复杂电磁信号分析与记录系统解决方案探讨

2021-12-24耿莽河

科学与信息化 2021年13期

关键词：矢量电磁模块化

耿莽河

航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司辽宁沈阳 110850

在宽带信号等技术应用领域，其频谱已经覆盖了从低频、短波、微波、毫米波等全部频段，频谱越来越密集，信号的形式更加多样化，空间电磁环境愈发复杂。

1 需求分析

1.1 主要功能

①电磁环境数据监测功能：具有超宽频带的监测范围，瞬时带宽可达一百多兆赫兹；②电磁环境数据记录功能：具备长时间实时记录和存储电磁环境数据的功能，用于对数据做事后分析处理，测试结果可生成报表并可通过USB接口将数据导出；③电磁环境再现功能：产生分析带宽的任意调制信号，具备调制波形实时下载、实时产生功能，能够模拟复杂电磁环境中的各种信号；④专业的测试软件：系统自检、矢量信号分析、数据管理、矢量信号发生、离线分析等功能。

1.2 主要指标

①信道数：1信道（可扩展）；②环境监测频率范围：超宽频带监视，监测带宽一百多兆赫兹；③分析速度：1s内完成超宽频带内的毛刺和谐波表征，且分辨率带宽达十几千赫兹；④存储容量：最小4TB（可扩展）。

2 技术方案

2.1 设计目标

本系统基于高性能PXIe协议，实现标准化、模块化、可扩展的复杂电磁环境信号分析与记录平台。本系统主要用于对宽带信号进行高速连续实时采集记录，适用于无线通信、卫星导航等领域的复杂电磁环境信号的高速采集和记录，同时本系统配备了回放模块，可以提供录制信号的回放功能[1]。

2.2 系统架构

2.2.1 PXIe总线特性。PXIe除了PXI现有的定时和同步功能，PXIe还提供了附加的定时和触发总线，包括差分系统时钟、差分信号，以及差分星型触发等。通过使用差分时钟和触发，PXIe系统增加了对仪器时钟的抗噪声能力，并能传输更高频率的时钟信号。

2.2.2 系统组成。系统按照功能可以划分为接收部分和发射部分，接收部分实现对现场电磁环境的监测和记录，发射部分根据记录的数据，配合功放、天线等设备，对现场环境进行再现。接收信号时，通过接收天线组捕捉环境中的电磁干扰信号，通过矢量信号分析仪M9393A可同时监测多个不重叠频段内的电磁信号，具体过程是将天线捕捉的不同频段内的射频信号通过隔离器/合路器进行处理，然后接到下变频器M9365A，以将射频信号转换到中频信号，再通过中频数字化仪M9214A对其进行数字化处理，最后数据通过背板总线传输到高速数据存储卡中进行流盘。

发射信号时，系统读取高速数据存储卡上存储的电磁环境数据，采用矢量信号发生器M9381A对记录的数据进行还原，形成的射频信号通过发射天线组发射出去。

2.2.3 主要硬件模块。主要硬件模块包括：PXIe机箱、嵌入式控制器、矢量信号分析仪、矢量信号发生器、高速数据存储卡、显控单元、机箱、天线组。接收天线：1个有源拉杆天线、2个双锥天线、1个喇叭天线。发射天线：发射天线发射的频段为高频段信号，可通过一个对数周期天线来实现，对于低频段范围内的信号直接由信号发生器输出至待测设备。

2.2.4 软件设计。推荐的专业测试软件是在参考德科技“黑鸟”系统软件主要功能的基础上，开发外场测试系统软件，采用模块化结构进行设计。

测试软件功能包括：自检、矢量信号分析、数据管理、矢量信号发生、离线分析。

2.2.4.1 自检功能。自检功能完成系统各部分的自检并给出自检结果。

2.2.4.2 矢量信号分析功能。快速频谱搜索：实现完整频谱的快速搜索功能，可以同时监视四组不同频段的测量数据。信号检测功能：由能量阈值检测、能量历史信息和告警条件组成。信号解调功能：可以进行模糊解调（AM、FM）和数字解调（ASK、FSK、PSK、MSK、CPM、QAM）。在线分析功能：可以实现功率谱、峰值功率和频率、带内功率、邻频功率等频谱测量功能。

2.2.4.3 数据管理功能。对测试数据和分析结果的管理，保证可靠记录和处理，包括记录的干扰数据、天线型号等。

2.2.4.4 矢量信号发生功能。矢量信号发生界面可以生成模拟连续波，如正旋波信号，也可以生成模拟调制波（AM、FM）和数字调制波（ASK、FSK、PSK、MSK、CPM、QAM），还可以再现现场电磁环境信号。

2.2.4.5 离线分析功能。离线分析界面会通过加载所保存的数据文件，将所需的环境信息回放出来，并对数据进行频谱分析。也可以生成报表格式进行保存，方便用户导出。