基于實時頻譜分析的電磁頻譜監測技術研究

易 波，畢術龍，耿西偉

(解放軍78118部隊，四川 成都 610051)

0 引 言

電磁頻譜監測是利用監測設備對空中電磁信號的頻譜特性進行測量與分析，以達到掌握空間電磁態勢，發現電磁干擾以及定位干擾源的目的。但無線電技術的發展給頻譜監測工作帶來了巨大挑戰。一方面無線電設備的密度日益增加，空中信號頻域密集，時域相互交疊，整個電磁環境呈現出密集性和動態性特征；另一方面，信號體制和調制越來越復雜，信號空中持續時間變短、頻帶變寬以及跳頻通信技術的推廣，增加了信號捕獲與識別的難度。

實時頻譜分析設備利用專門的高速計算芯片，將捕獲數據進行實時處理，消除死區時間，真實展現空中電磁頻譜特性，及時發現空中瞬態信號，準確測量信號參數，更好地掌握空間信號的變化特征，有效提升頻譜監測工作的質量。

1 典型時變信號特征

通信、雷達等設備為達到抗干擾目的，普遍采用跳頻、線性調頻(Chirp信號)等時變體制，使得信號動態性明顯提升，增加了電磁環境監測的難度。傳統超外差式和矢量信號分析儀均存在死區時間，因此無法準確描繪空間信號的時變特征。

1.1 跳頻信號

跳頻是載波頻率在一定頻率范圍內不斷跳變的擴頻技術，載頻跳變規律由偽隨機序列決定。現在廣泛應用的全球移動通信系統(GSM)也是跳頻系統，跳頻速率規定為217跳/s，而軍用跳頻電臺的跳頻速率更是達到上萬次/s。

跳頻信號數學模型表示如下：

S

(

t

)=

d

(

t

)cos(

ω

t

+

φ

)+

n

(

t

)

(1)

式中:

d

(

t

)為已調信號；

ω

和

φ

分別為

jT

<

t

≤(

j

+1)

T

范圍內的載頻和相位；

n

(

t

)為干擾噪聲。

跳頻系統發射信號數學模型表明跳頻信號系統具有高度的動態性，載頻頻率隨時間按偽隨機序列不斷變化。載頻頻率跳變的速率越快，頻率數目越多，跳頻圖案越復雜，則抗干擾性能也就越好，但給頻譜監測工作帶來的挑戰也越大。圖1(a)給出了跳頻信號的跳頻圖案示例。

1.2 Chirp信號

Chirp信號是一種頻率隨時間線性變化的信號，具有較大時寬帶寬積，可有效解決探測距離和提高距離分辨率的矛盾，顯著提升系統抗干擾/雜波能力，在雷達和通信領域有著廣泛的應用。

Chirp信號的數學表達式為：

S

(

t

)=cos(2π

f

t

+π

kt

+

φ

)

(2)

式中:

f

為Chirp信號的初始頻率；

k

為Chirp信號的調頻斜率；

φ

為Chirp信號的初始相位。

Chirp信號時域波形圖和頻域頻譜圖如圖1(b)所示。從圖中可以發現頻率隨時間呈線性變化，利用傳統掃頻式分析技術，當掃描時間與Chirp信號變化時間不匹配時，只能觀察到幾個離散的頻點，最大值保持雖然能看清頻譜全貌，但需要累積一定時間，且無法正確反映Chirp時域特征，正確反映Chirp時頻特性需要頻譜監測設備具備實時頻譜分析功能。

另外，隨著電子設備數量呈爆炸式增長，無線電設備的密度也越來越高，電磁信號在時域呈現交織，頻域呈現重疊特征，外加違規用頻或裝設備雜散，同頻干擾概率急劇增加。圖1(c)為Chirp信號和調頻信號頻率重疊時的頻譜圖，從圖中難以分辨出Chirp信號與調頻信號的頻率重疊現象。要真實描述空間中信號的電磁特征，頻譜監測設備必須具備實時頻譜分析功能。

圖1 典型擴頻信號頻譜圖

2 實時頻譜分析原理與重要工具

2.1 實時頻譜分析原理

實時頻譜分析實現基本電路如圖2所示。實時頻譜分析儀射頻前端與矢量信號分析儀相同，均將空中接收信號放大濾波后，再進行下變頻。區別于矢量信號分析儀，實時頻譜分析技術擁有超高速的快速傅里葉變換(FFT)計算的專用集成電路(ASIC)，保證FFT計算時間小于信號捕獲時間(如圖3所示)，從而實現信號快速無縫捕獲，達到實時效果。

