通信對抗與通信一體化便攜設(shè)備研究

苗利軍,孫寶平,燕云平

（中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081）

0 引言

現(xiàn)代數(shù)字化戰(zhàn)場環(huán)境日趨復(fù)雜,其對通信對抗裝備的要求也越來越高,新體制通信對抗裝備要求體積小、重量輕、功能全,可以將通信偵察、通信干擾和通信集于一體,并能滿足便攜使用。為此,本文對通信對抗與通信一體化便攜設(shè)備的方案及其關(guān)鍵技術(shù)進行了分析及研究。設(shè)備硬件采用模塊化技術(shù),軟件采用構(gòu)件化技術(shù),通過加載不同的FPGA軟件,可以實現(xiàn)對通信信號的偵察、干擾功能,又能實現(xiàn)應(yīng)急通信功能。

1 設(shè)備組成及方案設(shè)計

便攜設(shè)備的目標(biāo)是小型化,理想情況下是將寬帶A/D、D/A盡量靠近天線,對射頻信號直接進行數(shù)字化處理,通過軟件實現(xiàn)不同的功能。但是,射頻數(shù)字化受高速A/D、D/A性能、跟蹤濾波器、盲區(qū)采樣電路的復(fù)雜性及FPGA、DSP處理能力的限制,很難在全波段實現(xiàn)。為此,提出將射頻數(shù)字化與寬帶中頻數(shù)字化相結(jié)合的方案實現(xiàn)通信對抗與通信一體化便攜設(shè)備的設(shè)計。其設(shè)備組成框圖如圖1所示,其主要由射頻模擬前端、下變頻器、本振、上變頻器、A/D、D/A、FPGA（DSP）處理、電源等組成。

圖1 設(shè)備組成框圖

當(dāng)接收的信號為短波信號時,射頻信號經(jīng)射頻模擬前端濾波放大后直接進行A/D采樣,A/D采樣后的高速數(shù)字信號送入FPGA、DSP中完成信號處理等工作。當(dāng)接收的信號為超短波、微波信號時,則需在A/D之前加入下變頻器,將射頻信號變換為適于A/D采樣的寬帶模擬中頻信號再進行A/D采樣處理。

對于發(fā)射鏈路來說,情況則有所不同。由于高性能FPGA配合高速D/A（AD9739、AD9789）可數(shù)字合成3.6GHz的信號,對于3.6GHz以下的信號可經(jīng)射頻模擬前端濾波放大后直接輸出;對于3.6GHz以上的信號,則需在D/A之后加入上變頻器,將D/A輸出的中頻信號變換為射頻信號。

這種結(jié)構(gòu)不僅可以使前端電路設(shè)計簡化、減輕高速A/D、D/A的壓力,而且在處理能力和處理速度等方面都更容易實現(xiàn),具有很好的適應(yīng)性和可擴展性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高靈敏度大動態(tài)寬帶接收技術(shù)

通信對抗與通信一體化便攜設(shè)備面對的是復(fù)雜的電磁信號環(huán)境,在信號特性完全未知的情況下,必須盡可能把目標(biāo)信號不失真、完整地接收下來,并實時完成對信號的檢測、識別和參數(shù)測量。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),要求設(shè)備寬開、靈敏度要高、動態(tài)范圍要大,以提高截獲概率。

高靈敏度大動態(tài)寬帶接收的一個重要組成部分是寬帶射頻前端,涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括低噪聲、大動態(tài)、寬帶接收信道技術(shù)和高精度、低相噪、快速調(diào)諧本振技術(shù)。其中,接收信道的噪聲系數(shù)是保證靈敏度的關(guān)鍵指標(biāo),而在保證噪聲系數(shù)的前提下,如何提高動態(tài)范圍則是設(shè)計的關(guān)鍵。另外,寬帶接收會導(dǎo)致諧雜波抑制困難、幅度平坦性較難保證,這會使動態(tài)范圍受限、靈敏度下降,解決諧雜波抑制、幅度平坦度問題就成為接收信道的關(guān)鍵。而本振的高精度、低相噪、快速調(diào)諧之間又相互沖突,指標(biāo)很難兼顧。而這一切都與模擬電路設(shè)計及器件的指標(biāo)有很大關(guān)系,必須合理設(shè)計,而新的器件突破有著非常重要的意義。

高靈敏度大動態(tài)寬帶接收另外一個重要組成部分是高采樣率、大動態(tài)A/D。目前,采樣速率能達(dá)到1Gsps的高速A/D,動態(tài)范圍僅為50～60dB,高速A/D的動態(tài)范圍是制約便攜設(shè)備動態(tài)范圍的主要因素。

