基于軟件無線電平臺的電子偵察系統設計

(中國人民解放軍92941部隊94分隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

電子偵察系統在現代電子戰中扮演著十分重要的角色，是獲取敵方目標、通信等情報的主要技術手段，可為針對敵方目標實施電磁干擾或者精確打擊提供重要依據。近幾年來，隨著軟件無線電(SDR)技術的迅猛發展及其在無線通信系統應用上取得的巨大成功，采用軟件無線電的思想設計電子偵察系統也成為了一種新的思路。

NI的軟件無線電平臺結合了先進的射頻收發儀和LabVIEW圖形化開發環境，可用于快速開發無線系統。本文采用的USRP RIO軟件無線電平臺用途十分廣泛，不僅可用于無線通信系統的快速開發，還可用于動態頻譜接入、認知無線電、頻譜感知、波束成形、雷達系統原型設計等多個領域[1-2]。目前國內外已有多所知名大學和研究機構利用基于USRP + LabVIEW的軟件無線電平臺進行系統開發，如加州大學伯克利分校Milos等設計的一種協作式MIMO[3]、韓國國家交通大學Yooho Shin等人設計的IEEE 802.11p收發儀[4]、東南大學陽析等設計的基于NI 平臺的大規模MIMO 5G原型驗證系統[5]、北京郵電大學謝軒設計的遠程人臉識別系統[6]以及張騫等設計的實時無線電頻譜Web發布系統[7]等。

本文旨在利用USRP RIO軟件無線電平臺實現現代電子戰中電子偵察原型系統的設計，可實現頻譜掃描、實時頻譜顯示、單通道駐守、數據采集、數據回放和參數分析等電子偵察系統常用的功能，并可以此為基礎快速驗證電子偵察系統中的參數識別算法性能。

1 電子偵察原型系統硬件設計

1.1 系統硬件組成

本文設計的小型雙通道電子偵察原型系統的硬件組成如圖1所示，主要由PXI機箱、PXI嵌入式控制器模塊、數據交互模塊、USRP RIO軟件無線電平臺以及接收天線組成，其中PXI嵌入式控制器模塊采用數字信號處理器可完成若干調制格式和介入模式的解調和編碼，同時也可完成產生上變頻，轉換成模擬波形進行放大和帶通濾波。控制器模塊和數據交互模塊是以板卡形式插入PXI機箱的插槽中的，USRP RIO通過PCIe高速線纜連接到數據交互模塊。PXI嵌入式控制器模塊內嵌Windows操作系統，可運行LabVIEW軟件開發環境和上位機控制軟件；USRP RIO實現了對射頻信號的偵收和基帶數據采集功能，并通過數據交互模塊與上位機控制軟件進行基帶數據的傳遞。

圖1 電子偵察系統原型硬件組成

1.2 USRP RIO軟件無線電平臺

NI的USRP RIO軟件無線電平臺提供了集成的硬件和軟件解決方案，可快速構建高性能無線通信系統。每臺USRP RIO都有兩個射頻收發信道(RF0和RF1)，且每個信道都是I、Q兩路數據采集，USRP RIO內部還使用了一片Xilinx Kintex-7系列芯片進行信號處理。USRP RIO的體積只有不到1U空間的一半大小，其硬件實物圖及內部架構分別如圖2和圖3所示。從圖3可以看出，USRP RIO的內部架構主要由信號處理電路、總線控制電路、存儲器、模數與數模轉換電路和兩個射頻通道組成。

圖2 USRP RIO軟件無線電平臺硬件實物圖

圖3 USRP RIO軟件無線電平臺內部架構

USRP RIO的內部數據處理過程及數據流向如圖4所示[5]，在接收端，天線接收信號后進行正交下變頻，通過ADC進行采樣獲得I、Q兩路基帶數據，然后在FPGA內部實現I/Q平衡、頻率偏移與分數抽取，然后對信號進行處理(可自定義)，并通過DMA FIFO上傳數據到上位機軟件進行處理與顯示；在發射端，上位機將基帶數據通過DMA FIFO下傳到FPGA內部的信號處理模塊(可自定義)，對數據完成處理之后再進行分數內插、頻率偏移、I/Q平衡等處理，然后轉換成I、Q兩路基帶調制信號，通過DAC進行數模變換，最后再將基帶信號上變頻到射頻，并通過天線發射出去。收發本振分別采用不同的鎖相環(PLL)進行控制，通過上位機可配置為中心頻點在1.2～6 GHz的射頻信號。

