基于實時頻譜分析技術的短波發信監測設備*

柳　穎　劉　峰　邱　幸

(海軍七〇二廠　上海　200434)

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基于實時頻譜分析技術的短波發信監測設備*

柳穎劉峰邱幸

(海軍七〇二廠上海200434)

論文介紹了實時頻譜分析技術，利用該技術研制具備短波猝發信號監測功能的短波發信監測設備。該設備具有安裝方便，操作簡單以及不介入發射系統進行發射信號監測的特點。

超快速通信;猝發信號;實時頻譜分析;捕獲概率

Class NumberTM935

1　引言

短波通信是艦艇綜合通信系統重要組成部分，打造藍水海軍，要求短波無線通信能夠在大區域、遠距離進行可靠通信。短波信道環節多，任何一個環節出現問題，都影響通信效果，而實時監測艇外輻射信號是保障短波通信成功的重要手段。研制短波發信監測設備能及時、準確地監測本艦(艇)發射的短波信號，供指揮員及時掌握本艦(艇)的通信狀況；該設備可在極短的時間內，及時準確地捕捉到包括短波猝發信號在內的短波射頻信號，經瞬間取樣、處理后，顯示發射頻率、發射功率及輻射程度。該設備采用成熟技術，具有顯示直觀，使用方便等特點，可廣泛應用于包括猝發通信在內的短波射頻信號監測的環境和場所。

通常，發射機發送的射頻信號要通過天線調諧器、天線互換裝置、天線控制開關、射頻電纜和天線等環節，每個環節出現問題都會造成發信效果不好或發信失敗。掃描式頻譜儀可以監測持續時間較長的短波射頻信號，但不能監測瞬時射頻信號。目前超快速通信，只能靠重復發信和多點接收來保證信息的可靠性，增加了潛艇暴露的風險，使潛艇的隱蔽性大打折扣，潛艇的突擊能力受到嚴重影響。因此，研制的采用實時頻譜分析技術的短波發信監測設備，可輔助潛艇猝發通信值班員視情決定是否進行重復發信，減少潛艇無線電通信次數，提高潛艇隱蔽性。該監測設備不僅具備高頻瞬時射頻信號監測功能，并具有安裝方便，操作簡單，能與中央控制臺進行通信，以及不介入發射系統進行發射信號監測的特點。

2　實時頻譜分析技術

實時頻譜分析是近幾年發展起來的一種新的信號分析技術，該技術能夠實現電磁信號的實時觸發，無縫地捕捉信號，還能夠在多個域中分析信號。隨著數字技術的飛速發展，實時頻譜分析技術也取得了許多重大進展、應用范圍也越來越廣[9]。其核心技術包括實時觸發、無縫捕獲和多域分析技術。在不斷的發展變化中又衍生出新的信號處理技術，豐富了實時頻譜分析技術的應用[4]。實時頻譜分析儀是隨著現代FPGA技術發展起來的一種新式頻譜分析儀，與傳統頻譜儀相比，它的最大特點在于在信號處理過程中能夠完全利用所采集的時域采樣點，從而實現無縫的頻譜測量及觸發[7]。由于實時頻譜儀具備無縫處理能力，使得它在頻譜監測、研發診斷以及雷達系統設計中有著廣泛的應用[5]。

持續時間較長的高頻射頻信號可以采用傳統掃描式頻譜儀來監測，但對持續時間較短或猝發信號無法實現監測。目前潛艇短波通信為了提高隱蔽性都采用持續時間較短或猝發信號進行通信，因此對該類型信號的檢測只能通過快速譜分析技術來對其進行監測。

實時頻譜分析系統在硬件上具備多路信號同時采集的能力，采集到的射頻信號首先變換成中頻，再對中頻信號進行調整、A/D采樣，然后對采樣得到的跨度內的時域數據進行快速傅里葉變換(FFT)，得到頻域數據。而頻譜分析則借鑒軟件無線電的設計思想，最大限度地利用軟件來分析各種信號，實現頻譜分析的各項功能[1]?？焖僮V分析處理直接在FPGA中用硬件FFT實現，有效提高了設備處理速度，能夠對持續時間較短或猝發信號進行快速譜分析技術，提取信號頻率參數和發射功率參數。

