超短波宽带信号侦察控守技术研究

鲁东明

超短波宽带信号侦察控守技术研究

鲁东明

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

设计了一种超短波宽带信号侦察控守接收技术，能够实现对指定频段范围内无线信号的实时侦察和控守解调。对信号进行自主检测，识别出其中的有效信号，提取参数特征，估计出信号的频率、带宽、信噪比、信号电平、出现时间、符号速率和调制方式等。并可对指定信号进行采集、控守和盲解调，自主完成盲信号的频率和相位同步。

超短波信号；侦察；控守解调；调制方式识别

0 引言

超短波通信是最常用的通信方式之一，装备规模大、数量多、应用广泛，在战术通信中有着十分重要的地位，超短波侦察设备作为侦察网中的重要支撑部分，地位不可取代，掌握了超短波信号的侦察分析，就能介入绝大多数的通信体制，为获得信息优势提供基础的支撑[1]。

为了满足不同地点、不同频段和不同格式的超短波信号侦察、控守，需要部署超短波侦察站的地点。超短波侦察设备种类与日俱增，采用传统的人工操作方式完成各侦察站运行及维护的方式成本较高，因此侦察站从原来的以人工操作为主的模式会逐渐过渡到自动化运行的无人侦察站模式。

多个无人侦察站与一个运管中心组成一个完整的侦察系统。无人侦察站的主要任务是依据运管中心下发的任务计划，自动调整、配置相关参数完成超短波信号的侦察采集、信号控守和信号的解调，将侦察及解调结果传送到运管中心，运管中心收到各无人侦察站数据后进行融合处理，形成统一的侦察态势，将消息数据转换为具有价值的情报。

1 超短波宽带侦察接收设备

超短波宽带侦察接收设备由硬件和分析处理软件构成，主要包括宽带中频处理卡、多路解调处理卡、设备机箱、电源模块和显控终端，可完成显示控制功能、信号侦察功能和控守监测功能的任务。总体框图如图1所示。

图1 超短波宽带侦察接收设备总体框图

本文涉及的研究内容主要分为超短波信号侦察和控守解调。

2 超短波信号侦察

首先，对全频段/指定频段频谱扫描监视，进行时频变换计算信号频谱数据；然后对信号进行快速检测及截获[2]；最后估计信号的频率、带宽、信噪比及信号电平等参数，再根据特征参数进行调制方式识别。扫描检测识别流程分为连续信号侦察处理流程和跳频信号侦察处理流程。

2.1 连续信号侦察处理流程

连续信号侦察处理流程如图2所示。

图2 连续信号侦察处理流程图

图2中虚线为数据下发流程，实线为数据上传流程。其中时频变换和数字下变频（Digital Down Converter，DDC）驻留在现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的逻辑处理部分，控制软件和分析软件驻留在FPGA的微处理器部分。

显控终端下发扫频指令，控制软件解析后，控制接收通道的本振切换，进行全频段扫频或指定频段扫频。数模转换（Analog to Digital，ADC）将中频的60 MHz带宽信号进行采集，采集到的信号经DDC后进行60 MHz的低通滤波（Low-Pass Filter，LPF）做时频变换。时频变换后的数据经控制软件回传给显控终端进行实时显示。当发现有用信号后，显控软件下发分析指令，控制软件经过解析后，下发DDC参数，配置DDC的本振、带宽和采样率，将DDC后的数据送给分析软件，分析软件分析出信号的载波频率、码速率、调制方式和信号电平等参数，并将参数上传给显控终端进行显示。

2.2 跳频信号侦察处理流程

宽带中频跳频信号处理流程如图3所示。

图3 跳频信号侦察处理流程图

跳频信号处理流程与连续信号处理流程区别在于，时频变换的快速傅里叶变换（Fast Fourier Transformation，FFT）点数变为4096，采集滤波后信号不再经过DDC，而是以同相/正交（In-phase/Quadrature，I/Q）数据形式直接送出，通过高速接口送给存储模块。

当在连续模式下判断出跳频信号或需要锁定某一频段，通过数据积累发现跳频信号[3]，则由显控终端下发跳频指令，将本振切换到某一频段，对该频段采集信号进行4096点FFT，时频数据上显并进行存储分析。同时将I/Q数据进行存储，为进一步分析跳频信号进行准备[4]。

2.3 参数估计流程

完成信号时频变换检测后，根据信号实时频谱检测结果，选择需要分析的信号进行参数估计。当信号幅度超过预设门限时，DDC模块会按照信号当前频点进行下变频滤波，并将多个需要参数估计的信号进行频域分离，最后将分离后的信号送给参数估计模块进行参数估计与识别[5]。

参数估计与识别模块采用高阶统计量提取信号参数特征，基于特征匹配的方式完成信号调制类型的分类与依次识别[6]。

3 超短波信号控守解调

显控终端将需要解调的信号的频点、带宽、调制方式等信息进行下发，控制软件解析后控制接收通道进行本振切换，并将DDC所需的本振、带宽和采样率等参数下发给8路DDC模块进行配置，同时将调制方式、符号速率、解调均值等解调参数下发给解调模块。每个解调模块都需要能够同时处理多种调制方式的解调。解调后的结果或解调前的I/Q数据通过网口上传给显控终端。多路超短波信号控守解调处理流程如图4所示。

图4 控守解调处理流程图

3.1 DDC设计

1）DDC流程设计

DDC完成60 MHz带宽内中频有用信号的下变频、抽取和滤波。其步骤分为LPF、抽取、LPF三个步骤。其中第一个LPF为高采样率下的LPF，第二个LPF为抽取后低采样率下的LPF[7]。DDC实现框图如图5所示。

