復(fù)雜電磁信號分析與記錄系統(tǒng)解決方案探討

耿莽河

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

在寬帶信號等技術(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)測功能：具有超寬頻帶的監(jiān)測范圍，瞬時帶寬可達一百多兆赫茲；②電磁環(huán)境數(shù)據(jù)記錄功能：具備長時間實時記錄和存儲電磁環(huán)境數(shù)據(jù)的功能，用于對數(shù)據(jù)做事后分析處理，測試結(jié)果可生成報表并可通過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，具備調(diào)制波形實時下載、實時產(chǎn)生功能，能夠模擬復(fù)雜電磁環(huán)境中的各種信號；④專業(yè)的測試軟件：系統(tǒng)自檢、矢量信號分析、數(shù)據(jù)管理、矢量信號發(fā)生、離線分析等功能。

1.2 主要指標

①信道數(shù)：1信道（可擴展）；②環(huán)境監(jiān)測頻率范圍：超寬頻帶監(jiān)視，監(jiān)測帶寬一百多兆赫茲；③分析速度：1s內(nèi)完成超寬頻帶內(nèi)的毛刺和諧波表征，且分辨率帶寬達十幾千赫茲；④存儲容量：最小4TB（可擴展）。

2 技術(shù)方案

2.1 設(shè)計目標

本系統(tǒng)基于高性能PXIe協(xié)議，實現(xiàn)標準化、模塊化、可擴展的復(fù)雜電磁環(huán)境信號分析與記錄平臺。本系統(tǒng)主要用于對寬帶信號進行高速連續(xù)實時采集記錄，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)境信號的高速采集和記錄，同時本系統(tǒng)配備了回放模塊，可以提供錄制信號的回放功能[1]。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

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

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，接收部分實現(xiàn)對現(xiàn)場電磁環(huán)境的監(jiān)測和記錄，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，對現(xiàn)場環(huán)境進行再現(xiàn)。接收信號時，通過接收天線組捕捉環(huán)境中的電磁干擾信號，通過矢量信號分析儀M9393A可同時監(jiān)測多個不重疊頻段內(nèi)的電磁信號，具體過程是將天線捕捉的不同頻段內(nèi)的射頻信號通過隔離器/合路器進行處理，然后接到下變頻器M9365A，以將射頻信號轉(zhuǎn)換到中頻信號，再通過中頻數(shù)字化儀M9214A對其進行數(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)存儲卡中進行流盤。

發(fā)射信號時，系統(tǒng)讀取高速數(shù)據(jù)存儲卡上存儲的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，采用矢量信號發(fā)生器M9381A對記錄的數(shù)據(jù)進行還原，形成的射頻信號通過發(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機箱、嵌入式控制器、矢量信號分析儀、矢量信號發(fā)生器、高速數(shù)據(jù)存儲卡、顯控單元、機箱、天線組。接收天線：1個有源拉桿天線、2個雙錐天線、1個喇叭天線。發(fā)射天線：發(fā)射天線發(fā)射的頻段為高頻段信號，可通過一個對數(shù)周期天線來實現(xiàn)，對于低頻段范圍內(nèi)的信號直接由信號發(fā)生器輸出至待測設(shè)備。

2.2.4 軟件設(shè)計。推薦的專業(yè)測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)外場測試系統(tǒng)軟件，采用模塊化結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

測試軟件功能包括：自檢、矢量信號分析、數(shù)據(jù)管理、矢量信號發(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 矢量信號分析功能。快速頻譜搜索：實現(xiàn)完整頻譜的快速搜索功能，可以同時監(jiān)視四組不同頻段的測量數(shù)據(jù)。 信號檢測功能：由能量閾值檢測、能量歷史信息和告警條件組成。信號解調(diào)功能：可以進行模糊解調(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、鄰頻功率等頻譜測量功能。

2.2.4.3 數(shù)據(jù)管理功能。對測試數(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)、天線型號等。

2.2.4.4 矢量信號發(fā)生功能。矢量信號發(fā)生界面可以生成模擬連續(xù)波，如正旋波信號，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)場電磁環(huán)境信號。

2.2.4.5 離線分析功能。離線分析界面會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，并對數(shù)據(jù)進行頻譜分析。也可以生成報表格式進行保存，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)驗進行設(shè)計，其先進性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

3.1 基于PXIe總線的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計

低延時、高吞吐量的PXIe體系結(jié)構(gòu)，提升系統(tǒng)的測試性能；使用戶在需要滿足新的測試要求時，只需要更換個別的模塊，而無須更換整個系統(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，可以加速檢測未知的持續(xù)時間較短的無線信號。

3.3 超大容量的模塊化高速數(shù)據(jù)存儲卡

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)品相媲美的存儲容量和讀寫性能，而且更進一步提高了系統(tǒng)的集成度。