基于E3238S的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現

張偉軍，郭怡惠，李 濤，朱洪生，吳永明

(中國人民解放軍95821部隊，甘肅 酒泉 732750)

0 引言

為了對電磁環(huán)境信號進行有效監(jiān)測，需要利用高掃描速度、高精度、高性能的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)一般由天伺饋分系統(tǒng)、信號接收分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)、主控分系統(tǒng)和配套保障設備等組成，其中信號處理分系統(tǒng)實現對電磁信號的采集、分選、識別與處理，該部分可采用ADC、DSP、FPGA等器件組成的板卡來實現，也可利用頻譜分析儀、示波器等儀器來實現，也可將板卡與儀器結合共同來實現。由于儀器的測量速度快、測量精度高，使用儀器來構建電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成為常用的一種結構形式。

在電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)配套使用的儀器中，E3238S“黑鳥”是典型代表，由安捷倫公司(現名是德科技)研制，主要優(yōu)點在于：1)具有先進的硬件體系架構、高速搜索和高分辨率特性，能夠最大限度找到未知的信號；2)具有靈活的信號捕獲和分析功能，系統(tǒng)可以非常靈活地設置信號捕獲的條件，并對滿足條件的數據進行后期處理與分析；3)系統(tǒng)應用范圍廣，能廣泛應用于電子偵察、頻譜監(jiān)測等領域。但其仍存在不足之處，主要體現在：1)測向功能不向中國開放，因此不能對信號測向；2)連續(xù)記錄數據的時間有限，不能對感興趣頻段的信號進行連續(xù)監(jiān)測與存儲。因此需要進行設計，并進行適應改進。本文采用E3238S儀器，配置了其他硬件設備，開發(fā)了相應的系統(tǒng)軟件，形成了一套完整的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現了對電磁環(huán)境的監(jiān)測。

1 系統(tǒng)結構及工作原理

1.1 系統(tǒng)結構

電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要重點實現測頻與測向功能，設計的系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。系統(tǒng)硬件主要由寬帶接收天線陣列、寬帶接收本振分系統(tǒng)、測頻分系統(tǒng)、測向分系統(tǒng)及伺服分系統(tǒng)組成。

圖1 電磁信號監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構圖

其中，寬帶接收天線陣列包括3個陣元的寬帶天線；寬帶接收本振分系統(tǒng)包括寬帶接收本振信號源、一分三本振功分器等單元部件；測頻分系統(tǒng)包括測頻射頻前端、固定中頻數字信道化高性能測頻接收機等單元部件，固定中頻數字信道化高性能測頻接收機，其內部又包含中頻接收、A/D組件、測頻高速DSP處理組件、大容量高速數據接口等單元；測向分系統(tǒng)包括測向射頻前端、固定中頻數字雙通道測向接收機等單元部件；伺服分系統(tǒng)包括天線運動轉臺、轉臺控制驅動盒、天線安裝夾具等單元部件。

1.2 系統(tǒng)工作原理

伺服分系統(tǒng)在接收到監(jiān)測信號方位以及速度等參數后，使架設其上的天線陣對準來波方向；測頻分系統(tǒng)主要完成頻率測試功能，包括頻率、功率、調制、脈寬、重頻、到達時間等參數分析；寬帶接收本振分系統(tǒng)內本振信號源產生高穩(wěn)定度快速掃頻的本振信號，與固定中頻數字信道化高性能測頻接收機配合實現對全頻段信號的快速掃描接收。在固定中頻數字信道化高性能測頻接收機中，A/D組件完成中頻信號的數模轉換；測頻高速DSP處理組件能實現搜索與窄帶信號處理兩大功能，以實現信號有無、頻率、功率、調制、脈寬等參數的分析；大容量高速數據接口實現偵察數據及分析結果由DSP處理組件到主控平臺的上傳。從而實現對頻率、功率、調制、脈寬、重頻、到達時間等參數的全面測量。

測向分系統(tǒng)主要完成到達角測試。測向射頻前端完成兩路下變頻；寬帶接收本振分系統(tǒng)內本振信號源產生高穩(wěn)定度快速掃頻的本振信號，與固定中頻數字雙通道測向接收機配合實現對全頻段信號的快速接收測向。在固定中頻數字雙通道測向接收機中，兩路A/D組件完成中頻信號的數模轉換；測向高速DSP處理組件能實現窄帶中頻信號的FFT變換和比相處理功能，以實現信號到達角參數的分析；大容量高速數據接口實現測向分析結果由DSP處理組件到主控平臺的上傳。從而實現對雷達信號到達角的測量。