高靈敏度大動態(tài)寬帶接收的核心是高速FPGA和DSP處理單元。目前寬帶接收的最大問題是高速A/D采樣后的高速數(shù)據(jù)必須由FPGA和DSP實時處理,否則數(shù)字化數(shù)據(jù)會丟失,設(shè)備將非實時工作,不能實現(xiàn)對電磁信號的高概率截獲。目前,FPGA和DSP的處理速度與高速A/D相差甚遠(yuǎn),二者之間的瓶頸成了寬帶接收的最大問題。為此,必須尋找有效的方法和技術(shù)來縮小A/D輸出數(shù)據(jù)速率與后端處理能力的差距。其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)有可變速率帶通采樣、可變帶寬數(shù)字下變頻器、可變帶寬數(shù)字濾波器等。必須通過優(yōu)化處理算法,來達(dá)到多速率的各種非合作信號的匹配接收。

2.2 靈巧式寬帶干擾技術(shù)

通信對抗與通信一體化便攜設(shè)備面對的是復(fù)雜多變的通信信號,要達(dá)到高效干擾的目的,就要求便攜設(shè)備的工作頻段要寬、瞬時干擾帶寬可調(diào)。另外,通信對抗與通信一體化便攜設(shè)備的干擾功率十分有限,一般為幾十瓦,如何用更小的發(fā)射功率達(dá)到更好的干擾效果是非常重要的,這就需要靈巧干擾。采用靈巧干擾可以顯著降低干擾功率,在同等條件下可干擾更多目標(biāo);由于干擾功率小,靈巧干擾具有更好的隱蔽性,有利于干擾設(shè)備自身的生存。靈巧干擾必須根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議構(gòu)成和組網(wǎng)原理,掌握其組網(wǎng)特點、信號特征、協(xié)議特征和通信過程特征,研究其薄弱環(huán)節(jié),產(chǎn)生最佳干擾信號對其進行干擾,這就對寬帶干擾信號產(chǎn)生技術(shù)提出了非常高的要求,只要通信技術(shù)在發(fā)展,干擾信號產(chǎn)生技術(shù)就需要不斷研究,且要求干擾樣式必須可編程。

寬帶靈巧干擾技術(shù)的另外一個重要組成部分就是寬帶射頻前端,要求其具有雜散低、動態(tài)大、瞬時帶寬帶等特點。寬帶發(fā)射會導(dǎo)致諧雜波抑制困難、幅度平坦度和動態(tài)較難保證,必須對高性能濾波、寬帶幅度校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、寬帶功放線性化等技術(shù)進行大力研究。線性化技術(shù)是當(dāng)今該研究的熱點,線性化技術(shù)主要有:前饋、負(fù)反饋、預(yù)失真。對于便攜設(shè)備來說,預(yù)失真技術(shù)是最好的方法,用數(shù)字信號處理技術(shù)對數(shù)字中頻信號進行補償處理,具有很好的靈活性。

另外,可以將多臺便攜設(shè)備聯(lián)網(wǎng),組成干擾網(wǎng),通過對接收的信息進行分析、融合,從而實施有針對性的精確干擾,對敵方的輻射源進行“圍攻”,實現(xiàn)壓制干擾、定向攻擊和精確攻擊,而這需要對聯(lián)網(wǎng)的方式及技術(shù)進行研究。

2.3 寬帶收發(fā)快速轉(zhuǎn)換技術(shù)

為適應(yīng)跳頻跟蹤干擾的需求,便攜式偵察干擾設(shè)備必須具有在收發(fā)之間快速轉(zhuǎn)換的能力,而且要求寬帶干擾時不能對偵察設(shè)備產(chǎn)生影響。

這就要求收發(fā)開關(guān)的轉(zhuǎn)換速度要快、帶寬要大、插損要小、隔離度要高,并能承受一定的功率。目前,收發(fā)開關(guān)往往頻率范圍不夠?qū)?主要受限于PIN管的分布電容,分布電容較大往往會帶來高頻效應(yīng),解決的辦法是多級級聯(lián),可以有效地降低PIN管的分布電容,消除其帶來的高頻影響,使工作頻帶展寬,但這是以增大插損為代價的。另外,頻率范圍、插損、隔離度、承受功率之間又存在相互矛盾,必須折衷考慮,使設(shè)計最優(yōu)。

2.4 通信對抗與通信一體化綜合技術(shù)

