基于实时频谱分析技术的短波发信监测设备*

柳　颖　刘　峰　邱　幸

(海军七〇二厂　上海　200434)



基于实时频谱分析技术的短波发信监测设备*

柳颖刘峰邱幸

(海军七〇二厂上海200434)

论文介绍了实时频谱分析技术，利用该技术研制具备短波猝发信号监测功能的短波发信监测设备。该设备具有安装方便，操作简单以及不介入发射系统进行发射信号监测的特点。

超快速通信;猝发信号;实时频谱分析;捕获概率

Class NumberTM935

1　引言

短波通信是舰艇综合通信系统重要组成部分，打造蓝水海军，要求短波无线通信能够在大区域、远距离进行可靠通信。短波信道环节多，任何一个环节出现问题，都影响通信效果，而实时监测艇外辐射信号是保障短波通信成功的重要手段。研制短波发信监测设备能及时、准确地监测本舰(艇)发射的短波信号，供指挥员及时掌握本舰(艇)的通信状况；该设备可在极短的时间内，及时准确地捕捉到包括短波猝发信号在内的短波射频信号，经瞬间取样、处理后，显示发射频率、发射功率及辐射程度。该设备采用成熟技术，具有显示直观，使用方便等特点，可广泛应用于包括猝发通信在内的短波射频信号监测的环境和场所。

通常，发射机发送的射频信号要通过天线调谐器、天线互换装置、天线控制开关、射频电缆和天线等环节，每个环节出现问题都会造成发信效果不好或发信失败。扫描式频谱仪可以监测持续时间较长的短波射频信号，但不能监测瞬时射频信号。目前超快速通信，只能靠重复发信和多点接收来保证信息的可靠性，增加了潜艇暴露的风险，使潜艇的隐蔽性大打折扣，潜艇的突击能力受到严重影响。因此，研制的采用实时频谱分析技术的短波发信监测设备，可辅助潜艇猝发通信值班员视情决定是否进行重复发信，减少潜艇无线电通信次数，提高潜艇隐蔽性。该监测设备不仅具备高频瞬时射频信号监测功能，并具有安装方便，操作简单，能与中央控制台进行通信，以及不介入发射系统进行发射信号监测的特点。

2　实时频谱分析技术

实时频谱分析是近几年发展起来的一种新的信号分析技术，该技术能够实现电磁信号的实时触发，无缝地捕捉信号，还能够在多个域中分析信号。随着数字技术的飞速发展，实时频谱分析技术也取得了许多重大进展、应用范围也越来越广[9]。其核心技术包括实时触发、无缝捕获和多域分析技术。在不断的发展变化中又衍生出新的信号处理技术，丰富了实时频谱分析技术的应用[4]。实时频谱分析仪是随着现代FPGA技术发展起来的一种新式频谱分析仪，与传统频谱仪相比，它的最大特点在于在信号处理过程中能够完全利用所采集的时域采样点，从而实现无缝的频谱测量及触发[7]。由于实时频谱仪具备无缝处理能力，使得它在频谱监测、研发诊断以及雷达系统设计中有着广泛的应用[5]。

持续时间较长的高频射频信号可以采用传统扫描式频谱仪来监测，但对持续时间较短或猝发信号无法实现监测。目前潜艇短波通信为了提高隐蔽性都采用持续时间较短或猝发信号进行通信，因此对该类型信号的检测只能通过快速谱分析技术来对其进行监测。

实时频谱分析系统在硬件上具备多路信号同时采集的能力，采集到的射频信号首先变换成中频，再对中频信号进行调整、A/D采样，然后对采样得到的跨度内的时域数据进行快速傅里叶变换(FFT)，得到频域数据。而频谱分析则借鉴软件无线电的设计思想，最大限度地利用软件来分析各种信号，实现频谱分析的各项功能[1]。快速谱分析处理直接在FPGA中用硬件FFT实现，有效提高了设备处理速度，能够对持续时间较短或猝发信号进行快速谱分析技术，提取信号频率参数和发射功率参数。

