通信对抗与通信一体化便携设备研究

苗利军,孙宝平,燕云平

（中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081）

0 引言

现代数字化战场环境日趋复杂,其对通信对抗装备的要求也越来越高,新体制通信对抗装备要求体积小、重量轻、功能全,可以将通信侦察、通信干扰和通信集于一体,并能满足便携使用。为此,本文对通信对抗与通信一体化便携设备的方案及其关键技术进行了分析及研究。设备硬件采用模块化技术,软件采用构件化技术,通过加载不同的FPGA软件,可以实现对通信信号的侦察、干扰功能,又能实现应急通信功能。

1 设备组成及方案设计

便携设备的目标是小型化,理想情况下是将宽带A/D、D/A尽量靠近天线,对射频信号直接进行数字化处理,通过软件实现不同的功能。但是,射频数字化受高速A/D、D/A性能、跟踪滤波器、盲区采样电路的复杂性及FPGA、DSP处理能力的限制,很难在全波段实现。为此,提出将射频数字化与宽带中频数字化相结合的方案实现通信对抗与通信一体化便携设备的设计。其设备组成框图如图1所示,其主要由射频模拟前端、下变频器、本振、上变频器、A/D、D/A、FPGA（DSP）处理、电源等组成。

图1 设备组成框图

当接收的信号为短波信号时,射频信号经射频模拟前端滤波放大后直接进行A/D采样,A/D采样后的高速数字信号送入FPGA、DSP中完成信号处理等工作。当接收的信号为超短波、微波信号时,则需在A/D之前加入下变频器,将射频信号变换为适于A/D采样的宽带模拟中频信号再进行A/D采样处理。

对于发射链路来说,情况则有所不同。由于高性能FPGA配合高速D/A（AD9739、AD9789）可数字合成3.6GHz的信号,对于3.6GHz以下的信号可经射频模拟前端滤波放大后直接输出;对于3.6GHz以上的信号,则需在D/A之后加入上变频器,将D/A输出的中频信号变换为射频信号。

这种结构不仅可以使前端电路设计简化、减轻高速A/D、D/A的压力,而且在处理能力和处理速度等方面都更容易实现,具有很好的适应性和可扩展性。

2 关键技术

2.1 高灵敏度大动态宽带接收技术

通信对抗与通信一体化便携设备面对的是复杂的电磁信号环境,在信号特性完全未知的情况下,必须尽可能把目标信号不失真、完整地接收下来,并实时完成对信号的检测、识别和参数测量。为了实现这一目标,要求设备宽开、灵敏度要高、动态范围要大,以提高截获概率。

高灵敏度大动态宽带接收的一个重要组成部分是宽带射频前端,涉及到的关键技术包括低噪声、大动态、宽带接收信道技术和高精度、低相噪、快速调谐本振技术。其中,接收信道的噪声系数是保证灵敏度的关键指标,而在保证噪声系数的前提下,如何提高动态范围则是设计的关键。另外,宽带接收会导致谐杂波抑制困难、幅度平坦性较难保证,这会使动态范围受限、灵敏度下降,解决谐杂波抑制、幅度平坦度问题就成为接收信道的关键。而本振的高精度、低相噪、快速调谐之间又相互冲突,指标很难兼顾。而这一切都与模拟电路设计及器件的指标有很大关系,必须合理设计,而新的器件突破有着非常重要的意义。

高灵敏度大动态宽带接收另外一个重要组成部分是高采样率、大动态A/D。目前,采样速率能达到1Gsps的高速A/D,动态范围仅为50～60dB,高速A/D的动态范围是制约便携设备动态范围的主要因素。

高灵敏度大动态宽带接收的核心是高速FPGA和DSP处理单元。目前宽带接收的最大问题是高速A/D采样后的高速数据必须由FPGA和DSP实时处理,否则数字化数据会丢失,设备将非实时工作,不能实现对电磁信号的高概率截获。目前,FPGA和DSP的处理速度与高速A/D相差甚远,二者之间的瓶颈成了宽带接收的最大问题。为此,必须寻找有效的方法和技术来缩小A/D输出数据速率与后端处理能力的差距。其中涉及的关键技术有可变速率带通采样、可变带宽数字下变频器、可变带宽数字滤波器等。必须通过优化处理算法,来达到多速率的各种非合作信号的匹配接收。

2.2 灵巧式宽带干扰技术

通信对抗与通信一体化便携设备面对的是复杂多变的通信信号,要达到高效干扰的目的,就要求便携设备的工作频段要宽、瞬时干扰带宽可调。另外,通信对抗与通信一体化便携设备的干扰功率十分有限,一般为几十瓦,如何用更小的发射功率达到更好的干扰效果是非常重要的,这就需要灵巧干扰。采用灵巧干扰可以显著降低干扰功率,在同等条件下可干扰更多目标;由于干扰功率小,灵巧干扰具有更好的隐蔽性,有利于干扰设备自身的生存。灵巧干扰必须根据通信网络的体系结构、协议构成和组网原理,掌握其组网特点、信号特征、协议特征和通信过程特征,研究其薄弱环节,产生最佳干扰信号对其进行干扰,这就对宽带干扰信号产生技术提出了非常高的要求,只要通信技术在发展,干扰信号产生技术就需要不断研究,且要求干扰样式必须可编程。

