復雜電磁環境采集回放系統設計分析

摘" 要：針對電子對抗設備復雜電磁環境效應構建難題，提出一種寬帶數字射頻存儲來實現高重復性和保真度的復雜電磁環境采集回放系統。設計緊貼用頻設備測試需求，給出系統方案、硬件模塊設計和軟件架構組成，最后展示信號采集記錄與回放離線分析2種模式下的測試效果。該系統可以用來提供背景信號、干擾信號或特定信號，為被測設備的性能評估提供數據支撐，為電子對抗、復雜電磁環境構建提供決策依據。

關鍵詞：復雜電磁環境；采集；回放；寬帶；數字射頻存儲

中圖分類號：TN957" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0019-05

Abstract： In order to solve the problem of constructing the complex electromagnetic environment effect of electronic countermeasure equipment， a broadband digital radio frequency storage system is proposed to realize the acquisition and playback system of complex electromagnetic environment with high repeatability and fidelity. The design closely meets the testing requirements of frequency equipment， gives the system scheme， hardware module design and software architecture， and finally shows the test effect of signal acquisition and recording and playback offline analysis mode. The system can be used to provide background signals， interference signals or specific signals， provide data support for the performance evaluation of the equipment under test， and provide decision-making basis for electronic countermeasures and the construction of complex electromagnetic environment.

Keywords： complex electromagnetic environment; acquisition; playback; broadband; digital radio frequency storage

近年來，隨著無線電技術飛速發展，通信設備受到的電磁輻射愈加凸顯，信息通信設備的發展避不開對復雜電磁環境的研究，場景如圖1所示。復雜電磁環境主要來源于我方、敵方、民用設施及自然環境的有意無意的射頻信號電磁場，當這些輻射的能量作用到具體的設備上時產生的電磁環境效應不容忽視。因此，現場電磁數據的保存、恢復和分析顯得非常重要。

為構建真實的復雜電磁環境，使用實際的設備進行模擬演練最為直接有效。但是，構建實際的電磁環境帶有一定的盲目性，耗費人力財力，這種方式效率低下。利用系統建模和仿真手段構建出虛擬的復雜電磁環境，通過虛擬真實的環境實現部署，這種方法信號樣式單一，只能完成待測設備的常規測試，無法替代實際的外場環境，達不到考核復雜電磁環境適應性的效果。伴隨著越來越多復雜外場電磁環境監測以及衛星通信、導航接收機外場測試、電臺干擾源監測等任務，試驗數據事后分析及外場電磁環境重建的需求越來越緊迫。

設計射頻信號記錄和回放系統，對復雜電磁環境信號進行連續長時間的采集、存儲和離線分析，并可對已記錄的射頻信號進行接近無失真的回放發射以實現射頻場景半實物構建，進行典型場景下電磁干擾與抗干擾試驗，實現多種干擾的綜合對抗試驗，乃至系統級對抗和體系對抗試驗，是考核設備在逼真復雜電磁環境下效能的絕佳選擇。在復雜電磁環境場景中，射頻信號紀錄回放系統主要用于對寬帶信號進行高速連續實時采集記錄，適用于雷達、無線通信、軟件無線電、衛星導航、復雜電磁環境信號的高速采集、記錄和存儲。因此，射頻信號記錄回放系統具有廣泛應用前景和重要軍事價值。

1" 系統總體方案

射頻信號記錄回放系統主要由射頻單元、信號采集回放單元、高性能存儲單元和軟件平臺組成，采用專業的主控、背板和電源模塊作為運行平臺。設備所有模塊為標準化設計，可兼容其他標準外設板卡，其方案框圖如圖2所示。

系統實現寬帶電磁環境的實時記錄與回放功能，各模塊具體功能如下。

1）射頻單元完成射頻信號的上下變頻功能。下變頻單元，負責接收端口輸入的射頻信號，進行信號調理、濾波等功能，變換至中頻送給信號采集回放單元；上變頻單元，負責將信號采集回放單元送過來的中頻信號，完成模擬濾波、上變頻、增益控制等功能，變頻至射頻信號，可由射頻端口輸出。

2）信號采集回放單元實現對復雜電磁信號的采集與回放。信號的采集記錄，實現模數轉換器（ADC）數據采集，高速數據緩存及流控處理，將采集數據輸出至高性能單元進行存儲，完成信號頻譜顯示等功能；信號的回放，讀取高性能存儲單元內存儲的數據文件，進行相應數字處理后，上變頻至中頻信號輸出給射頻單元。

3）高性能存儲單元實現對輸入信號的高速實時存儲、數據導出等功能。

2" 系統設計

2.1" 信號采集單元

信號采集單元實現中頻信號的采集和存儲，對輸入中頻信號進行下變頻、濾波、組幀打包等操作后輸出至高速存儲單元進行存儲。如圖3所示，在采集記錄信號時，接收前端輸入的中頻信號，送給ADC子板完成模數轉換，然后同步進行數字正交下變頻（DDC）、抽取濾波、組幀、組包，最后以直接存儲器訪問（DMA）的方式通過PCIe總線存儲到高速存儲模塊中。

為了保證信號的同步采樣，可以使用外同步觸發信號、靈活信號檢測、軟件同步觸發等方式，來實現同步采集。在使用外同步觸發信號時，外觸發輸入送給高速數字信號處理模塊的FPGA（現場可編程門陣列），FPGA中有觸發控制模塊，控制板卡開始工作，啟動DMA控制部分。在軟件觸發時，在監控界面上點擊開始采集后，零槽控制器將給系統內所有板卡同時下發啟動信號，所有板卡開始工作，啟動DMA控制部分。