3　總體技術方案

3.1系統工作原理

短波發信監測設備可對各種短波發射機的瞬時發射信號通過磁接收天線進行非介入式的監測。磁接收天線安裝在艙內，與短波發信監測設備之間通過電纜相連。監測結果可以存儲在測試設備中，也可以通過RS485總線與中央控制臺進行通信。

短波發信監測設備主要由磁接收天線、模擬前端、瞬時寬帶處理、主控單元和電源單元組成。由于發射信號是猝發的短波信號，所以傳統掃描式頻譜測量方式不適合，必須采用實時頻譜測量方式。短波發信監測設備的電原理框圖如圖1所示。

圖1　短波發信監測設備電原理框圖

3.1.1磁接收天線

磁天線是在鐵氧體制成的磁棒上繞制線圈制成的。磁天線安裝在天線根部饋線電纜附近位置，用以接收天線發射信號時饋線電纜泄漏的輻射信號。信號發射的功率越大，饋線電纜泄漏的輻射信號也就越強。磁天線在使用時不介入系統運行，艇內安裝方便。

磁接收天線與監測設備之間信號傳輸采用雙層纏繞編織屏蔽電纜，屏蔽效果為-100dB，同時監測設備通過電纜線向磁接收天線提供12V的工作電源，供磁接收天線內部的放大電路使用。磁天線采用垂直極化的極化方式[8]，工作帶寬2MHz～30MHz，有源增益大于等于10dB。接收短波全頻率帶寬在2MHz～30MHz的磁性天線目前英國、澳大利亞等有成品出售，價格高，體積較大，不滿足使用要求。本次設計選用具有國內自主知識產權的復合磁性介質，改進線圈的繞制方法，在保證接收帶寬的前提下有效縮小了天線體積。目前設計的磁接收天線的尺寸為14cm×10cm×8cm。

3.1.2模擬前端

模擬前端的工作原理如圖2所示。磁天線接收的信號進入模擬前端，經衰減器、帶通濾波、放大后，再進行模擬變頻處理，變到中心頻率40MHz,帶寬2MHz的中頻，經放大和帶通濾波，送到采樣處理部分。

3.1.3瞬時寬帶處理

瞬時寬帶處理部分是實時帶寬分析的核心部分，也是設備硬件設計的重點部分，包括：采樣、數字濾波、FFT處理兩個部分。瞬時寬帶處理部分的工作原理如圖3所示。采樣部分對IF信號進行數字化，采用帶通采樣，采樣頻率6MHz,對于中心頻率40MHz,帶寬100kHz的IF中頻信號進行采集，采集來的數據送到FPGA里進行處理，完成數字濾波、FFT、功率測量、判定功率是否滿足要求值、儲存測量的值等；處理后的結果送系統控制器。其中FPGA主要功能是完成數字濾波、FFT處理和觸發電平檢測[6]。

圖2　模擬前端部分

圖3　瞬時寬帶處理部分

傳統的頻譜測量使用超外差接收機，以中頻帶寬為步進從低頻到高頻進行掃頻。短波通信信道寬帶一般為3kHz，為了有效測量信道功率，頻率分辨率(RBW)必須要≤1kHz，中頻濾波器一般采用調諧式高斯模式的帶通模擬濾波器，其形狀因子k值一般都在2～3以上，取k=2，頻率分辨率(RBW)取200Hz，50kHz的掃寬(SPAN)掃描時間：

當掃寬為50kHz時，掃描時間ST=100ms，這么長的掃描時間顯然無法測量10ms短促脈沖信號。因此必須采用FFT快速計算的頻譜測量方式，由于發射信號頻率范圍已知，所以測試儀在測試參數設置時以被測信號頻率為中心頻率，監測該中心頻率50kHz范圍內的輻射情況。為兼顧接收靈敏度、測量速度、頻率分辨率和電路的復雜性及成本，綜合考慮模擬IF的瞬時帶寬取100kHz，中頻帶通采樣頻率取6MHz,在采樣后首先進行數字濾波成50kHz的瞬時帶寬，滿足指標要求；FFT的長度取32768點，頻率分辨率為6MHz/32768=183.1Hz，對于每一幀，采集時間(1/6MHz)*32768=5.46ms，32768點進行抽取濾波和FFT處理時間為小于1ms，加上測量運算和相關電路控制開銷1ms,每幀總處理時間約為7.5ms，亦即在選擇好測量頻段后，可連續以7.5ms的間隔監測信號，或在觸發信號后7.5ms內完成信號的測量。換言之，對于持續時間大于7.5ms的信號均可探測到，而對于持續時間大于10ms的信號則具有100%的截獲概率。