3　总体技术方案

3.1系统工作原理

短波发信监测设备可对各种短波发射机的瞬时发射信号通过磁接收天线进行非介入式的监测。磁接收天线安装在舱内，与短波发信监测设备之间通过电缆相连。监测结果可以存储在测试设备中，也可以通过RS485总线与中央控制台进行通信。

短波发信监测设备主要由磁接收天线、模拟前端、瞬时宽带处理、主控单元和电源单元组成。由于发射信号是猝发的短波信号，所以传统扫描式频谱测量方式不适合，必须采用实时频谱测量方式。短波发信监测设备的电原理框图如图1所示。

图1　短波发信监测设备电原理框图

3.1.1磁接收天线

磁天线是在铁氧体制成的磁棒上绕制线圈制成的。磁天线安装在天线根部馈线电缆附近位置，用以接收天线发射信号时馈线电缆泄漏的辐射信号。信号发射的功率越大，馈线电缆泄漏的辐射信号也就越强。磁天线在使用时不介入系统运行，艇内安装方便。

磁接收天线与监测设备之间信号传输采用双层缠绕编织屏蔽电缆，屏蔽效果为-100dB，同时监测设备通过电缆线向磁接收天线提供12V的工作电源，供磁接收天线内部的放大电路使用。磁天线采用垂直极化的极化方式[8]，工作带宽2MHz～30MHz，有源增益大于等于10dB。接收短波全频率带宽在2MHz～30MHz的磁性天线目前英国、澳大利亚等有成品出售，价格高，体积较大，不满足使用要求。本次设计选用具有国内自主知识产权的复合磁性介质，改进线圈的绕制方法，在保证接收带宽的前提下有效缩小了天线体积。目前设计的磁接收天线的尺寸为14cm×10cm×8cm。

3.1.2模拟前端

模拟前端的工作原理如图2所示。磁天线接收的信号进入模拟前端，经衰减器、带通滤波、放大后，再进行模拟变频处理，变到中心频率40MHz,带宽2MHz的中频，经放大和带通滤波，送到采样处理部分。

3.1.3瞬时宽带处理

瞬时宽带处理部分是实时带宽分析的核心部分，也是设备硬件设计的重点部分，包括：采样、数字滤波、FFT处理两个部分。瞬时宽带处理部分的工作原理如图3所示。采样部分对IF信号进行数字化，采用带通采样，采样频率6MHz,对于中心频率40MHz,带宽100kHz的IF中频信号进行采集，采集来的数据送到FPGA里进行处理，完成数字滤波、FFT、功率测量、判定功率是否满足要求值、储存测量的值等；处理后的结果送系统控制器。其中FPGA主要功能是完成数字滤波、FFT处理和触发电平检测[6]。

图2　模拟前端部分

图3　瞬时宽带处理部分

传统的频谱测量使用超外差接收机，以中频带宽为步进从低频到高频进行扫频。短波通信信道宽带一般为3kHz，为了有效测量信道功率，频率分辨率(RBW)必须要≤1kHz，中频滤波器一般采用调谐式高斯模式的带通模拟滤波器，其形状因子k值一般都在2～3以上，取k=2，频率分辨率(RBW)取200Hz，50kHz的扫宽(SPAN)扫描时间：

当扫宽为50kHz时，扫描时间ST=100ms，这么长的扫描时间显然无法测量10ms短促脉冲信号。因此必须采用FFT快速计算的频谱测量方式，由于发射信号频率范围已知，所以测试仪在测试参数设置时以被测信号频率为中心频率，监测该中心频率50kHz范围内的辐射情况。为兼顾接收灵敏度、测量速度、频率分辨率和电路的复杂性及成本，综合考虑模拟IF的瞬时带宽取100kHz，中频带通采样频率取6MHz,在采样后首先进行数字滤波成50kHz的瞬时带宽，满足指标要求；FFT的长度取32768点，频率分辨率为6MHz/32768=183.1Hz，对于每一帧，采集时间(1/6MHz)*32768=5.46ms，32768点进行抽取滤波和FFT处理时间为小于1ms，加上测量运算和相关电路控制开销1ms,每帧总处理时间约为7.5ms，亦即在选择好测量频段后，可连续以7.5ms的间隔监测信号，或在触发信号后7.5ms内完成信号的测量。换言之，对于持续时间大于7.5ms的信号均可探测到，而对于持续时间大于10ms的信号则具有100%的截获概率。

