基于E3238S的电磁环境监测系统设计与实现

张伟军，郭怡惠，李 涛，朱洪生，吴永明

(中国人民解放军95821部队，甘肃 酒泉 732750)

0 引言

为了对电磁环境信号进行有效监测，需要利用高扫描速度、高精度、高性能的电磁环境监测系统。电磁环境监测系统一般由天伺馈分系统、信号接收分系统、信号处理分系统、主控分系统和配套保障设备等组成，其中信号处理分系统实现对电磁信号的采集、分选、识别与处理，该部分可采用ADC、DSP、FPGA等器件组成的板卡来实现，也可利用频谱分析仪、示波器等仪器来实现，也可将板卡与仪器结合共同来实现。由于仪器的测量速度快、测量精度高，使用仪器来构建电磁环境监测系统成为常用的一种结构形式。

在电磁环境监测系统配套使用的仪器中，E3238S“黑鸟”是典型代表，由安捷伦公司(现名是德科技)研制，主要优点在于：1)具有先进的硬件体系架构、高速搜索和高分辨率特性，能够最大限度找到未知的信号；2)具有灵活的信号捕获和分析功能，系统可以非常灵活地设置信号捕获的条件，并对满足条件的数据进行后期处理与分析；3)系统应用范围广，能广泛应用于电子侦察、频谱监测等领域。但其仍存在不足之处，主要体现在：1)测向功能不向中国开放，因此不能对信号测向；2)连续记录数据的时间有限，不能对感兴趣频段的信号进行连续监测与存储。因此需要进行设计，并进行适应改进。本文采用E3238S仪器，配置了其他硬件设备，开发了相应的系统软件，形成了一套完整的电磁环境监测系统，实现了对电磁环境的监测。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统结构

电磁环境监测系统需要重点实现测频与测向功能，设计的系统硬件结构如图1所示。系统硬件主要由宽带接收天线阵列、宽带接收本振分系统、测频分系统、测向分系统及伺服分系统组成。

图1 电磁信号监测系统硬件结构图

其中，宽带接收天线阵列包括3个阵元的宽带天线；宽带接收本振分系统包括宽带接收本振信号源、一分三本振功分器等单元部件；测频分系统包括测频射频前端、固定中频数字信道化高性能测频接收机等单元部件，固定中频数字信道化高性能测频接收机，其内部又包含中频接收、A/D组件、测频高速DSP处理组件、大容量高速数据接口等单元；测向分系统包括测向射频前端、固定中频数字双通道测向接收机等单元部件；伺服分系统包括天线运动转台、转台控制驱动盒、天线安装夹具等单元部件。

1.2 系统工作原理

伺服分系统在接收到监测信号方位以及速度等参数后，使架设其上的天线阵对准来波方向；测频分系统主要完成频率测试功能，包括频率、功率、调制、脉宽、重频、到达时间等参数分析；宽带接收本振分系统内本振信号源产生高稳定度快速扫频的本振信号，与固定中频数字信道化高性能测频接收机配合实现对全频段信号的快速扫描接收。在固定中频数字信道化高性能测频接收机中，A/D组件完成中频信号的数模转换；测频高速DSP处理组件能实现搜索与窄带信号处理两大功能，以实现信号有无、频率、功率、调制、脉宽等参数的分析；大容量高速数据接口实现侦察数据及分析结果由DSP处理组件到主控平台的上传。从而实现对频率、功率、调制、脉宽、重频、到达时间等参数的全面测量。

测向分系统主要完成到达角测试。测向射频前端完成两路下变频；宽带接收本振分系统内本振信号源产生高稳定度快速扫频的本振信号，与固定中频数字双通道测向接收机配合实现对全频段信号的快速接收测向。在固定中频数字双通道测向接收机中，两路A/D组件完成中频信号的数模转换；测向高速DSP处理组件能实现窄带中频信号的FFT变换和比相处理功能，以实现信号到达角参数的分析；大容量高速数据接口实现测向分析结果由DSP处理组件到主控平台的上传。从而实现对雷达信号到达角的测量。

测频分系统和测向分系统有机配合，从而实现对雷达信号的频率、功率、调制、脉宽、重频、到达时间、到达角等参数较为全面地测量。

2 系统硬件设计

2.1 宽带接收天线阵列

宽带接收天线阵列主要功能是对空间的雷达信号进行接收。采用三元阵天线阵列形式。天线单元主要采用宽带夹脊喇叭，完成对射频信号的接收，选择货架产品ETS宽带天线3115来实现，频率范围是1～18 GHz，驻波系数不大于1.5。

2.2 宽带接收本振分系统

宽带接收本振分系统主要功能是产生测频、测向分系统所需的本振信号，可采用数字直接合成+锁相环(DDS+ PLL)结构，主要考虑DDS信号源具有频率转换速度快、频率分辨率高、相位噪声低等优良性能，通过PLL的窄带滤波特性可以减少杂散输出，因此DDS+PLL的结构能满足频率源的使用要求。

