监测接收机的设计与实现

2021-06-30刘传栋陈安军韩连龙

电子测试 2021年5期

刘传栋，陈安军，韩连龙

（中电科仪器仪表公司,山东青岛,266555）

0 引言

通常的无线电监测工作大致分为两类，分别是常规监测和专项监测。常规监测是指以掌握空中电磁频谱使用情况为目的的监测任务，执行该任务需要监测接收机对指定频段进行扫描，在扫描结果的基础上，查找出异常信号，将其结果和监测数据库中的合法已批频点进行对比，找出非法发射信号。专项监测是指以单独分析一个信号的各类特征为目的的特定监测任务，执行该任务时需要监测接收机对发现的非法发射信号进行监测，通过对信号的分析，确定信号的基本参数（如频率、频率误差、发射功率、发射带宽等指标），对发射标识进行识别确定，必要时对信号进行解调、监听。为同时满足上述两种应用需求，一个理想的信号监测接收机解决方案必须具备以下三种能力：宽频段的快速、高分辨率扫描能力；强大的异常信号判断能力；完备的信号分析能力。

其中，具备宽频段的快速、高分辨率的扫描能力让用户在常规监测时尽可能地发现突发的瞬态信号及近噪微弱信号，从而提高信号的截获概率；强大的异常信号判断能力可以方便的从扫描信号中自动识别出非法信号发射，这样用户可以重点关注这些信号，而不是从众多信号中发现这些信号。完备的信号分析能力为用户在专项监测时了解信号的复杂本质提供了有效工具。

1 方案设计

信号监测接收机的设计首先要实现宽频段的快速、高分辨率扫描能力，设计要求为：分辨率带宽2.3kHz下，扫描速度不低于3GHz/s。传统扫频设备扫描速度远远达不到该指标要求，目前最先进的扫频设备是安捷伦公司的PXA信号接收机N9030，该设备在扫宽为3GHz，分辨率带宽2.3kHz时，扫描时间为628s，距离1s的要求差距巨大。为达到信号监测接收机的设计要求，就需要设计一种全新的仪器平台。

在传统的技术方案中，获得一定频率范围内的频谱有两种实现方式：一种是扫描调谐式分析，另外一种是FFT式分析。

扫描调谐式分析基于外差式接收原理，通过混频得到所要求的频点信息，通过更改本振信号来达到一个频段的测量。扫描就是不断改变本振信号，使得本振信号刚好扫过一个频段达到测量目的。在这种技术方案中，扫速取决于分辨率滤波器的响应速度，并且受限于YIG调谐振荡器的扫描速度，其扫速可由下式估算：扫速≈0.8×RBW2（RBW为分辨率带宽）。由该公式可以看出，在RBW比较小的时候，扫描速度会非常慢，当分辨率带宽为2.3kHz，扫描速度只有4.23kHz/s，远远无法满足宽频段、快速、高分辨率扫描的要求。

FFT式分析仪中，RBW滤波器具有极快的响应时间，当FFT分析仪在窄带情况下比扫频分析式快，而宽带分析时要保证同样的分辨率则FFT总计算量耗时相当可观，同时最大分析带宽还受模数转换器采样速度的限制。鉴于此，FFT分析仪通常只应用于有限带宽的频谱扫描，一般带宽范围在几十M左右，无法满足监测分析全频段监测的要求。

由上述论述可见，两种扫描方式各有特点，在各自的应用领域都是可行的解决方案，但应用于信号监测接收机中，两种扫描方式都无法满足要求。

1.1 整机设计

本设计，如图1所示，权衡考虑两种分析方式各自的特点，分别汲取两种设计优点后设计了一种新型的高速并行扫描处理方式：高速调谐超外差接收+多DSP并行FFT分析，通过大步进的快速调谐超外差接收，发挥其在宽频段扫描上的优势；在相互衔接的调谐步进点上采用多DSP并行处理的方式进行FFT分析，发挥其在高分辨率频谱处理上的优势。在完整的扫描频段上接收前端快速调谐的同时多DSP并行的进行FFT分析，由主机程序进行频谱无缝拼接，得到完整的扫描频谱。

图1 信号监测接收机整机原理

该设计除了可以完成高分辨率、快速扫描外，还兼顾了信号分析功能。分析时，调谐超外差接收通路部分工作在固定调谐状态，接收通路完成信号下变频至中频信号，信号处理部分对中频信号进行正交解调输出基带正交数字信号（IQ数据），通过PCI总线传至CPU内存中，然后由CPU通过软件算法实现信号分析。

基于本方案设计的信号监测接收机工作流程如图2.2所示，信号监测接收机通过宽频段的快速、高分辨率的扫描，对设定的频段进行连续的监测，在监测过程中对监测的频段超过阈值门限的异常信号进行检测，发现的异常信号与监测数据库中的信号进行对比，确定是否为非法发射信号。发现不明发射后，通过接收通路的固定调谐接收，由主机对信号进行分析，利用信号监测接收机的信号分析功能对异常信号进行标识。