ADC器件采用凌特厂的LT2204-16器件，幅度精度16bit，采样频率最高40MHz，SNR可以达到79dBc，SFDR可以达到92dBc，模拟输入带宽达700MHz,指标能很好地满足瞬时动态范围80dB要求。系统参考时钟采用10MHz恒温晶振,经时钟处理和驱动后提供给ADC，从而保证ADC的转换精度和良好的信噪比。

3.1.4触发电路

触发功能是在FPGA中完成。ADC转换器将数字化的信号存入FPGA中的FIFO，连续采样的数据流不断地与系统设置的触发电平进行比较，经多次统计符合触发条件即触发，同时读取FIFO中的一帧数据并进行处理。触发处理模块如图4所示。

图4　触发电路硬件框图

传统的扫描式接收机或频谱分析仪中触发只是单一的功率电平，设定触发电平，当信号的电平升到设置的电平时，启动水平扫描，观察到的信号是触发后的信号。而本设备的触发概念具有二维性质，即频率—电平，只有频率和电平都达到设定条件时才触发；另一个不同是：由于本设备是以数字方式处理信号，并具有大的内存容量，所以可以捕获触发前及触发后发生的事件。这样就可以观察到单次的指定的脉冲信号，不需要观察的信号就可以丢弃。

完成这一触发功能是在高速电路支持下，通过软件完成。数字采集系统(ADC转换器)将数字化的信号幅度和信号时间戳一起存入存储器中。新样点连续输送到内存中，最老的样点将离开内存，即FIFO。触发到达时，采集停止，内存内容被冻结。

3.2系统软件流程框图

系统软件流程框图按信号处理过程给出，见图5所示。

图5　系统软件流程框图

实时频谱软件设计：软件是基于实时操作系统的控制和分析软件，是整个实时频谱分析的最顶层的软件。系统软件负责配置分析软硬件环境，使之互相匹配；根据用户要求控制测量流程；在硬盘上存储结果，以便进行后期的分析处理。系统软件除对整个实时频谱分析系统进行控制调度以外，还要提供全面的时域、频域和调制域的信号分析功能。如：信号提取、频谱分析、解调分析、参数测量、脉冲信号测试等[3]。

4　结语

实时频谱分析不但具有一般频谱分析的功能，而且还具有时间测量、实时频谱、解调分析、发射参数测量、触发捕获等特殊功能[3]。基于实时频谱分析技术研制的短波发信监测设备，能够对2MHz～30MHz范围内射频信号的频率、幅度进行监测；能够监测目前海军的超快速通信发射的射频信号；具有设置参考门限的功能，以判断短波信号辐射强度是否满足要求；辅助通信值班员判断是否需要重复发信，增强了通信的隐蔽性。

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HF Signal Monitoring Equipment Based on the Technology of Real-time Frequency Spectrum Analysis

LIU YingLIU FengQIU Xing

(702 Navy Factory,Shanghai200434)

In this paper,the key technologies of real-time spectrum analysis are introduced and used to design the monitoring equipment suitable for HF signal and burst signal.This equipment is very easy to be fixed and operated without entering the HF signal transmission system.

ultrafast communication,burst signal,real-time frequency spectrum analyzer,capture probability

2016年3月10日,

2016年4月27日

柳颖,女,硕士,工程师,研究方向：电路板自动测试和故障诊断技术。刘峰,男,硕士,高级工程师,研究方向：通信与系统。邱幸,女,助理工程师,研究方向：电路板自动测试和故障诊断技术。

TM935DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.028