測頻分系統(tǒng)和測向分系統(tǒng)有機配合，從而實現對雷達信號的頻率、功率、調制、脈寬、重頻、到達時間、到達角等參數較為全面地測量。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 寬帶接收天線陣列

寬帶接收天線陣列主要功能是對空間的雷達信號進行接收。采用三元陣天線陣列形式。天線單元主要采用寬帶夾脊喇叭，完成對射頻信號的接收，選擇貨架產品ETS寬帶天線3115來實現，頻率范圍是1～18 GHz，駐波系數不大于1.5。

2.2 寬帶接收本振分系統(tǒng)

寬帶接收本振分系統(tǒng)主要功能是產生測頻、測向分系統(tǒng)所需的本振信號，可采用數字直接合成+鎖相環(huán)(DDS+ PLL)結構，主要考慮DDS信號源具有頻率轉換速度快、頻率分辨率高、相位噪聲低等優(yōu)良性能，通過PLL的窄帶濾波特性可以減少雜散輸出，因此DDS+PLL的結構能滿足頻率源的使用要求。

在具體實施中，為保證電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)寬帶接收本振的調頻速度、調頻精度等指標、性能的先進性，直接利用高端頻譜分析儀內部的寬帶接收本振信號源作為系統(tǒng)的寬帶接收本振信號源，選擇型號為Agilent E4440A信號源。

2.3 測頻分系統(tǒng)

該分系統(tǒng)中的測頻射頻前端，主要由低噪放大器、下變頻器和濾波器組成。低噪放大器的設計主要是輸入輸出和級間匹配電路的設計。為兼顧噪聲系數和增益，一般低噪聲放大器輸入級按最佳噪聲匹配設計，級間匹配和輸出匹配按最大增益匹配。低噪聲放大器由兩級低噪聲放大器級聯而提高增益；下變頻器屬于頻率搬移器件，它將輸入的射頻接收信號與本振信號混頻，產生中頻信號。考慮到E4440A性能優(yōu)越、指標優(yōu)秀、接口豐富，因此利用E4440A內部的射頻前端作為測頻射頻前端是十分適合的。

該分系統(tǒng)中的固定中頻數字信道化高性能測頻接收機利用E3238S來實現。其硬件結構如圖2所示。

圖2 E3238S儀器硬件結構

E3238S的核心模塊主要包括ADC模塊和DSP模塊。ADC模塊采用E1439D，該模塊是高性能采樣器，為信號的監(jiān)測提供了高寬帶、低失真采樣。其采樣率為95 MHz/s，具有0～36 MHz的可調帶寬；采樣后的數據經過內置的數字濾波進行濾波，降低了噪聲，提高了信噪比。E1439D的高采樣率，產生了190 MB/s的數據，利用光纖接口傳輸數據，光口的數據傳輸率為250 MB/s。DSP模塊采用E9821A DSP處理卡，可配置三對雙DSP模塊，每個模塊內置512 M內存，可再配置1塊32通道的數字下變頻模塊，用于多信道的信號解調。在信號搜索方式下，DSP模塊用作并行數據處理，實現10 GHz/s高速掃描速度；在信號解調方式下，其中1個DSP模塊用于36 MHz帶寬中頻信號的搜索，其余DSP通過配置DDC(數字下變頻)模塊對信號進行精細化處理。

2.4 測向分系統(tǒng)

測向分系統(tǒng)組成如圖3所示。其工作過程為：首先使用兩路寬帶接收天線單元接收空間電磁輻射信號，然后雙通道測向射頻前端對接收信號進行下變頻，配合本振快速掃頻信號源，將射頻信號變至固定中頻70 MHz，然后利用固定中頻數字雙通道測向接收機進行A/D變換和信號處理，利用比幅、比相測角原理，測得該頻率信號到達角參數。

