基于实时频谱分析的电磁频谱监测技术研究

易 波,毕术龙,耿西伟

(解放军78118部队,四川 成都 610051)

0 引言

电磁频谱监测是利用监测设备对空中电磁信号的频谱特性进行测量与分析,以达到掌握空间电磁态势,发现电磁干扰以及定位干扰源的目的。但无线电技术的发展给频谱监测工作带来了巨大挑战。一方面无线电设备的密度日益增加,空中信号频域密集,时域相互交叠,整个电磁环境呈现出密集性和动态性特征;另一方面,信号体制和调制越来越复杂,信号空中持续时间变短、频带变宽以及跳频通信技术的推广,增加了信号捕获与识别的难度。

实时频谱分析设备利用专门的高速计算芯片,将捕获数据进行实时处理,消除死区时间,真实展现空中电磁频谱特性,及时发现空中瞬态信号,准确测量信号参数,更好地掌握空间信号的变化特征,有效提升频谱监测工作的质量。

1 典型时变信号特征

通信、雷达等设备为达到抗干扰目的,普遍采用跳频、线性调频(Chirp信号)等时变体制,使得信号动态性明显提升,增加了电磁环境监测的难度。传统超外差式和矢量信号分析仪均存在死区时间,因此无法准确描绘空间信号的时变特征。

1.1 跳频信号

跳频是载波频率在一定频率范围内不断跳变的扩频技术,载频跳变规律由伪随机序列决定。现在广泛应用的全球移动通信系统(GSM)也是跳频系统,跳频速率规定为217跳/s,而军用跳频电台的跳频速率更是达到上万次/s。

跳频信号数学模型表示如下:

式中:d()为已调信号;ω和分别为＜≤(1)范围内的载频和相位;()为干扰噪声。

跳频系统发射信号数学模型表明跳频信号系统具有高度的动态性,载频频率随时间按伪随机序列不断变化。载频频率跳变的速率越快,频率数目越多,跳频图案越复杂,则抗干扰性能也就越好,但给频谱监测工作带来的挑战也越大。图1(a)给出了跳频信号的跳频图案示例。

1.2 Chirp信号

Chirp信号是一种频率随时间线性变化的信号,具有较大时宽带宽积,可有效解决探测距离和提高距离分辨率的矛盾,显著提升系统抗干扰/杂波能力,在雷达和通信领域有着广泛的应用。

Chirp信号的数学表达式为:

式中:为Chirp信号的初始频率;为Chirp信号的调频斜率;为Chirp信号的初始相位。

Chirp信号时域波形图和频域频谱图如图1(b)所示。从图中可以发现频率随时间呈线性变化,利用传统扫频式分析技术,当扫描时间与Chirp信号变化时间不匹配时,只能观察到几个离散的频点,最大值保持虽然能看清频谱全貌,但需要累积一定时间,且无法正确反映Chirp 时域特征,正确反映Chirp时频特性需要频谱监测设备具备实时频谱分析功能。

另外,随着电子设备数量呈爆炸式增长,无线电设备的密度也越来越高,电磁信号在时域呈现交织,频域呈现重叠特征,外加违规用频或装设备杂散,同频干扰概率急剧增加。图1(c)为Chirp信号和调频信号频率重叠时的频谱图,从图中难以分辨出Chirp信号与调频信号的频率重叠现象。要真实描述空间中信号的电磁特征,频谱监测设备必须具备实时频谱分析功能。

图1 典型扩频信号频谱图

2 实时频谱分析原理与重要工具

2.1 实时频谱分析原理

实时频谱分析实现基本电路如图2所示。实时频谱分析仪射频前端与矢量信号分析仪相同,均将空中接收信号放大滤波后,再进行下变频。区别于矢量信号分析仪,实时频谱分析技术拥有超高速的快速傅里叶变换(FFT)计算的专用集成电路(ASIC),保证FFT 计算时间小于信号捕获时间(如图3所示),从而实现信号快速无缝捕获,达到实时效果。

图2 实时频谱分析技术基本电路图

图3 实时处理基本概念

2.2 数字荧光技术

数字荧光技术(DPX)通过将每秒数十万帧的频谱数据以位图数据库的形式积累,以颜色表示信号出现概率,并以人眼可反应的速度更新频谱轨迹。DPX 实质就是将一段时间内所有信号频谱累计到1张位图中,其数据处理过程如图4(a)所示。矢量信号分析仪难以捕捉的短时信号能够通过DPX 轻松观测。