圖2 實時頻譜分析技術基本電路圖

圖3 實時處理基本概念

2.2 數字熒光技術

數字熒光技術(DPX)通過將每秒數十萬幀的頻譜數據以位圖數據庫的形式積累，以顏色表示信號出現概率，并以人眼可反應的速度更新頻譜軌跡。DPX實質就是將一段時間內所有信號頻譜累計到1張位圖中，其數據處理過程如圖4(a)所示。矢量信號分析儀難以捕捉的短時信號能夠通過DPX輕松觀測。

2.3 三維瀑布圖

三維瀑布圖用來描述空間信號頻率、時間與幅度三者變化情況，其數據處理流程如圖4(b)所示。圖中1條水平線代表1幀頻譜，其由

n

個FFT頻譜檢波加權獲得，

n

取值與縱軸時間跨度相關，幅度大小用顏色深淺表示。不同時刻頻譜從上往下依次排列(最新的幀位于頂部)，從而連續表示出頻譜隨時間的變化情況。通過調整縱向時間刻度，并配合幅頻圖，可以便捷地測量信號頻率隨時間變化的規律、信號幅度，排查干擾信號等。

2.4 時頻圖

時頻圖是時頻聯合域分析的簡稱，是分析時變非平穩信號的有力工具。以Chirp信號為例，其時頻圖如圖4(c)所示。相比三維瀑布圖，更容易發現頻率突變，具有更高的時間分辨率，是時變信號分析的重要工具。

2.5 時間功率圖

時間功率圖與掃頻式分析儀零掃寬功能類似，將中頻濾波器輸出信號進行積分得到功率，對應時刻表示在橫軸上。時頻圖從時間和功率角度展示接收信號功率隨時間變化關系。在時間功率圖中，橫軸表示時間，縱軸表示功率，以脈沖信號為例，其時間功率圖如圖4(d)所示，如果是連續波，其時間功率譜則是一條直線。

圖4 實時頻譜分析重要工具

3 基于實時頻譜分析的擴頻信號監測

為驗證實時頻譜分析技術在電磁環境信號監測中的作用，利用2臺信號源(型號：是德33600A和思議1465B)搭建擴頻信號電磁環境，1臺實時頻譜分析儀(型號：RSA6114A)模擬監測接收機，系統原理如圖5(a)所示。

3.1 跳頻信號

跳頻信號的特點是載頻隨時間不斷跳變，準確描述跳頻信號特征需要跳頻圖案、單跳持續時間以及信號幅度等信息。

利用是德33600A列表發射功能，按表1中的頻點循環發射信號，模擬跳頻信號。利用泰克實時頻譜分析RSA6114A對其實施監測，得到的監測結果如圖5(b)所示。三維瀑布圖通過將每幀所采集的信號進行傅里葉變化后，累計到1幀中，根據縱軸時間幀分辨不同，將多個幀累積顯示，因此信號持續時間大于數據點采樣率，就能在三維瀑布圖中顯示。

表1 跳頻頻點序列表

在三維瀑布圖中清晰顯示了跳頻信號頻率與時間的關系，可以準確描繪出跳頻圖案；利用marker功能可測量出單個信號的持續時間；將三維瀑布圖與幅頻圖相結合，可以測量出信號幅度值。上述工程表明跳頻信號的特征參數可以通過三維瀑布圖與幅頻圖準確測量。

3.2 Chirp信號

Chirp信號以其大時寬帶寬積而在雷達探測中得到廣泛應用，描述Chirp信號主要通過調頻斜率、脈寬以及功率等。圖5(c)展示了三維瀑布圖和時間功率圖下的Chirp信號。

從三維瀑布圖中可以清晰地讀出起始頻率、終止頻率以及脈寬與脈沖重復周期等參數，同時利用時間功率譜圖可以對Chirp信號峰值功率進行測量，進一步驗證信號脈寬。

3.3 同頻干擾信號

同頻或鄰頻干擾會對裝設備正常功能發揮產生重要影響，排除同頻干擾的第一步就是找出干擾信號頻率。三維瀑布圖能夠清晰展示非同時同頻出現信號的頻譜特征，對于排除同頻或鄰頻干擾具有重要意義。

圖5(d)展示了調頻信號與Chirp信號同頻干擾示意圖，從圖中可以清晰觀察出Chirp信號與調頻信號頻率，從而確定出干擾頻率。

圖5 實時頻譜分析對擴頻信號監測結果圖

除上述典型信號監測以外，實時頻譜分析儀還具備頻率觸發模板，能實現對猝發信號的捕獲，并將觸發時間點前后的監測數據進行存儲，便于后期分析處理。

4 結束語

實時頻譜分析技術能夠無縫捕獲空間中的電磁信號，只要給予足夠的存儲空間，實時頻譜分析設備就能夠十分準確地描繪出空間特定頻段的電磁特性。未來戰場上，實時頻譜分析技術必將占有重要地位。