圖3 測向分系統(tǒng)組成框圖

該分系統(tǒng)中的雙通道測向寬帶射頻前端主要由兩路低噪放、兩路下變頻器、兩路中頻濾波器及功分器等組成。低噪聲放大器采用Hittite公司的HMC460LC5，在工作頻段上其典型增益為14 dB，噪聲系數約為2.5 dB。下變頻器是本系統(tǒng)中的關鍵部件，選用雙平衡混頻器Agilent 85320B，采用基波和3次諧波混頻形式。中頻濾波電路選用LC濾波器實現。

該分系統(tǒng)中的固定中頻數字雙通道測向接收機主要完成雷達信號的到達角參數測量，形成信號特征字送至主控平臺進行信號識別與顯示。固定中頻數字雙通道測向接收機由兩路A/D組件、高速DSP處理組件、大容量高速數據接口等組成。其中A/D組件采用AD6645第四代寬帶模/數轉換器配合輔助電路完成；高速DSP處理組件由多片XC6VLX130T#FPGA和TS201 DSP實現。

2.5 伺服分系統(tǒng)

伺服分系統(tǒng)主要實現天線在方位向的運動。系統(tǒng)軟件通過自動控制的工作方式對轉臺進行控制，天線運動轉臺采用貨架產品。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)軟件需要具備以下功能：1)需要根據用戶界面設置的參數，實現對E3238S儀器、E4440A儀器以及系統(tǒng)其他硬件進行控制的功能；2)需要獲取E3238S儀器測量數據、天線運動轉臺位置反饋等信息。

獲取E3238S儀器測量數據是整個系統(tǒng)功能最為關鍵的部分。由于E3238S系統(tǒng)配有N6820E軟件，如果系統(tǒng)軟件能通過接口與N6820E軟件建立通信聯系，并對E3238S系統(tǒng)進行控制，整個系統(tǒng)的開發(fā)將容易實現。考慮到N6820E軟件采用Motif編程來實現，Motif是建立在X-Windows之上的一個圖形用戶界面產品，它以X-Window作為顯示模型和窗口模型。為了對其進行調用，可采用Motif編程，或基于N6820E提供的socket接口用其它高級語言來編程，后者比前者更容易實現。因此，經過比較分析，系統(tǒng)軟件采用Visual Studio VB結合Measurement studio 8.6混合編程來實現。

3.2 軟件模塊

系統(tǒng)軟件采用功能模塊化技術，使各個模塊獨立完成各自功能，模塊之間通過接口來實現監(jiān)測功能。主要分為以下模塊：用戶權限管理、設備控制、監(jiān)測數據讀寫、監(jiān)測數據處理、測試結果顯示、狀態(tài)反饋、異常響應。

各模塊主要功能是：1)用戶權限管理模塊：主要完成對用戶名、密碼、用戶權限的管理，防止非法用戶對系統(tǒng)進行操作;2)設備控制模塊：主要實現對E3238S儀器、E4440A儀器和轉臺的通信與控制，將用戶設置的參數傳給儀器和轉臺，控制儀器和轉臺的設置與工作狀態(tài);3)監(jiān)測數據讀寫：主要將E3238S儀器測量的數據、測向結果通過LAN傳給控制計算機，控制計算機將數據予以保存;4)監(jiān)測數據處理：主要完成以下功能：(1)功率校準。根據天線增益、電纜損耗，對監(jiān)測數據進行功率標準，獲得準確的信號功率幅度；(2)數據處理。對校準后的數據進行分析與處理，以獲得頻譜數據的中心頻率，帶寬、幅度等信息;5)測試結果顯示模塊：將測量的頻率、方向等數據進行實時顯示;6)狀態(tài)反饋模塊：主要將儀器的狀態(tài)信息，如正在監(jiān)測的頻段，監(jiān)測所用時間、轉臺當前角度等信息，反饋給用戶;7)異常響應模塊：主要是在儀器處于異常狀態(tài)或測量數據錯誤時，將信息反饋給用戶。

3.3 工作流程

用戶通過軟件界面，將需要發(fā)送的指令及參數通過socket接口發(fā)送給在后臺運行的N6820E軟件，并通過該接口獲得E3238S測量的數據；另一方面，軟件對測向系統(tǒng)進行控制，從而獲得對應信號的到達角。軟件工作流程如圖4所示。