2.3 三维瀑布图

三维瀑布图用来描述空间信号频率、时间与幅度三者变化情况,其数据处理流程如图4(b)所示。图中1条水平线代表1帧频谱,其由个FFT 频谱检波加权获得,取值与纵轴时间跨度相关,幅度大小用颜色深浅表示。不同时刻频谱从上往下依次排列(最新的帧位于顶部),从而连续表示出频谱随时间的变化情况。通过调整纵向时间刻度,并配合幅频图,可以便捷地测量信号频率随时间变化的规律、信号幅度,排查干扰信号等。

2.4 时频图

时频图是时频联合域分析的简称,是分析时变非平稳信号的有力工具。以Chirp信号为例,其时频图如图4(c)所示。相比三维瀑布图,更容易发现频率突变,具有更高的时间分辨率,是时变信号分析的重要工具。

2.5 时间功率图

时间功率图与扫频式分析仪零扫宽功能类似,将中频滤波器输出信号进行积分得到功率,对应时刻表示在横轴上。时频图从时间和功率角度展示接收信号功率随时间变化关系。在时间功率图中,横轴表示时间,纵轴表示功率,以脉冲信号为例,其时间功率图如图4(d)所示,如果是连续波,其时间功率谱则是一条直线。

图4 实时频谱分析重要工具

3 基于实时频谱分析的扩频信号监测

为验证实时频谱分析技术在电磁环境信号监测中的作用,利用2台信号源(型号:是德33600A 和思议1465B)搭建扩频信号电磁环境,1台实时频谱分析仪(型号:RSA6114A)模拟监测接收机,系统原理如图5(a)所示。

3.1 跳频信号

跳频信号的特点是载频随时间不断跳变,准确描述跳频信号特征需要跳频图案、单跳持续时间以及信号幅度等信息。

利用是德33600A 列表发射功能,按表1 中的频点循环发射信号,模拟跳频信号。利用泰克实时频谱分析RSA6114A 对其实施监测,得到的监测结果如图5(b)所示。三维瀑布图通过将每帧所采集的信号进行傅里叶变化后,累计到1帧中,根据纵轴时间帧分辨不同,将多个帧累积显示,因此信号持续时间大于数据点采样率,就能在三维瀑布图中显示。

表1 跳频频点序列表

在三维瀑布图中清晰显示了跳频信号频率与时间的关系,可以准确描绘出跳频图案;利用marker功能可测量出单个信号的持续时间;将三维瀑布图与幅频图相结合,可以测量出信号幅度值。上述工程表明跳频信号的特征参数可以通过三维瀑布图与幅频图准确测量。

3.2 Chirp信号

Chirp信号以其大时宽带宽积而在雷达探测中得到广泛应用,描述Chirp信号主要通过调频斜率、脉宽以及功率等。图5(c)展示了三维瀑布图和时间功率图下的Chirp信号。

从三维瀑布图中可以清晰地读出起始频率、终止频率以及脉宽与脉冲重复周期等参数,同时利用时间功率谱图可以对Chirp 信号峰值功率进行测量,进一步验证信号脉宽。

3.3 同频干扰信号

同频或邻频干扰会对装设备正常功能发挥产生重要影响,排除同频干扰的第一步就是找出干扰信号频率。三维瀑布图能够清晰展示非同时同频出现信号的频谱特征,对于排除同频或邻频干扰具有重要意义。

图5(d)展示了调频信号与Chirp信号同频干扰示意图,从图中可以清晰观察出Chirp信号与调频信号频率,从而确定出干扰频率。

图5 实时频谱分析对扩频信号监测结果图

除上述典型信号监测以外,实时频谱分析仪还具备频率触发模板,能实现对猝发信号的捕获,并将触发时间点前后的监测数据进行存储,便于后期分析处理。

4 结束语

实时频谱分析技术能够无缝捕获空间中的电磁信号,只要给予足够的存储空间,实时频谱分析设备就能够十分准确地描绘出空间特定频段的电磁特性。未来战场上,实时频谱分析技术必将占有重要地位。