动态频谱信号侦察的商用设备解决方案*

梁 炎

(中国舰船研究院 北京 100192)

1 引言

认知无线电(Cognitive Radio,CR)概念自1999年问世以来,已成为当前通信领域研究的热点,也是未来通信技术的发展方向。简单地讲,认知无线电具备以下两个主要特征[1]:

1)认知能力。认知无线电能够从其工作电磁环境中捕获或者感知信息,能够标识在特定时间和空间内可使用的频谱资源,并能选择最适当的频谱和工作参数。

2)重构能力。认知无线电可以根据电磁环境动态编程,允许认知无线电设备采用不同的无线传输技术收发数据,可动态重构工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等参数。

因此,认知无线电将提高频谱资源利用率。它可以使低优先权的认知用户(次级用户)通过认知无线电技术,适时使用分配给主用户(授权用户)的频谱资源以达到最佳频谱资源共享。

在军事通信领域,认知无线电将传统的静态频谱管理策略转变成动态频谱策略,以适应灵活多变的战场环境,达成实现频谱共享和提高抗干扰能力。动态频谱策略通信也为电子侦察系统提出许多新的挑战。电子侦察系统应具备更强的认知与重构能力。本文试图以当前先进的商用电子侦察设备(例如 R&S、Tektronix公司产品)为工具,研究侦察认知无线电通信的通用解决方案。

2 动态频谱通信的特征

无线电通信系统,根据其频谱分配策略,可分为静态(或固定)和动态频谱通信(见图1)[2]。固定频谱通信是指传统的无线电通信,有窄带通信与宽带通信之分。“窄带”通信的相对带宽(信号带宽与中心频率之比)小于1%,而相对带宽在1%～25%之间被称为“宽带”通信。窄带通信主要包含幅度调制(AM)、频率调制(FM)、相位调制(PM)以及正交调制(I/Q)等系统。宽带通信的基本技术可分为频跳扩频(FHSS)和直序扩频(DSSS)两类。

无线电通信自发明以来,基本上立足于静态频谱分配策略。认知无线电将无线电通信从静态频谱管理策略发展到动态频谱策略,亦即频谱从“不变”走向自适应“多变”。当前常用的动态频谱通信有两大类型:频分复用(FDM)和时分复用(TDM)体系结构,前者的常用技术方案代表是NC-OFDM(Non-Contiguous Orthogonal Frequency Division Multiplexing,非连续-正交频分复用),后者是TDMA-BC(Time Division Multiple Access-Burst Communication,时分多址-瞬间通信)。

图1 无线电通信的频谱分配策略分类

2.1 NC-OFDM

OFDM(正交频分复用)是目前成熟的和充满发展潜力的调制技术。起源于军事通信应用,它已经在数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)和无线局域网(WLAN)等技术中得到广泛应用。OFDM是一种并行多载波体制,它根据存在的“频谱空洞”,灵活对各子载波进行自适应参数分配和调整(频率、功率、调制方式等),以达成最佳的通信效果。

NC-OFDM是基于OFDM的“频谱池”(Spectrum Pooling)策略。这种策略将一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共频谱池,频谱池中的频谱可以是不连续的,整个频谱池被划分成为多个OFDM子信道。感知用户临时占用频谱池里的空闲信道,构成所谓的非连续OFDM。NC-OFDM通信首先获得感知设备提供的发送参数重构信息,从而获得OFDM频谱池内可用的子载波频谱[3]。

“频谱池”技术实际上是一种FDMA(频分多址)接入协议。从军事通信对抗观点来看,这些被选用的子信道也可以认为是“未被干扰”的频谱。因此NC-OFDM具备主动躲避“干扰”的潜在能力。NC-OFDM系统收/发功能是一个实时FFT/IFF T处理过程,因此具有依赖于系统FFT采样时隔与采样点数的固定时间重复周期。

2.2 TDMA-BC

TDMA-BC(时分多址-瞬间通信)是一种基于TDMA(时分多址)接入协议的、以自适应瞬间通信为基础的抗干扰通信。自适应瞬间通信,或称为自适应突发/猝发通信,是指在电磁环境感知设备提示下,选择出最佳可用频谱,并在计算机控制下采用瞬间高速数字通信技术,包括扩频、跳频、分组通信技术、在极短瞬间传送电文或数据。TDMA-BC射频一般可以做到不重复,以避免被截获和干扰。如同Link 16/22等先进的通信系统设备一样,TDMA-BC也是一种时间同步系统,每个网络成员都以TDMA网络时间周期为重复周期在为其分配的时隙发送信息。