圖4 軟件工作流程圖

3.4 系統(tǒng)實現的技術功能

該軟件設計能將E3238S儀器+N6820E軟件具有的優(yōu)勢將完全發(fā)揮出來，具體表現為：1)高效的電磁頻譜監(jiān)測與分析。E3238S能對復雜電磁環(huán)境中的頻譜分布、信號帶寬、信號占有率、功率、調制參數等信息進行分析。E3238S具有高靈敏度和快速掃描速度的特點，高動態(tài)范圍下，保證了大小信號的無失真快速記錄。軟件提供了不同分辨帶寬的設置、不同的平均設置、多種的門限條件設置等功能，保證記錄的準確性；2)多種判決方法捕獲特殊信號。軟件提供了多種檢測信號門限設置功能，用于捕獲各種信號。主要的判決方法有：電平判決、電磁譜背景判決、噪聲自適應判決、用戶自定義，如圖5所示。儀器在監(jiān)測過程中，如發(fā)現超過門限的信號，就自動記錄，并提供信息報告。另外，儀器利用信號特征識別功能，提高了信號捕獲的準確性；3)信號識別、記錄、解調功能。儀器提供手動記錄和自動記錄兩種方式，記錄捕獲的信號，便于事后分析。既可以記錄時域數據，也可以記錄頻域數據。記錄的信號支持硬件回放和軟件回放，復現監(jiān)測信號的狀態(tài)。另一方面，通過對未知信號進行調制識別，能給出調制類型、符號率、帶寬等信息；4)多通道信號記錄。在窄帶模式下，儀器可以對多達96個通道的信號頻譜進行監(jiān)測與記錄；5)多種圖表顯示。儀器提供多窗口和縮放功能，以解決測量分辨率和顯示分辨率的矛盾，能以多種不同圖表形式，綜合顯示監(jiān)測信息，如圖6所示。

圖5 多種判決方法

圖6 多種窗口顯示

4 試驗結果與分析

為了對系統(tǒng)的監(jiān)測結果進行驗證，在內場搭建了測試環(huán)境，主要硬件包括雷達模擬器、轉臺、被測試的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，如圖7所示。測試的主要內容包括：頻率精度測試、頻率輸出范圍測試、信號幅度測試、適應信號類型測試等。測試方法為：利用雷達模擬器產生指定頻率、幅度、類型的輻射信號，通過轉臺模擬某一角度的輻射信號，利用設計的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，將監(jiān)測的結果與設置的參數進行比對分析。

圖7 測試環(huán)境示意圖

在某次測試中，設置雷達模擬器依次產生4～6 GHz，頻率步進0.5 GHz的射頻信號，在每個頻點使發(fā)射天線的伺服機構轉動范圍為0～3°，信號經過天線輻射后，由監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖8所示。可見，系統(tǒng)能對信號的頻率、到達角、幅度進行準確測試。

圖8 測試結果界面

進一步測試的結果表明，系統(tǒng)達到的主要技術參數為：1)監(jiān)測頻率范圍：1～18 GHz；2)測頻精度：≤0.1 MHz；3)測向精度：≤3°(r.m.s)；4)系統(tǒng)靈敏度：≤-90 dBm；5)掃描速度：4 GHz /s(RBW=15 kHz)；6)適應信號類型：連續(xù)波、單脈沖、線性調頻、脈沖多普勒、頻率捷變、重頻參差等。

總體上來看，該系統(tǒng)性能較為優(yōu)異，但系統(tǒng)利用了E3238S配套的N6820E軟件，存在一些不足之處，主要表現在：系統(tǒng)難以實現對系統(tǒng)底層硬件的靈活控制，對N6820E軟件的功能拓展也較為困難。

5 結束語

目前，利用測量速度快、測量精度高的儀器來構建電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)已成為常用的結構形式。本文利用先進的E3238S儀器，增配其他硬件形成完整的系統(tǒng)硬件，開發(fā)了對應系統(tǒng)軟件，充分發(fā)揮了E3238S儀器的優(yōu)勢，最終實現的測量系統(tǒng)具有測量精度高、速度快、穩(wěn)定性好、測向精度高、能長時間存儲測量數據等優(yōu)點，能滿足電磁環(huán)境監(jiān)測的需要。隨著新型高性能儀器的出現，與之結合的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的性能將更一步提高。