動態頻譜信號偵察的商用設備解決方案*

梁 炎

(中國艦船研究院 北京 100192)

1 引言

認知無線電(Cognitive Radio,CR)概念自1999年問世以來,已成為當前通信領域研究的熱點,也是未來通信技術的發展方向。簡單地講,認知無線電具備以下兩個主要特征[1]:

1)認知能力。認知無線電能夠從其工作電磁環境中捕獲或者感知信息,能夠標識在特定時間和空間內可使用的頻譜資源,并能選擇最適當的頻譜和工作參數。

2)重構能力。認知無線電可以根據電磁環境動態編程,允許認知無線電設備采用不同的無線傳輸技術收發數據,可動態重構工作頻率、調制方式、發射功率和通信協議等參數。

因此,認知無線電將提高頻譜資源利用率。它可以使低優先權的認知用戶(次級用戶)通過認知無線電技術,適時使用分配給主用戶(授權用戶)的頻譜資源以達到最佳頻譜資源共享。

在軍事通信領域,認知無線電將傳統的靜態頻譜管理策略轉變成動態頻譜策略,以適應靈活多變的戰場環境,達成實現頻譜共享和提高抗干擾能力。動態頻譜策略通信也為電子偵察系統提出許多新的挑戰。電子偵察系統應具備更強的認知與重構能力。本文試圖以當前先進的商用電子偵察設備(例如 R&S、Tektronix公司產品)為工具,研究偵察認知無線電通信的通用解決方案。

2 動態頻譜通信的特征

無線電通信系統,根據其頻譜分配策略,可分為靜態(或固定)和動態頻譜通信(見圖1)[2]。固定頻譜通信是指傳統的無線電通信,有窄帶通信與寬帶通信之分。“窄帶”通信的相對帶寬(信號帶寬與中心頻率之比)小于1%,而相對帶寬在1%～25%之間被稱為“寬帶”通信。窄帶通信主要包含幅度調制(AM)、頻率調制(FM)、相位調制(PM)以及正交調制(I/Q)等系統。寬帶通信的基本技術可分為頻跳擴頻(FHSS)和直序擴頻(DSSS)兩類。

無線電通信自發明以來,基本上立足于靜態頻譜分配策略。認知無線電將無線電通信從靜態頻譜管理策略發展到動態頻譜策略,亦即頻譜從“不變”走向自適應“多變”。當前常用的動態頻譜通信有兩大類型:頻分復用(FDM)和時分復用(TDM)體系結構,前者的常用技術方案代表是NC-OFDM(Non-Contiguous Orthogonal Frequency Division Multiplexing,非連續-正交頻分復用),后者是TDMA-BC(Time Division Multiple Access-Burst Communication,時分多址-瞬間通信)。

圖1 無線電通信的頻譜分配策略分類

2.1 NC-OFDM

OFDM(正交頻分復用)是目前成熟的和充滿發展潛力的調制技術。起源于軍事通信應用,它已經在數字音頻廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB)和無線局域網(WLAN)等技術中得到廣泛應用。OFDM是一種并行多載波體制,它根據存在的“頻譜空洞”,靈活對各子載波進行自適應參數分配和調整(頻率、功率、調制方式等),以達成最佳的通信效果。

NC-OFDM是基于OFDM的“頻譜池”(Spectrum Pooling)策略。這種策略將一部分分配給不同業務的頻譜合并成一個公共頻譜池,頻譜池中的頻譜可以是不連續的,整個頻譜池被劃分成為多個OFDM子信道。感知用戶臨時占用頻譜池里的空閑信道,構成所謂的非連續OFDM。NC-OFDM通信首先獲得感知設備提供的發送參數重構信息,從而獲得OFDM頻譜池內可用的子載波頻譜[3]。

“頻譜池”技術實際上是一種FDMA(頻分多址)接入協議。從軍事通信對抗觀點來看,這些被選用的子信道也可以認為是“未被干擾”的頻譜。因此NC-OFDM具備主動躲避“干擾”的潛在能力。NC-OFDM系統收/發功能是一個實時FFT/IFF T處理過程,因此具有依賴于系統FFT采樣時隔與采樣點數的固定時間重復周期。

2.2 TDMA-BC

TDMA-BC(時分多址-瞬間通信)是一種基于TDMA(時分多址)接入協議的、以自適應瞬間通信為基礎的抗干擾通信。自適應瞬間通信,或稱為自適應突發/猝發通信,是指在電磁環境感知設備提示下,選擇出最佳可用頻譜,并在計算機控制下采用瞬間高速數字通信技術,包括擴頻、跳頻、分組通信技術、在極短瞬間傳送電文或數據。TDMA-BC射頻一般可以做到不重復,以避免被截獲和干擾。如同Link 16/22等先進的通信系統設備一樣,TDMA-BC也是一種時間同步系統,每個網絡成員都以TDMA網絡時間周期為重復周期在為其分配的時隙發送信息。