圖4 USRP RIO內部數據處理過程及數據流向

本文采用了USRP 2943R軟件無線電平臺進行設計，其主要性能參數如表1所示。

表1 USRP 2943R主要指標參數

2 電子偵察原型系統功能及軟件設計

2.1 系統功能描述

小型雙通道電子偵察原型系統主要實現了對L/S/C(1.2～6 GHz)頻段內電磁信號的偵察、接收、采集與分析功能，可實現一路掃描偵察和一路駐守采集。掃描通道實現了在可配置的起始頻率與截止頻率之間的頻段內對電磁信號進行掃頻偵收，并將掃描頻段內的全頻譜信息顯示在上位機軟件界面上。操作人員可依據全頻譜信息設置采集通道的接收本振，實現對感興趣信號的采集功能。該軟件還可對采集到的信號數據進行回放，并進行數據分析與參數識別，還可用于引導干擾設備產生干擾信號。

2.2 系統軟件設計

電子偵察原型系統采用LabVIEW開發環境進行軟件設計，主要由兩部分組成：掃描偵收與采集軟件和數據回放分析軟件，軟件界面設計如圖5所示，分為掃描偵收與采集控制界面(圖5左)和數據回放與分析界面(圖5右)兩個組成部分。

圖5 小型雙通道電子偵察系統上位機軟件界面設計

軟件總功能及各部分軟件的功能如圖6所示。掃描偵收與采集軟件主要實現對硬件設備工作參數的配置、系統工作狀態指示、實時頻譜顯示以及信號數據采集控制；數據回放與分析軟件主要實現對信號采集數據的回放、頻譜分析以及參數識別。

圖6 電子偵察原型系統軟件設計

通過掃描偵收與采集軟件主控界面可設置掃描通道起始頻率和截止頻率、采集通道本振、采樣率、采樣點數、參考電平、數據記錄控制以及數據文件存儲路徑等多個參數，同時可顯示全頻段頻譜圖、掃描通道瞬時功率譜、采集通道功率譜、采集通道波形數據以及系統工作狀態指示等內容。由于USRP RIO可支持1.2～6 GHz共4.8 GHz的頻段，瞬時處理帶寬最大為120 MHz，需要通過掃頻的方式以實現全頻段頻譜分析。本方案中設計掃頻步進與采樣率相同，為100 MSps，每5 ms切換一次本振，按照100 MHz掃頻步進計算，掃描整個頻段需要240 ms的時間。操作人員可以根據全頻段頻譜圖將采集通道本振設置成感興趣的頻點，在采集通道功率譜和采集通道IQ數據顯示部分觀察感興趣信號的頻譜和時域波形，如圖7所示，同時可以打開數據記錄按鈕將數據存儲到硬盤上。

圖7 掃描偵察與采集軟件主控界面顯示效果

數據回放與分析軟件可對信號采集數據進行回放和分析，識別其時域參數、頻域參數以及調制參數，同時顯示某一段數據的幅度譜、平方譜以及時頻譜等頻域信息，針對實際采集的一段脈沖信號進行分析的結果如圖8所示。該信號由信號源產生，脈寬設置為20 μs，重頻設置為40 μs，采集通道本振與實際信號源輸出頻率相差10 MHz，識別結果分別為脈寬20.06 μs，重頻40 μs，載頻10.00 MHz，信號調制體制識別結果為單頻信號，參數估計結果正確。

圖8 針對實際采集的信號分析結果顯示

3 參數識別算法設計

本文設計的小型雙通道電子偵察原型系統可對信號的脈沖寬度(脈寬)、重復頻率(重頻)、調制體制、載頻、碼率、帶寬進行估計，其中脈寬和重頻主要適應雷達脈沖信號，調制體制、載頻、碼率主要適應幾種典型的數字調制信號。

3.1 脈寬與重頻估計算法

脈寬與重頻識別算法設計如圖9所示，主要由信號檢測、檢波、脈沖前后沿統計、脈寬重頻計算和平均值統計五個部分。信號檢測主要通過時域和頻域手段結合的方式，在確定信號有無的同時輸出檢波結果，然后根據檢波信號檢測所有上升沿和下降沿的位置，相鄰上升沿之間的時間間隔為重頻，相鄰上升沿與下降沿之間的時間間隔為脈寬，將測量結果中相差很小的結果認為是一個值，統計一組數據中多次測量結果中出現次數最多的測量值，作為脈寬和重頻結果的估計值。

圖9 脈寬與重頻估計算法

3.2 調制體制、載頻與碼率聯合估計算法

調制體制、載頻與碼率聯合估計算法實現了對單頻信號和BPSK、QPSK/OQPSK、8PSK、MSK/GMSK幾種常用數字通信調制信號的分類和參數識別功能。根據相關文獻分析[8-9]，這幾種數字調制信號的頻譜分別具有如表2所示的特征(不考慮零頻處的頻譜)，可用于進行分類。