在具体实施中，为保证电磁环境监测系统宽带接收本振的调频速度、调频精度等指标、性能的先进性，直接利用高端频谱分析仪内部的宽带接收本振信号源作为系统的宽带接收本振信号源，选择型号为Agilent E4440A信号源。

2.3 测频分系统

该分系统中的测频射频前端，主要由低噪放大器、下变频器和滤波器组成。低噪放大器的设计主要是输入输出和级间匹配电路的设计。为兼顾噪声系数和增益，一般低噪声放大器输入级按最佳噪声匹配设计，级间匹配和输出匹配按最大增益匹配。低噪声放大器由两级低噪声放大器级联而提高增益；下变频器属于频率搬移器件，它将输入的射频接收信号与本振信号混频，产生中频信号。考虑到E4440A性能优越、指标优秀、接口丰富，因此利用E4440A内部的射频前端作为测频射频前端是十分适合的。

该分系统中的固定中频数字信道化高性能测频接收机利用E3238S来实现。其硬件结构如图2所示。

图2 E3238S仪器硬件结构

E3238S的核心模块主要包括ADC模块和DSP模块。ADC模块采用E1439D，该模块是高性能采样器，为信号的监测提供了高宽带、低失真采样。其采样率为95 MHz/s，具有0～36 MHz的可调带宽；采样后的数据经过内置的数字滤波进行滤波，降低了噪声，提高了信噪比。E1439D的高采样率，产生了190 MB/s的数据，利用光纤接口传输数据，光口的数据传输率为250 MB/s。DSP模块采用E9821A DSP处理卡，可配置三对双DSP模块，每个模块内置512 M内存，可再配置1块32通道的数字下变频模块，用于多信道的信号解调。在信号搜索方式下，DSP模块用作并行数据处理，实现10 GHz/s高速扫描速度；在信号解调方式下，其中1个DSP模块用于36 MHz带宽中频信号的搜索，其余DSP通过配置DDC(数字下变频)模块对信号进行精细化处理。

2.4 测向分系统

测向分系统组成如图3所示。其工作过程为：首先使用两路宽带接收天线单元接收空间电磁辐射信号，然后双通道测向射频前端对接收信号进行下变频，配合本振快速扫频信号源，将射频信号变至固定中频70 MHz，然后利用固定中频数字双通道测向接收机进行A/D变换和信号处理，利用比幅、比相测角原理，测得该频率信号到达角参数。

图3 测向分系统组成框图

该分系统中的双通道测向宽带射频前端主要由两路低噪放、两路下变频器、两路中频滤波器及功分器等组成。低噪声放大器采用Hittite公司的HMC460LC5，在工作频段上其典型增益为14 dB，噪声系数约为2.5 dB。下变频器是本系统中的关键部件，选用双平衡混频器Agilent 85320B，采用基波和3次谐波混频形式。中频滤波电路选用LC滤波器实现。

该分系统中的固定中频数字双通道测向接收机主要完成雷达信号的到达角参数测量，形成信号特征字送至主控平台进行信号识别与显示。固定中频数字双通道测向接收机由两路A/D组件、高速DSP处理组件、大容量高速数据接口等组成。其中A/D组件采用AD6645第四代宽带模/数转换器配合辅助电路完成；高速DSP处理组件由多片XC6VLX130T#FPGA和TS201 DSP实现。

2.5 伺服分系统

伺服分系统主要实现天线在方位向的运动。系统软件通过自动控制的工作方式对转台进行控制，天线运动转台采用货架产品。

3 系统软件设计

3.1 开发环境

系统软件需要具备以下功能：1)需要根据用户界面设置的参数，实现对E3238S仪器、E4440A仪器以及系统其他硬件进行控制的功能；2)需要获取E3238S仪器测量数据、天线运动转台位置反馈等信息。

获取E3238S仪器测量数据是整个系统功能最为关键的部分。由于E3238S系统配有N6820E软件，如果系统软件能通过接口与N6820E软件建立通信联系，并对E3238S系统进行控制，整个系统的开发将容易实现。考虑到N6820E软件采用Motif编程来实现，Motif是建立在X-Windows之上的一个图形用户界面产品，它以X-Window作为显示模型和窗口模型。为了对其进行调用，可采用Motif编程，或基于N6820E提供的socket接口用其它高级语言来编程，后者比前者更容易实现。因此，经过比较分析，系统软件采用Visual Studio VB结合Measurement studio 8.6混合编程来实现。

3.2 软件模块

系统软件采用功能模块化技术，使各个模块独立完成各自功能，模块之间通过接口来实现监测功能。主要分为以下模块：用户权限管理、设备控制、监测数据读写、监测数据处理、测试结果显示、状态反馈、异常响应。