3 動態頻譜通信的偵察

無線電通信偵察是一種被動式電磁信號截獲技術,主要包括信號檢測、調制分類、輻射源定位和通信干擾支援。電磁信號截獲只有在時域、空域和頻域與輻射源信號重合時才有可能。在實施通信偵察時,實際上并不清楚輻射源信號是否存在,對新出現的輻射信號更是一無所知。因此,偵察設備應能覆蓋整個通信波段和各種通信體制,應具備實時在線自動信號分析和非實時離線人工信號分類的能力,以便為每一種輻射源建立相應的特征數據庫。

圖2 無線電通信偵察網的體系架構

為了截獲動態頻譜信號,無線電通信偵察應具備認知與重構能力。因為動態頻譜信號存在“多變性”,其信號特征(例如中心頻率、帶寬、調制方式、發射功率等參數)的相關性也可能“多變”,偵察設備應當能夠認知這種“多變性”,并通過通信偵察網融合同一輻射源的動態頻譜信號。如圖2所示,每個通信偵察節點都提供信號特征檢測、信號時間周期特征檢測和地理位置特征檢測的能力。

3.1 信號特征檢測

信號特征檢測是電子偵察常用的傳統技術。如圖2所示,每個通信偵察節點提供的信號特征檢測包括以下三種功能:

1)匹配濾波檢測。由于電子偵察設備需要捕獲任意瞬間發生的通信信號,除了要覆蓋整個感興趣的時域與空域外,它還需要使用一系列匹配濾波器并行覆蓋整個通信頻段(見圖3)。采用相關檢測技術的匹配濾波檢測用于捕獲信噪比(SNR)超過匹配濾波器門限值的確知信號,還能捕獲多種調制方式的一部分已知波形,例如前導波、導頻碼、訓練序列等。因為動態頻譜信號“多變”,信號相關檢測就需要更多的人工智能干預,通常使用信號特征數據庫記錄、跟蹤和對比信號的動態特性。

2)頻譜能量檢測。頻譜能量檢測是一種非相關檢測法,也是目前應用最廣的一種頻譜檢測方式。它在時域或頻域上一段觀察空間內統計接收信號的總頻譜能量,如果頻譜能量超過預設的檢測門限,就認為信號存在。其缺點就是噪聲的不確定性使得檢測門限設置比較困難,以及無法區分信號、噪聲和干擾。在實踐中,頻譜能量檢測可測量多種頻譜能量,例如信道功率(CP)、突發功率(BP)、鄰信道功率(ACP)、載噪比(C/N)、占用帶寬(OBW)、載波頻率(CF)、射頻帶寬(EBW)或欺騙/虛假信號等,從多種視角提升判斷信號存在的能力。

圖3 匹配濾波器瞬時捕獲任意發生的信號

3)循環平穩特征檢測。用于傳輸信息的調制信號不管是調制在正弦波、跳頻序列、循環前綴(CP)、擴展碼或脈沖序列中,一般都具有某種程度上的周期性,其統計特性諸如頻譜均值和自相關都呈現出周期性,而噪聲不具備這種特性,因此可以利用調制信號的循環平穩特性(cyclostationary signatures)來檢測出噪聲背景下的信號。譜相關檢測法的優點是基于信號特征離散地分布在循環譜的循環頻率中,而背景噪聲和干擾在非零循環頻率處不會呈現譜相關特性,因而能夠區別調制信號和噪聲以及干擾[4]。

3.2 信號時間周期特征檢測

盡管動態頻譜信號“多變”,但其信號輻射具有明顯的時間周期性。例如,NCOFDM信號輻射時間具有以 FFT/IFFT周期為基本特征的重復周期。TDMA-BC的每個網絡成員在指定的時隙發射信號,擁有以TDMA網絡時間周期為特征的固定重復周期。信號時間周期相關性可作為融合動態頻譜信號的一個重要特征。圖4描述使用“信號特征”全景視圖顯示動態頻譜信號的時間周期特性。

3.3 信號源的地理位置特征檢測

地理位置是每個輻射源固有的物理特性。在單點無線電通信偵察設備中,信號到達方位數據體現輻射源平臺的地理位置特性,它在信號分選、融合、識別和定向中扮演重要角色。電子偵察網使用多個電子偵察節點提供的信號到達方位數據交叉確定信號輻射源的地理位置,這將有效地提高檢測信號的準確性。

圖4 一種動態頻譜信號的時間周期特征顯示[5]

4 商用設備解決方案

當前商用寬帶接收技術業已成熟,能夠滿足多種電子偵察應用需求,并且價格合理,更新換代快,它改變了傳統軍用電子偵察應用只使用專用設備的習慣。德國羅德與施瓦茨(R&S)公司和美國Tektronix公司的產品就是這方面的成功典范。