3 动态频谱通信的侦察

无线电通信侦察是一种被动式电磁信号截获技术,主要包括信号检测、调制分类、辐射源定位和通信干扰支援。电磁信号截获只有在时域、空域和频域与辐射源信号重合时才有可能。在实施通信侦察时,实际上并不清楚辐射源信号是否存在,对新出现的辐射信号更是一无所知。因此,侦察设备应能覆盖整个通信波段和各种通信体制,应具备实时在线自动信号分析和非实时离线人工信号分类的能力,以便为每一种辐射源建立相应的特征数据库。

图2 无线电通信侦察网的体系架构

为了截获动态频谱信号,无线电通信侦察应具备认知与重构能力。因为动态频谱信号存在“多变性”,其信号特征(例如中心频率、带宽、调制方式、发射功率等参数)的相关性也可能“多变”,侦察设备应当能够认知这种“多变性”,并通过通信侦察网融合同一辐射源的动态频谱信号。如图2所示,每个通信侦察节点都提供信号特征检测、信号时间周期特征检测和地理位置特征检测的能力。

3.1 信号特征检测

信号特征检测是电子侦察常用的传统技术。如图2所示,每个通信侦察节点提供的信号特征检测包括以下三种功能:

1)匹配滤波检测。由于电子侦察设备需要捕获任意瞬间发生的通信信号,除了要覆盖整个感兴趣的时域与空域外,它还需要使用一系列匹配滤波器并行覆盖整个通信频段(见图3)。采用相关检测技术的匹配滤波检测用于捕获信噪比(SNR)超过匹配滤波器门限值的确知信号,还能捕获多种调制方式的一部分已知波形,例如前导波、导频码、训练序列等。因为动态频谱信号“多变”,信号相关检测就需要更多的人工智能干预,通常使用信号特征数据库记录、跟踪和对比信号的动态特性。

2)频谱能量检测。频谱能量检测是一种非相关检测法,也是目前应用最广的一种频谱检测方式。它在时域或频域上一段观察空间内统计接收信号的总频谱能量,如果频谱能量超过预设的检测门限,就认为信号存在。其缺点就是噪声的不确定性使得检测门限设置比较困难,以及无法区分信号、噪声和干扰。在实践中,频谱能量检测可测量多种频谱能量,例如信道功率(CP)、突发功率(BP)、邻信道功率(ACP)、载噪比(C/N)、占用带宽(OBW)、载波频率(CF)、射频带宽(EBW)或欺骗/虚假信号等,从多种视角提升判断信号存在的能力。

图3 匹配滤波器瞬时捕获任意发生的信号

3)循环平稳特征检测。用于传输信息的调制信号不管是调制在正弦波、跳频序列、循环前缀(CP)、扩展码或脉冲序列中,一般都具有某种程度上的周期性,其统计特性诸如频谱均值和自相关都呈现出周期性,而噪声不具备这种特性,因此可以利用调制信号的循环平稳特性(cyclostationary signatures)来检测出噪声背景下的信号。谱相关检测法的优点是基于信号特征离散地分布在循环谱的循环频率中,而背景噪声和干扰在非零循环频率处不会呈现谱相关特性,因而能够区别调制信号和噪声以及干扰[4]。

3.2 信号时间周期特征检测

尽管动态频谱信号“多变”,但其信号辐射具有明显的时间周期性。例如,NCOFDM信号辐射时间具有以 FFT/IFFT周期为基本特征的重复周期。TDMA-BC的每个网络成员在指定的时隙发射信号,拥有以TDMA网络时间周期为特征的固定重复周期。信号时间周期相关性可作为融合动态频谱信号的一个重要特征。图4描述使用“信号特征”全景视图显示动态频谱信号的时间周期特性。

3.3 信号源的地理位置特征检测

地理位置是每个辐射源固有的物理特性。在单点无线电通信侦察设备中,信号到达方位数据体现辐射源平台的地理位置特性,它在信号分选、融合、识别和定向中扮演重要角色。电子侦察网使用多个电子侦察节点提供的信号到达方位数据交叉确定信号辐射源的地理位置,这将有效地提高检测信号的准确性。

图4 一种动态频谱信号的时间周期特征显示[5]

4 商用设备解决方案

当前商用宽带接收技术业已成熟,能够满足多种电子侦察应用需求,并且价格合理,更新换代快,它改变了传统军用电子侦察应用只使用专用设备的习惯。德国罗德与施瓦茨(R&S)公司和美国Tektronix公司的产品就是这方面的成功典范。