各模块主要功能是：1)用户权限管理模块：主要完成对用户名、密码、用户权限的管理，防止非法用户对系统进行操作;2)设备控制模块：主要实现对E3238S仪器、E4440A仪器和转台的通信与控制，将用户设置的参数传给仪器和转台，控制仪器和转台的设置与工作状态;3)监测数据读写：主要将E3238S仪器测量的数据、测向结果通过LAN传给控制计算机，控制计算机将数据予以保存;4)监测数据处理：主要完成以下功能：(1)功率校准。根据天线增益、电缆损耗，对监测数据进行功率标准，获得准确的信号功率幅度；(2)数据处理。对校准后的数据进行分析与处理，以获得频谱数据的中心频率，带宽、幅度等信息;5)测试结果显示模块：将测量的频率、方向等数据进行实时显示;6)状态反馈模块：主要将仪器的状态信息，如正在监测的频段，监测所用时间、转台当前角度等信息，反馈给用户;7)异常响应模块：主要是在仪器处于异常状态或测量数据错误时，将信息反馈给用户。

3.3 工作流程

用户通过软件界面，将需要发送的指令及参数通过socket接口发送给在后台运行的N6820E软件，并通过该接口获得E3238S测量的数据；另一方面，软件对测向系统进行控制，从而获得对应信号的到达角。软件工作流程如图4所示。

图4 软件工作流程图

3.4 系统实现的技术功能

该软件设计能将E3238S仪器+N6820E软件具有的优势将完全发挥出来，具体表现为：1)高效的电磁频谱监测与分析。E3238S能对复杂电磁环境中的频谱分布、信号带宽、信号占有率、功率、调制参数等信息进行分析。E3238S具有高灵敏度和快速扫描速度的特点，高动态范围下，保证了大小信号的无失真快速记录。软件提供了不同分辨带宽的设置、不同的平均设置、多种的门限条件设置等功能，保证记录的准确性；2)多种判决方法捕获特殊信号。软件提供了多种检测信号门限设置功能，用于捕获各种信号。主要的判决方法有：电平判决、电磁谱背景判决、噪声自适应判决、用户自定义，如图5所示。仪器在监测过程中，如发现超过门限的信号，就自动记录，并提供信息报告。另外，仪器利用信号特征识别功能，提高了信号捕获的准确性；3)信号识别、记录、解调功能。仪器提供手动记录和自动记录两种方式，记录捕获的信号，便于事后分析。既可以记录时域数据，也可以记录频域数据。记录的信号支持硬件回放和软件回放，复现监测信号的状态。另一方面，通过对未知信号进行调制识别，能给出调制类型、符号率、带宽等信息；4)多通道信号记录。在窄带模式下，仪器可以对多达96个通道的信号频谱进行监测与记录；5)多种图表显示。仪器提供多窗口和缩放功能，以解决测量分辨率和显示分辨率的矛盾，能以多种不同图表形式，综合显示监测信息，如图6所示。

图5 多种判决方法

图6 多种窗口显示

4 试验结果与分析

为了对系统的监测结果进行验证，在内场搭建了测试环境，主要硬件包括雷达模拟器、转台、被测试的电磁环境监测系统，如图7所示。测试的主要内容包括：频率精度测试、频率输出范围测试、信号幅度测试、适应信号类型测试等。测试方法为：利用雷达模拟器产生指定频率、幅度、类型的辐射信号，通过转台模拟某一角度的辐射信号，利用设计的电磁环境监测系统进行监测，将监测的结果与设置的参数进行比对分析。

图7 测试环境示意图

在某次测试中，设置雷达模拟器依次产生4～6 GHz，频率步进0.5 GHz的射频信号，在每个频点使发射天线的伺服机构转动范围为0～3°，信号经过天线辐射后，由监测系统进行监测，监测结果如图8所示。可见，系统能对信号的频率、到达角、幅度进行准确测试。

图8 测试结果界面

进一步测试的结果表明，系统达到的主要技术参数为：1)监测频率范围：1～18 GHz；2)测频精度：≤0.1 MHz；3)测向精度：≤3°(r.m.s)；4)系统灵敏度：≤-90 dBm；5)扫描速度：4 GHz /s(RBW=15 kHz)；6)适应信号类型：连续波、单脉冲、线性调频、脉冲多普勒、频率捷变、重频参差等。

总体上来看，该系统性能较为优异，但系统利用了E3238S配套的N6820E软件，存在一些不足之处，主要表现在：系统难以实现对系统底层硬件的灵活控制，对N6820E软件的功能拓展也较为困难。

5 结束语

目前，利用测量速度快、测量精度高的仪器来构建电磁环境监测系统已成为常用的结构形式。本文利用先进的E3238S仪器，增配其他硬件形成完整的系统硬件，开发了对应系统软件，充分发挥了E3238S仪器的优势，最终实现的测量系统具有测量精度高、速度快、稳定性好、测向精度高、能长时间存储测量数据等优点，能满足电磁环境监测的需要。随着新型高性能仪器的出现，与之结合的电磁环境监测系统的性能将更一步提高。