4.1 信號特征檢測

德國R&S公司EM510/EM550寬帶數字接收機能覆蓋從9kHz至3.6GHz波段,I/Q數據高達10MHz帶寬,解調高達10MHz帶寬,中頻(IF)模擬輸出高達50MHz帶寬,并能無損處理窄帶和寬帶發射信號[6]。它以 128MHz采樣率對中頻(IF)濾波信號連續采樣,并將2048個采樣點組成一幀FFT信號,實現“瞬時”頻譜及其參數輸出。如果將中頻濾波信號擴展外接到專用的寬帶DSP設備,后者將能分析更為復雜的信號特征,例如調制信號循環平穩特征檢測、信號時間周期特征檢測等。EM510/EM550寬帶數字接收機提供以下多種模式進行信號特征檢測(見表1):

表1 EM510/EM550寬帶數字接收機的主要性能

1)固定頻率模式(FFM)。通過設置固定頻譜信道,它接收、濾波和解調分類各種“窄帶”信號,例如AM、FM 、PM、脈沖(AM 脈沖)、CW 等通信信號。

2)信道掃描(Channel scan)/頻率掃描(Frequency scan)模式。通過設置測量波段的兩個極端點頻率以及掃描步長,它高速(可高達34GHz/s)無縫實時掃描整個波段信號。信道掃描除了設置信道中心頻率外,還可設置信道帶寬、信道分辨率、占用帶寬度或信號電平門限等參數,實現各種信號頻譜能量檢測。

3)存儲掃描(Memory scan)模式。這是快捷的信道掃描模式,它以頻率存儲表為基礎,掃描一系列指定的載頻點(可高達10000個頻點)。每個載頻點代表一個信道,存儲掃描快速搜索用戶編程指定的信道,因此特別適用搜索已知的通信系統的信號。

4)寬帶固定頻率模式(Wideband FFM)。它提供具有50MHz帶寬和405.4MHz中心頻率的模擬中頻輸出,支持實時FF T分析中頻信號的頻譜特性。實時FFT中頻信號能擴展成為調制信號循環平穩特征檢測的信息源。

5)全景掃描(Panorama scan)模式或稱實時FFT。它以10MHz瞬時帶寬對整個設置的波段進行高分辨率FFT(ADC采樣頻率為128MHz、分辨率為14bit)分析信號頻譜特性。

通過組合使用匹配濾波檢測和頻譜能量檢測,EM510/EM550寬帶數字接收機能勝任分析與解調許多軍用通信信號,盡管還需要更高的頻帶掃描速度才能檢監測直序擴頻(DSSS)、高速頻跳擴頻(FHSS)或瞬時單脈沖信號,但是商用電子監測設備的開放性結構、模塊化設計和價格適宜等優點將成為構造軍用電子偵察設備的一個重要選項。

4.2 輻射源的地理位置檢測

德國R&S公司DDF0xE家族設備是一體化的數字掃描測向機,可根據天線配置選用沃森-瓦特(Watson-Watt)或相關干涉兩種測向法,能在0.2μ V/m(HF)～1μ V/m(≤1.3GHz)或 3μ V/m(≥1.3GHz)～3μ V/m(≤3GHz)低場強環境獲得穩定的測向結果,測向分辨率可達2～1°RMS[7]。DDF0xE測向機內部配置了三部相當于 EM510/EM550的寬帶數字接收機,以10MHz FFT實時帶寬提供30GHz/s測向掃描速度以及240000信道/s速率來確定輻射源的信號到達方位(相關干涉法)。很明顯,通過多部DDF0xE設備的交叉定位就能確定輻射源信號的地理位置。

5 結語

在認知無線電通信領域,人們對偵察動態頻譜信號的認知還很膚淺,但是信號特征檢測、信號時間周期特征檢測以及地理位置特征檢測將是構成搜索、截獲、識別與定位動態頻譜信號的技術基礎。商用電子偵察設備種類繁多,其用途、功能以及性能各有特長,在專用軍用設備的完備下,使用多種商用設備的優勢互補以及冗余的體系結構將有利于形成全方位、多層次、多渠道和多手段的電子偵察體系。

[1]李冀.認知無線電技術及其軍事應用[J].現代軍事,2008(2)

[2]陸建勛.動態頻譜無線通信體制探討[R].2008年軍事電子信息學術會議(南昌)主題報告,PPT,2008,9

[3]謝顯中.感知無線電技術及其應用[M].北京:電子工業出版社,2008,4

[4]Paul D.Sutton.Cyclostationary Signatures in Practical Cognitive Radio Applications[J].IEEE IN COMM UNICATIONS,2008,26(1)

[5]Fundamentals of Real-Time Spectrum Analysis[EB/OL].www.tektronix.com/rsa,2005,4

[6]EM 510/EM550 Digital Wideband Receivers:Maximum power from HFtoUHF[EB/OL].www.rohdeschwarz.com,2007/II

[7] Digital HF/VHF/UHF ScanningDirection Finder R&S DDF0xA[EB/OL].www.rohde-schwarz.com