4.1 信号特征检测

德国R&S公司EM510/EM550宽带数字接收机能覆盖从9kHz至3.6GHz波段,I/Q数据高达10MHz带宽,解调高达10MHz带宽,中频(IF)模拟输出高达50MHz带宽,并能无损处理窄带和宽带发射信号[6]。它以 128MHz采样率对中频(IF)滤波信号连续采样,并将2048个采样点组成一帧FFT信号,实现“瞬时”频谱及其参数输出。如果将中频滤波信号扩展外接到专用的宽带DSP设备,后者将能分析更为复杂的信号特征,例如调制信号循环平稳特征检测、信号时间周期特征检测等。EM510/EM550宽带数字接收机提供以下多种模式进行信号特征检测(见表1):

表1 EM510/EM550宽带数字接收机的主要性能

1)固定频率模式(FFM)。通过设置固定频谱信道,它接收、滤波和解调分类各种“窄带”信号,例如AM、FM 、PM、脉冲(AM 脉冲)、CW 等通信信号。

2)信道扫描(Channel scan)/频率扫描(Frequency scan)模式。通过设置测量波段的两个极端点频率以及扫描步长,它高速(可高达34GHz/s)无缝实时扫描整个波段信号。信道扫描除了设置信道中心频率外,还可设置信道带宽、信道分辨率、占用带宽度或信号电平门限等参数,实现各种信号频谱能量检测。

3)存储扫描(Memory scan)模式。这是快捷的信道扫描模式,它以频率存储表为基础,扫描一系列指定的载频点(可高达10000个频点)。每个载频点代表一个信道,存储扫描快速搜索用户编程指定的信道,因此特别适用搜索已知的通信系统的信号。

4)宽带固定频率模式(Wideband FFM)。它提供具有50MHz带宽和405.4MHz中心频率的模拟中频输出,支持实时FF T分析中频信号的频谱特性。实时FFT中频信号能扩展成为调制信号循环平稳特征检测的信息源。

5)全景扫描(Panorama scan)模式或称实时FFT。它以10MHz瞬时带宽对整个设置的波段进行高分辨率FFT(ADC采样频率为128MHz、分辨率为14bit)分析信号频谱特性。

通过组合使用匹配滤波检测和频谱能量检测,EM510/EM550宽带数字接收机能胜任分析与解调许多军用通信信号,尽管还需要更高的频带扫描速度才能检监测直序扩频(DSSS)、高速频跳扩频(FHSS)或瞬时单脉冲信号,但是商用电子监测设备的开放性结构、模块化设计和价格适宜等优点将成为构造军用电子侦察设备的一个重要选项。

4.2 辐射源的地理位置检测

德国R&S公司DDF0xE家族设备是一体化的数字扫描测向机,可根据天线配置选用沃森-瓦特(Watson-Watt)或相关干涉两种测向法,能在0.2μ V/m(HF)～1μ V/m(≤1.3GHz)或 3μ V/m(≥1.3GHz)～3μ V/m(≤3GHz)低场强环境获得稳定的测向结果,测向分辨率可达2～1°RMS[7]。DDF0xE测向机内部配置了三部相当于 EM510/EM550的宽带数字接收机,以10MHz FFT实时带宽提供30GHz/s测向扫描速度以及240000信道/s速率来确定辐射源的信号到达方位(相关干涉法)。很明显,通过多部DDF0xE设备的交叉定位就能确定辐射源信号的地理位置。

5 结语

在认知无线电通信领域,人们对侦察动态频谱信号的认知还很肤浅,但是信号特征检测、信号时间周期特征检测以及地理位置特征检测将是构成搜索、截获、识别与定位动态频谱信号的技术基础。商用电子侦察设备种类繁多,其用途、功能以及性能各有特长,在专用军用设备的完备下,使用多种商用设备的优势互补以及冗余的体系结构将有利于形成全方位、多层次、多渠道和多手段的电子侦察体系。

[1]李冀.认知无线电技术及其军事应用[J].现代军事,2008(2)

[2]陆建勋.动态频谱无线通信体制探讨[R].2008年军事电子信息学术会议(南昌)主题报告,PPT,2008,9

[3]谢显中.感知无线电技术及其应用[M].北京:电子工业出版社,2008,4

[4]Paul D.Sutton.Cyclostationary Signatures in Practical Cognitive Radio Applications[J].IEEE IN COMM UNICATIONS,2008,26(1)

[5]Fundamentals of Real-Time Spectrum Analysis[EB/OL].www.tektronix.com/rsa,2005,4

[6]EM 510/EM550 Digital Wideband Receivers:Maximum power from HFtoUHF[EB/OL].www.rohdeschwarz.com,2007/II

[7] Digital HF/VHF/UHF ScanningDirection Finder R&S DDF0xA[EB/OL].www.rohde-schwarz.com