗證能量檢測和信號識別的可靠性，實驗方法：信號源輸出頻率1GHz，調制格式為AM調制的信號，功率為0dBm，依次改變信號源功率和調制格式。信號監測接收機檢測到信號，然后用信號識別得到信號的調制格式。

經過對上述方法進行的大量數據檢驗，當被識別信號的信噪比滿足如下條件時，正確識別率能夠達到90%以上。

對AM、FM、ASK、2FSK、4FSK、BPSK信號，信噪比大于10dB ；對 8FSK、16FSK、QPSK、OQPSK、Pi/4QPSK 信號，信噪比大于15dB；對8PSK、16PSK、16QAM、32QAM信號，信噪比大于20dB；對64QAM、128QAM、256QAM信號，信噪比大于25dB。

3 總結和展望

本文對監測信號接收機的設計進行了論述，重點研究了監測信號接收機中的關鍵軟件技術。文中的所有技術均在最新國產某型信號監測接收機中得到應用，取得了不錯的效果。在此基礎上，進一步的研究重點是：

（1）繼續提高頻譜掃描的速度。

從本論文的快速掃描設計中，可以看出掃速的提高還是有一定的空間的。本振切換的時間，在步進不同時，實際上是有差異的。而在本論文中的軟件控制中，使用了固定的3ms等待時間，后續可以根據步進的不同，改變此等待時間提高掃描的速度。同時DSP中FFT算法的優化，降低FFT譜運算時間，也可以提高掃描速度。

（2）調試識別算法的改進。

本論文中設計的調制識別算法是基于特征統計的識別算法，目前基于神經元的識別算法，成為調制識別的研究熱點，后繼可以考慮在神經元識別算法上進行研究，進一步提高調制識別的正確概率。