图2 信号监测接收机工作流程

1.2 硬件平台技术方案

信号监测接收机硬件平台方案如图3所示，主要由微波毫米波接收变频单元、高速中频采集单元、DSP实时信号处理单元、合成本振单元、主机软件单元等部分构成，各单元的基本功能如下：

图3 信号监测接收机框图

微波毫米波接收变频单元是信号监测接收机的信号通路部分，由步进衰减器、低波段混频通路、高波段混频通路、信号滤波等处理电路构成，它将天线接收的9kHz～50GHz信号变换到中心频率为75MHz的中频信号。高速中频采集单元对75MHz中频信号进行高速采集，同时完成宽带数字下变频或多信道的窄带数字下变频处理。DSP实时信号处理单元是信号监测接收机的实时运算部分，对宽带数字下变频器或多信道窄带数字下变频器输出的信号进行各种实时FFT处理操作等。合成本振单元为微波毫米波接收变频单元提供多级混频所需的高纯本振信号。主机软件单元是信号监测接收机的核心控制部分，负责整机硬件的驱动，软件程序的调度，人机界面的交互，同时进行快速傅立叶变换、多阈值信号检测、通信信号调制方式识别、雷达信号调制方式识别、多域参数关联分析、信号实时监测、音频解调等软件处理。

1.3 软件总体方案

信号监测接收机软件采用自顶向下，分层设计的方法。对整个设计进行分层，每一层屏蔽下一层的设计细节，为上层提供统一的服务。如图4所示，设计分为三层，分别为交互层、分析处理层、驱动层。

图4 整机软件结构图

交互层由通用的交互模块组成，它负责接收用户的操作指令，返回仪器的处理结果，实现与用户的随机交互。这个交互式模块将远程控制和本机显示界面统一为一个整体，通过远地、本地两种途径最终改变的如果是本模块自身的状态（如：显示相关的状态）时，模块直接进行处理；如果改变的是整机的状态时（如：改变中心频率），将接收的状态进行预处理（如：参数合法化），向分析处理层传递。由于模块需要控制多种外围接口，包括网络控制器、GPIB控制器、USB-Target控制器，USB键盘控制器等，模块也包含了这些接口的控制部分，控制部分基于控制器的驱动程序完成接口控制功能。

分析处理层接收交互模块传送的仪器状态，完成具体的信号分析与处理操作。它主要由主控模块、多阈值信号检测模块、多域参数关联分析模块、通信信号调制参数识别模块、雷达信号调制参数识别模块、通用功能模块构成。主控模块和通有功能模块是两个服务模块，其中，主控模块负责初始化系统，创建、管理、协调系统中的各个功能模块，解析用户指令，调用相应的分析模块完成指定的功能。通用功能模块为各个分析模块提供通用的功能服务，它按照功能单一、高内聚、低耦合的原则，将仪器中涉及到的通用功能划分成独立的子模块，组成通用功能库，提供给各个分析模块直接调用，这些通用功能子模块主要包括：通路校准、误差修正、跟踪补偿、硬件驱动控制、GPS定位等。分析处理层通过驱动层将控制信息发送给硬件设备，硬件设备将采集的信息通过驱动层返回给分析处理层。

驱动层由各种驱动程序构成，是上层与硬件设备的连接纽带，为上层的硬件访问提供了完全透明的接口，降低了各个模块的实现难度，提高了代码的通用性。

2 实现结果

本设计通过下拉式菜单、快捷按钮、传统菜单和众多对话框实现与用户的友好交互，扫描检测的界面如图5所示。

图5 扫描检测的界面

对扫描得到的频谱数据通过自动阈值的方式进行能量检测，如图6所示。

图6 能量检测的界面

对发现的非法信号发射进行信号分析得到其调制格式。

图7 信号分析的界面

根据企标的检测标准，对本设计进行了扫描速度的测试。测试方法：信号源1频率2GHz，功率10dBm；信号源2频率3GHz，功率0dBm。利用检波器对75MHz中频信号检波，示波器测量检波器输出。在不同的分辨率带宽下得到的测试结果。

表1 信号分析的界面

通过上述的实验可以看出，本设计的扫描速度在RBW为2.3kHz时，扫描速度为4.13 GHz/s，高于指标RBW为2.3kHz时，扫描速度为3GHz/s的要求，完全达到了设计要求。

通过统一的实验方法验证能量检测和信号识别的可靠性，实验方法：信号源输出频率1GHz，调制格式为AM调制的信号，功率为0dBm，依次改变信号源功率和调制格式。信号监测接收机检测到信号，然后用信号识别得到信号的调制格式。

经过对上述方法进行的大量数据检验，当被识别信号的信噪比满足如下条件时，正确识别率能够达到90%以上。

对AM、FM、ASK、2FSK、4FSK、BPSK信号，信噪比大于10dB ；对 8FSK、16FSK、QPSK、OQPSK、Pi/4QPSK 信号，信噪比大于15dB；对8PSK、16PSK、16QAM、32QAM信号，信噪比大于20dB；对64QAM、128QAM、256QAM信号，信噪比大于25dB。