表2 不同信號類型頻譜特征

基于表2的分析，本文設計并實現了一種基于頻譜-平方譜-四次方譜聯合分析的調制體制識別與載頻、碼率估計算法，實現流程如圖10所示，具體算法步驟如下：

Step 1：對采樣信號通過過零檢測法粗略估計信號載頻，同時計算信號的歸一化幅度譜、歸一化平方譜和歸一化四次方譜；

Step 2：根據載頻粗估結果計算一倍載頻(fc)、二倍載頻(2fc)和四倍載頻(4fc)的頻譜位置，并以此提取幅度譜fc±fc/2范圍內的頻譜(Spectrum1)、提取平方譜2fc±fc/2范圍內的頻譜(Spectrum2)、提取四次方譜4fc±fc/2范圍內頻譜(Spectrum3)和0～fc范圍內的頻譜(Spectrum4)；

Step 3：統計Spectrum1～Spectrum3和歸一化平方譜中的過門限譜峰個數，分別為N1、N2、N3、N4，同時依據下面的決策表進行調制方式的判決以及載頻和碼率的估計。

表3 調制識別與載頻、碼率估計決策表

圖10 基于頻譜-平方譜-四次方譜聯合分析的調制體制識別與載頻、碼率估計算法

3.3 信號帶寬估計算法

信號帶寬估計采用能量集中法，其軟件實現流程如圖11所示，實現步驟如下：

Step 1：對采樣信號進行載頻估計(參考前面載頻估計的算法)和頻譜變換，獲得信號的幅度譜以及載頻在幅度譜上的位置。

Step 2：對幅度譜上所有的點求平方和S，作為接收帶寬內的信號能量；

Step 3：設載頻在幅度譜上的位置為I，以I為中心向兩邊擴展，設擴展參數為i，計算幅度譜在(I-i，I+i)范圍內的點的平方和P，作為搜索帶寬內的信號能量；

Step 4：計算比值P/S，若P/S≥90%，則進行Step 5，提取信號帶寬估計值；若P/S<90%，則令i=i+1，若i=I，則進行Step6；若i

Step 5：信號帶寬為(I-i，I+i)范圍內的帶寬，設幅度譜的頻率分辨率為Δf，則信號帶寬為2iΔf，帶寬估計完成，該帶寬估計結果置信度高；

Step 6：信號帶寬為2IΔf，帶寬估計完成，但該帶寬估計結果置信度低。

圖11 帶寬估計算法軟件設計流程

4 電子偵察原型系統無線測試試驗

4.1 無線測試試驗環境搭建

為了驗證本文設計的電子偵察原型系統的基本功能，本文采用了無線試驗環境，主要試驗設備如表4所示。

表4 無線測試試驗環境主要設備列表

無線測試試驗設備連接圖如圖12所示，采用兩臺USRP RIO軟件無線電設備，一臺作為數字通信原型系統，可模擬典型的通信系統，包括BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK、MSK和GMSK調制以及OFDM通信系統，另外一臺作為電子偵察原型系統，對通信系統的信號進行偵察采集和參數識別。

圖12 無線測試試驗環境設備連接圖

4.2 無線測試數據分析結果

試驗過程中分別測試了偵收采集不同調制體制的信號，對其中一次的部分采集數據回放及分析結果如圖13所示。本次測試中通信原型系統的輸出信號配置為QPSK調制信號，載頻配置為5 MHz，符號速率配置為2.5 MBaud，通過數據分析軟件的分析結果可以看出，對采集信號的載頻估計結果為5.00 MHz，符號速率估計結果為2.5 MBaud，信號帶寬為2.49 MHz，調制體制為QPSK/OQPSK，識別結果正確。

圖13 無線測試試驗中針對某配置下數字通信系統的信號分析結果

5 結論

本文基于NI的USRP RIO軟件無線電平臺設計了一種小型雙通道電子偵察原型系統，是將軟件無線電與電子偵察系統結合設計的新理念。該偵察系統可實現對1.2～6 GHz L/S/C頻段信號的掃描偵收、實時頻譜顯示、信號采集、信號回放和參數估計等基本功能，并通過無線試驗驗證了這些功能。

該偵察系統同時采用了NI的LabVIEW圖形化開發環境，可以對軟件界面與實際程序進行同步設計，具有很高的設計自由度。不僅如此，以該系統為基礎，結合LabVIEW開發環境中提供的信號分析工具，可以快速設計并不斷加入新的參數識別算法，實現對已有算法的優化設計與快速驗證，提升系統性能，極大地縮短了軟件開發周期。