ADC器件采用凌特廠的LT2204-16器件，幅度精度16bit，采樣頻率最高40MHz，SNR可以達到79dBc，SFDR可以達到92dBc，模擬輸入帶寬達700MHz,指標能很好地滿足瞬時動態范圍80dB要求。系統參考時鐘采用10MHz恒溫晶振,經時鐘處理和驅動后提供給ADC，從而保證ADC的轉換精度和良好的信噪比。

3.1.4觸發電路

觸發功能是在FPGA中完成。ADC轉換器將數字化的信號存入FPGA中的FIFO，連續采樣的數據流不斷地與系統設置的觸發電平進行比較，經多次統計符合觸發條件即觸發，同時讀取FIFO中的一幀數據并進行處理。觸發處理模塊如圖4所示。

圖4　觸發電路硬件框圖

傳統的掃描式接收機或頻譜分析儀中觸發只是單一的功率電平，設定觸發電平，當信號的電平升到設置的電平時，啟動水平掃描，觀察到的信號是觸發后的信號。而本設備的觸發概念具有二維性質，即頻率—電平，只有頻率和電平都達到設定條件時才觸發；另一個不同是：由于本設備是以數字方式處理信號，并具有大的內存容量，所以可以捕獲觸發前及觸發后發生的事件。這樣就可以觀察到單次的指定的脈沖信號，不需要觀察的信號就可以丟棄。

完成這一觸發功能是在高速電路支持下，通過軟件完成。數字采集系統(ADC轉換器)將數字化的信號幅度和信號時間戳一起存入存儲器中。新樣點連續輸送到內存中，最老的樣點將離開內存，即FIFO。觸發到達時，采集停止，內存內容被凍結。

3.2系統軟件流程框圖

系統軟件流程框圖按信號處理過程給出，見圖5所示。

圖5　系統軟件流程框圖

實時頻譜軟件設計：軟件是基于實時操作系統的控制和分析軟件，是整個實時頻譜分析的最頂層的軟件。系統軟件負責配置分析軟硬件環境，使之互相匹配；根據用戶要求控制測量流程；在硬盤上存儲結果，以便進行后期的分析處理。系統軟件除對整個實時頻譜分析系統進行控制調度以外，還要提供全面的時域、頻域和調制域的信號分析功能。如：信號提取、頻譜分析、解調分析、參數測量、脈沖信號測試等[3]。

4　結語

實時頻譜分析不但具有一般頻譜分析的功能，而且還具有時間測量、實時頻譜、解調分析、發射參數測量、觸發捕獲等特殊功能[3]?；趯崟r頻譜分析技術研制的短波發信監測設備，能夠對2MHz～30MHz范圍內射頻信號的頻率、幅度進行監測；能夠監測目前海軍的超快速通信發射的射頻信號；具有設置參考門限的功能，以判斷短波信號輻射強度是否滿足要求；輔助通信值班員判斷是否需要重復發信，增強了通信的隱蔽性。

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HF Signal Monitoring Equipment Based on the Technology of Real-time Frequency Spectrum Analysis

LIU YingLIU FengQIU Xing

(702 Navy Factory,Shanghai200434)

In this paper,the key technologies of real-time spectrum analysis are introduced and used to design the monitoring equipment suitable for HF signal and burst signal.This equipment is very easy to be fixed and operated without entering the HF signal transmission system.

ultrafast communication,burst signal,real-time frequency spectrum analyzer,capture probability

2016年3月10日,

2016年4月27日

柳穎,女,碩士,工程師,研究方向：電路板自動測試和故障診斷技術。劉峰,男,碩士,高級工程師,研究方向：通信與系統。邱幸,女,助理工程師,研究方向：電路板自動測試和故障診斷技術。

TM935DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.028