宽带灵巧干扰技术的另外一个重要组成部分就是宽带射频前端,要求其具有杂散低、动态大、瞬时带宽带等特点。宽带发射会导致谐杂波抑制困难、幅度平坦度和动态较难保证,必须对高性能滤波、宽带幅度校准网络、宽带功放线性化等技术进行大力研究。线性化技术是当今该研究的热点,线性化技术主要有:前馈、负反馈、预失真。对于便携设备来说,预失真技术是最好的方法,用数字信号处理技术对数字中频信号进行补偿处理,具有很好的灵活性。

另外,可以将多台便携设备联网,组成干扰网,通过对接收的信息进行分析、融合,从而实施有针对性的精确干扰,对敌方的辐射源进行“围攻”,实现压制干扰、定向攻击和精确攻击,而这需要对联网的方式及技术进行研究。

2.3 宽带收发快速转换技术

为适应跳频跟踪干扰的需求,便携式侦察干扰设备必须具有在收发之间快速转换的能力,而且要求宽带干扰时不能对侦察设备产生影响。

这就要求收发开关的转换速度要快、带宽要大、插损要小、隔离度要高,并能承受一定的功率。目前,收发开关往往频率范围不够宽,主要受限于PIN管的分布电容,分布电容较大往往会带来高频效应,解决的办法是多级级联,可以有效地降低PIN管的分布电容,消除其带来的高频影响,使工作频带展宽,但这是以增大插损为代价的。另外,频率范围、插损、隔离度、承受功率之间又存在相互矛盾,必须折衷考虑,使设计最优。

2.4 通信对抗与通信一体化综合技术

通信对抗与通信一体化便携设备的目标是将通信侦察与通信接收合为一体、通信干扰与通信发射合为一体。需要重点研究的是如何兼容通信侦察与通信接收、通信干扰与通信发射。

通信侦察和通信一体化的核心是综合处理单元,其要解决的问题是如何同时兼容通信侦察和通信接收。综合处理单元既可以完成对各种非合作通信信号的截获、识别等侦察功能;又可以同时完成对合作通信信号的解调、解码等功能,实现通信接收,这对自适应信号处理技术有着非常高的要求。

通信干扰和通信发射一体化的核心是综合信号产生单元,要解决的是干扰信号和通信信号如何同时产生,且当敌对双方的通信处于同一频段时,达到既能保障己方通信畅通,又能干扰敌方通信的要求。必须利用综合控制、自适应干扰抑制等技术,将各种抗干扰通信体制和通信干扰体制有机地结合起来,实现通信和干扰的协调统一。

另外,通信对抗与通信一体化便携设备需要大力研究的是通信反侦察、反干扰技术,可以采用扩频、猝发等多种抗干扰体制,通过数字加密技术达到反破译的目的,提高便携设备通信的反通信对抗能力。

2.5 热设计技术

便携设备要适应野外环境,必须具备高的可靠性和长的使用时间。

一方面,便携设备工作时（特别是发射功率时）的发热量很大,通过自然散热方式势必会影响热交换,使设备温度显著升高,会导致元器件失效率增长、设备指标下降,严重情况下会导致设备故障。为保证便携设备的可靠性,必须进行热分析设计,控制设备内部元器件的温度,在设备热源与外部环境之间提供良好的热流路径,确保热量能够顺利地散发出去。

另一方面,便携设备的使用时间与用电量有关,如何降低用电量的关键在于提高电源效率和降低负载功耗。而提高电源效率和降低负载功耗带来的好处是设备的发热量降低。目前,在满足设备指标的前提下,可以通过优化软硬件设计、对各功能模块进行时钟管理、休眠管理、分时断电管理等措施最大限度的降低功耗。而电源效率的提高则是很难的,研究体积小、效率高、容量大的电源已经成为刻不容缓的课题。

2.6 模块化、构件化技术

便携设备在研究及设计时,为使其具有良好的通用性和可扩展性,还应采用硬件模块化、软件构件化设计,这种设计是在一个接口及结构形式都标准的硬件平台上,采用构件化软件实现通信对抗与通信一体化的各种功能需求。通过配置不同的硬件模块,实现不同的工作频段、不同指标的需求;通过加载不同的软件构件,可实现不同的功能需求,构件化软件可以保证软件使用、修改和升级更方便。模块化、构件化设计是便携设备的基础,对便携设备的互换性和扩展性起到了决定性的作用,必须大力研究。

3 结束语

提出了一种通信对抗与通信一体化便携设备方案,对其中的关键技术进行了分析与研究。要真正实现通信对抗与通信的一体化,除所提到的关键技术外,还有其他技术问题有待解决,如体系结构、系统软件技术、信息融合技术等等。通信对抗与通信一体化便携设备机动灵活,而且具有很好的隐蔽性,适合单兵作战,可以到达车辆达不到的地方执行任务,对其进行研究是非常有意义的。

[1]JamesTsui著.宽带数字接收机[M].杨小牛,陆安南、金飚译.北京:通信工业出版社.2002.

[2]邹涌泉.一种软件无线电宽带射频前端的设计[J]电讯技术,2007,47（1）:68-70.

[3]谢德仁.通信设备热设计[M].南京:东南大学出版社,1989.