通信對抗與通信一體化便攜設(shè)備的目標(biāo)是將通信偵察與通信接收合為一體、通信干擾與通信發(fā)射合為一體。需要重點研究的是如何兼容通信偵察與通信接收、通信干擾與通信發(fā)射。

通信偵察和通信一體化的核心是綜合處理單元,其要解決的問題是如何同時兼容通信偵察和通信接收。綜合處理單元既可以完成對各種非合作通信信號的截獲、識別等偵察功能;又可以同時完成對合作通信信號的解調(diào)、解碼等功能,實現(xiàn)通信接收,這對自適應(yīng)信號處理技術(shù)有著非常高的要求。

通信干擾和通信發(fā)射一體化的核心是綜合信號產(chǎn)生單元,要解決的是干擾信號和通信信號如何同時產(chǎn)生,且當(dāng)敵對雙方的通信處于同一頻段時,達(dá)到既能保障己方通信暢通,又能干擾敵方通信的要求。必須利用綜合控制、自適應(yīng)干擾抑制等技術(shù),將各種抗干擾通信體制和通信干擾體制有機地結(jié)合起來,實現(xiàn)通信和干擾的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

另外,通信對抗與通信一體化便攜設(shè)備需要大力研究的是通信反偵察、反干擾技術(shù),可以采用擴頻、猝發(fā)等多種抗干擾體制,通過數(shù)字加密技術(shù)達(dá)到反破譯的目的,提高便攜設(shè)備通信的反通信對抗能力。

2.5 熱設(shè)計技術(shù)

便攜設(shè)備要適應(yīng)野外環(huán)境,必須具備高的可靠性和長的使用時間。

一方面,便攜設(shè)備工作時（特別是發(fā)射功率時）的發(fā)熱量很大,通過自然散熱方式勢必會影響熱交換,使設(shè)備溫度顯著升高,會導(dǎo)致元器件失效率增長、設(shè)備指標(biāo)下降,嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致設(shè)備故障。為保證便攜設(shè)備的可靠性,必須進行熱分析設(shè)計,控制設(shè)備內(nèi)部元器件的溫度,在設(shè)備熱源與外部環(huán)境之間提供良好的熱流路徑,確保熱量能夠順利地散發(fā)出去。

另一方面,便攜設(shè)備的使用時間與用電量有關(guān),如何降低用電量的關(guān)鍵在于提高電源效率和降低負(fù)載功耗。而提高電源效率和降低負(fù)載功耗帶來的好處是設(shè)備的發(fā)熱量降低。目前,在滿足設(shè)備指標(biāo)的前提下,可以通過優(yōu)化軟硬件設(shè)計、對各功能模塊進行時鐘管理、休眠管理、分時斷電管理等措施最大限度的降低功耗。而電源效率的提高則是很難的,研究體積小、效率高、容量大的電源已經(jīng)成為刻不容緩的課題。

2.6 模塊化、構(gòu)件化技術(shù)

便攜設(shè)備在研究及設(shè)計時,為使其具有良好的通用性和可擴展性,還應(yīng)采用硬件模塊化、軟件構(gòu)件化設(shè)計,這種設(shè)計是在一個接口及結(jié)構(gòu)形式都標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺上,采用構(gòu)件化軟件實現(xiàn)通信對抗與通信一體化的各種功能需求。通過配置不同的硬件模塊,實現(xiàn)不同的工作頻段、不同指標(biāo)的需求;通過加載不同的軟件構(gòu)件,可實現(xiàn)不同的功能需求,構(gòu)件化軟件可以保證軟件使用、修改和升級更方便。模塊化、構(gòu)件化設(shè)計是便攜設(shè)備的基礎(chǔ),對便攜設(shè)備的互換性和擴展性起到了決定性的作用,必須大力研究。

3 結(jié)束語

提出了一種通信對抗與通信一體化便攜設(shè)備方案,對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析與研究。要真正實現(xiàn)通信對抗與通信的一體化,除所提到的關(guān)鍵技術(shù)外,還有其他技術(shù)問題有待解決,如體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)軟件技術(shù)、信息融合技術(shù)等等。通信對抗與通信一體化便攜設(shè)備機動靈活,而且具有很好的隱蔽性,適合單兵作戰(zhàn),可以到達(dá)車輛達(dá)不到的地方執(zhí)行任務(wù),對其進行研究是非常有意義的。

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[2]鄒涌泉.一種軟件無線電寬帶射頻前端的設(shè)計[J]電訊技術(shù),2007,47（1）:68-70.

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