復雜電磁信號分析與記錄系統解決方案探討

耿莽河

航空工業沈陽飛機工業（集團）有限公司 遼寧 沈陽 110850

在寬帶信號等技術應用領域，其頻譜已經覆蓋了從低頻、短波、微波、毫米波等全部頻段，頻譜越來越密集，信號的形式更加多樣化，空間電磁環境愈發復雜。

1 需求分析

1.1 主要功能

①電磁環境數據監測功能：具有超寬頻帶的監測范圍，瞬時帶寬可達一百多兆赫茲；②電磁環境數據記錄功能：具備長時間實時記錄和存儲電磁環境數據的功能，用于對數據做事后分析處理，測試結果可生成報表并可通過USB接口將數據導出；③電磁環境再現功能：產生分析帶寬的任意調制信號，具備調制波形實時下載、實時產生功能，能夠模擬復雜電磁環境中的各種信號；④專業的測試軟件：系統自檢、矢量信號分析、數據管理、矢量信號發生、離線分析等功能。

1.2 主要指標

①信道數：1信道（可擴展）；②環境監測頻率范圍：超寬頻帶監視，監測帶寬一百多兆赫茲；③分析速度：1s內完成超寬頻帶內的毛刺和諧波表征，且分辨率帶寬達十幾千赫茲；④存儲容量：最小4TB（可擴展）。

2 技術方案

2.1 設計目標

本系統基于高性能PXIe協議，實現標準化、模塊化、可擴展的復雜電磁環境信號分析與記錄平臺。本系統主要用于對寬帶信號進行高速連續實時采集記錄，適用于無線通信、衛星導航等領域的復雜電磁環境信號的高速采集和記錄，同時本系統配備了回放模塊，可以提供錄制信號的回放功能[1]。

2.2 系統架構

2.2.1 PXIe總線特性。PXIe除了PXI現有的定時和同步功能，PXIe還提供了附加的定時和觸發總線，包括差分系統時鐘、差分信號，以及差分星型觸發等。通過使用差分時鐘和觸發，PXIe系統增加了對儀器時鐘的抗噪聲能力，并能傳輸更高頻率的時鐘信號。

2.2.2 系統組成。系統按照功能可以劃分為接收部分和發射部分，接收部分實現對現場電磁環境的監測和記錄，發射部分根據記錄的數據，配合功放、天線等設備，對現場環境進行再現。接收信號時，通過接收天線組捕捉環境中的電磁干擾信號，通過矢量信號分析儀M9393A可同時監測多個不重疊頻段內的電磁信號，具體過程是將天線捕捉的不同頻段內的射頻信號通過隔離器/合路器進行處理，然后接到下變頻器M9365A，以將射頻信號轉換到中頻信號，再通過中頻數字化儀M9214A對其進行數字化處理，最后數據通過背板總線傳輸到高速數據存儲卡中進行流盤。

發射信號時，系統讀取高速數據存儲卡上存儲的電磁環境數據，采用矢量信號發生器M9381A對記錄的數據進行還原，形成的射頻信號通過發射天線組發射出去。

2.2.3 主要硬件模塊。主要硬件模塊包括：PXIe機箱、嵌入式控制器、矢量信號分析儀、矢量信號發生器、高速數據存儲卡、顯控單元、機箱、天線組。接收天線：1個有源拉桿天線、2個雙錐天線、1個喇叭天線。發射天線：發射天線發射的頻段為高頻段信號，可通過一個對數周期天線來實現，對于低頻段范圍內的信號直接由信號發生器輸出至待測設備。

2.2.4 軟件設計。推薦的專業測試軟件是在參考德科技“黑鳥”系統軟件主要功能的基礎上，開發外場測試系統軟件，采用模塊化結構進行設計。

測試軟件功能包括：自檢、矢量信號分析、數據管理、矢量信號發生、離線分析。

2.2.4.1 自檢功能。自檢功能完成系統各部分的自檢并給出自檢結果。

2.2.4.2 矢量信號分析功能。快速頻譜搜索：實現完整頻譜的快速搜索功能，可以同時監視四組不同頻段的測量數據。 信號檢測功能：由能量閾值檢測、能量歷史信息和告警條件組成。信號解調功能：可以進行模糊解調（AM、FM）和數字解調（ASK、FSK、PSK、MSK、CPM、QAM）。在線分析功能：可以實現功率譜、峰值功率和頻率、帶內功率、鄰頻功率等頻譜測量功能。

2.2.4.3 數據管理功能。對測試數據和分析結果的管理，保證可靠記錄和處理，包括記錄的干擾數據、天線型號等。

2.2.4.4 矢量信號發生功能。矢量信號發生界面可以生成模擬連續波，如正旋波信號，也可以生成模擬調制波（AM、FM）和數字調制波（ASK、FSK、PSK、MSK、CPM、QAM），還可以再現現場電磁環境信號。

2.2.4.5 離線分析功能。離線分析界面會通過加載所保存的數據文件，將所需的環境信息回放出來，并對數據進行頻譜分析。也可以生成報表格式進行保存，方便用戶導出。

3 結束語

本解決方案是基于德科技的PXIe模塊化產品，結合系統集成研發經驗進行設計，其先進性主要表現在以下幾個方面：

3.1 基于PXIe總線的模塊化結構設計

低延時、高吞吐量的PXIe體系結構，提升系統的測試性能；使用戶在需要滿足新的測試要求時，只需要更換個別的模塊，而無須更換整個系統。

3.2 高性能的硬件設備

采用目前全球范圍內頻帶范圍最寬的模塊化矢量信號分析儀M9393A，它具有極高的射頻搜索速度和分辨率，可以加速檢測未知的持續時間較短的無線信號。

3.3 超大容量的模塊化高速數據存儲卡

采用目前主流的模塊化高速數據流盤產品，不僅具有與傳統的磁盤陣列產品相媲美的存儲容量和讀寫性能，而且更進一步提高了系統的集成度。