采集單元接收ADC送來的采樣數據，完成基線調整、數字正交下變頻、濾波和抽取，然后將數據送給數據組幀和打包模塊。每個通道組成及信號流程如圖4所示。

2.2" 信號回放單元

回放單元實現存儲IQ信號的無失真回放功能。如圖5所示，在回放存儲零中頻基帶信號時，高速數字信號處理模塊以DMA方式從高速存儲模塊中讀取數據。首先完成數據解幀，將數據中的時間信息等冗余數據去掉，其次進行插值濾波，最后送給數模轉換器（DAC）完成數模轉換得到模擬基帶信號，模擬基帶信號輸出給矢量信號發生器單元。

為了保證信號的同步回放，可以使用外同步觸發信號、靈活信號檢測或者軟件同步觸發的方式。在使用外同步觸發信號時，外觸發輸入送給高速數字信號處理模塊的FPGA，FPGA中有觸發控制模塊，在收到外部觸發信號后控制板卡開始工作，啟動DMA控制。在軟件觸發時，在監控界面上點擊開始回放后，零槽控制器將給系統內所有板卡同時下發啟動信號，所有板卡開始工作，啟動DMA控制。

根據設置的回放場景，回放單元從大容量存儲卡中讀取數據，根據不同頻點完成數據拆包，將不同頻點的數據送給不同的處理通道，每個處理通道完成一個頻點信號處理。在每個通道中首先完成數據解幀，將數據中的頻點信號、時間信息等冗余數據去掉，然后進行插值濾波，再進行數字上變頻得到數字中頻信號。單通道數字信號處理原理框圖如圖6所示。

2.3" 高性能存儲單元

復雜射頻信號記錄回放系統存儲模塊，通過FPGA直接控制固態硬盤（SSD），PXIe總線與信號采集記錄單元通信，采用DMA方式實現高速數據的存取。根據用戶需求可選擇多種數據存儲格式，如中頻直接存儲數據格式、I/Q復基帶信號存儲格式等。支持原始格式，也支持符合IRIG-106標準的打時間戳格式。用戶可通過界面配置，靈活選擇合適的存儲方式。數據以標準Windows文件的方式進行保存。文件中數據以包的形式存儲，每個文件都由“計算機生成數據設置記錄包”“數據包”“時間數據包”3類包組成。具有功耗低、可擴展性好和容量可靈活配置等特點。

3" 系統軟件

復雜電磁環境采集回放系統軟件設計采用分層及組件化思想，包含任務層、信息處理層和控制層（接口層）。其中，任務層主要完成系統三大任務，即電磁環境監測功能、采集記錄功能和回放分析功能；信息處理層對任務層傳遞下發的信息情況進行分解處理并調用相應管理組件，包含信號接收、信號采集、信號處理、信號傳輸、信號分析和信號回放6個子任務。控制層根據不同管理組件分別控制信號接收、中頻數字化處理和高速存儲三大接口。

系統軟件的開發和使用環境相同，選用VS2010進行系統的軟件設計和開發管理，運行環境為Windows系列操作系統。

3.1" 信號采集記錄模式

信號采集模式下，對某頻率范圍的電磁信號進行采集，設置通道采集帶寬，根據用戶設定進行實時采集或按條件進行觸發采集記錄。用戶可設置的參數包括中心頻率、采集帶寬、射頻衰減或放大、采集方式和采集時長。采集方式包括實時和觸發2種，觸發方式包括時間、能量和環境模板。采集時間包括有限和持續，有限可設置具體的采集記錄時長。采集記錄結果包括信號頻率、采集帶寬、時標、位置信息和原始數據等，保持在磁盤陣列中。信號采集記錄模式界面如圖7所示。

3.2" 回放離線分析模式

具備信號回放和離線分析功能，對記錄的信號原始數據進行回放（時域回放、頻域回放）。對調用信號分析功能進行信號的二次分析，支持數字通信信號、雷達脈沖信號、跳頻信號等多種類型，如脈沖雷達的幅度、時間、峰值功率、平均發射功率、脈寬、上升時間、下降時間、重復間隔（s）、重復間隔（Hz）和占空比（%）等參數，還具備誤差矢量幅度（EVM）、調制誤差比（MER）、幅度誤差、相位誤差、頻率誤差、星座圖和符號表等參數分析功能。可對信號原始數據格式進行轉換，對信號進行切割與合并。具備硬件模擬回放能力，重構電磁環境，實現半實物模擬。

4" 結論

本文針對復雜電磁環境的模擬復現難題，設計了一種復雜電磁環境記錄回放系統。系統由上下變頻器模塊、高性能ADC、DAC和高性能磁盤陣列組成，結構緊湊，方便外場攜帶。具備常規監測、采集記錄、存儲回放、離線信號分析和數據管理等功能，覆蓋30 MHz至18 GHz工作頻段、采集帶寬連續可變，每通道最高帶寬達到1 GHz，2.4 GB/s的記錄速率以及16 TB的存儲空間。能夠高效精準復現真實復雜電磁信號，掌握用頻設備實際面臨的電磁環境效應和復雜射頻信號特征，為用頻設備的測試提供接近真實的電磁環境，可有效減少現場測試次數，縮短測試時間，為設備的效能評估提供支撐。

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