图5 DDC流程图

由于瞬时带宽60 MHz，采样后的60 MHz带宽信号首经过复数下变频，之后直接进行级联积分梳状滤波器（Cascaded Integrator Comb，CIC）抽取。CIC抽取后将数据速率将为原先的倍。CIC抽取滤波器的抽取倍数可根据要求，由上位机下发。CIC抽取滤波可抽取倍数介于4～8192倍之间，为保证抽取后带内信号在3 dB以内，抽取后采样率不得低于符号速率的16倍。抽取后数据符号速率降为（120/）Msps，CIC抽取后经过两级半带（Half-Band，HB）滤波，最后一级LPF完成有用信号的滤波提取，滤波器系数可根据带宽要求，由上位机下发。整个有用信号提取过程中信号变化如图6所示。

图6 DDC频谱变化示意图

由于模拟ADC采样变频后，60 MHz带宽范围信号映射为-30～30 MHz。假设下变频后有用信号中心频率为0 MHz，带宽2 MHz，在5 MHz处也有一个1 MHz带宽的信号。为了提取出0 MHz的基带信号，滤除5 MHz处信号，首先信号经过CIC抽取进行降速。为保证带内信号衰减在3 dB以内，抽取后采样率不得低于信号带宽16倍。可将信号进行6倍抽取，抽取后符号速率降为20 Msps。抽取过程中，5 MHz处的信号得到一定抑制，但仍没有完全滤除。此时为了完全滤除5 MHz信号，需要进行LPF。而为了降低滤波器的阶数，必须在此之前对数据进行进一步降速，因此必须在低通滤波前进行半带滤波，以降低数据速率。

半带滤波后，低通滤波器在10 Msps下设计。根据两个信号的载波频率和带宽，将滤波器的通带设为1 MHz，截止频率设为4 MHz，将5 MHz处的信号完全滤除。

2）参数设置

ADC采样率后由于CIC抽取滤波器的主瓣会随着抽取倍数的提升迅速下降，为了保证通带衰减在3 dB以内，抽取的倍数必须满足抽取后采样率为信号带宽的16倍以上[8]。本文抽取后采样率为符号速率的20倍，之后经过两级半带滤波，抽取为信号带宽5倍，送到后级进行解调或输出。

3.2 解调设计

信号解调一般采用相干解调方式，接收端需要恢复一个与发射端调制信号同频同相的相干载波，因此需要对接收信号进行载波同步和位同步。本文针对非合作解调场景，采用基于判决反馈环的数字锁相技术实现载波同步，通过数字锁相位同步环实现位同步[9]。

1）载波同步设计

载波恢复用于校正载波频差及相位抖动，以恢复相干载波。本文采用判决反馈方法来恢复载波，判决反馈恢复载波方法利用了判决后的信息，性能优于非判决反馈载波恢复，基于判决反馈环的数字锁相技术原理如图7所示。

图7 基于判决反馈环的数字锁相环

首先，将判决前的采样点与判决后的采样点进行复相关运算，提取相位误差，再通过环路滤波器和数字控制振荡器（Numerically Controlled Oscillator，NCO），将相位误差补偿到本地载波中，以纠正频偏和相偏。

2）位同步设计

位同步分两种情况：当输入数据为多比特数据流时，需要同时满足最佳判决时刻与位同步定时脉冲的功能；另一种情况是输入数据为单比特数据流时，只需要确定位定时脉冲的频率即可。因此，需要通过合适的同步方法调整接收端的判决时钟，达到最佳判决效果[10]。数字锁相环位同步法，是通过鉴相器调整位同步信号的相位逼近接收信号相位，达到稳定状态时使本地信号与接收信号的相位一致，该方法实现结构简单，在FPGA中实现容易且资源要求低。数字锁相环主要由鉴相器、控制器、分频器和时钟变换电路组成，原理框图如图8所示。

图8 数字锁相环位同步图

本文使用超前—滞后型数字锁相环，其鉴相器在每一个周期内将输入信号与本地估算信号进行相位比较，从而得到两者的相位差[11]。然后，将输出的相位误差送到环路滤波器，产生加速或减速脉冲控制信号，用来改变数控振荡器的高速时钟周期和相位，使得本地估算信号的相位向输入信号相位逼近。

4 结语

本文设计了一种针对超短波宽带信号的侦察及控守解调方法，能对全频段/指定频段频谱扫描监视，对信号进行快速检测及截获，同时估计信号的频率、带宽、信噪比及信号电平等参数，再根据特征参数完成调制方式识别；还可以对目标信号进行控守解调，设置采样频点、带宽及速率完成数据采集，然后进行数字DDC，再根据解调带宽和调制方式进行模拟/数字信号解调。随着战场电磁对抗的日益激烈，该技术应用前景广阔[12]。

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Research on Ultra-Short Wave Wideband Signal Reconnaissance and Control

LU Dongming

Wideband ultra-short waves signal detection, control and defense receiving technology is designed, which can realize real-time detection and demodulation of wireless signals in a specified frequency band. Carry on the independent detection to the signal, identify the effective signal among them, extract the parameter characteristic, the frequency, bandwidth, signal-to-noise ratio, signal level, occurrence time, symbol rate and modulation mode of the signal are estimated. And it can collect, control and demodulate the specified signal, and realize the frequency and phase synchronization of the blind signal independently.

Ultra-Short Wave Signal; Reconnoitre; Control and Mediation; Modulation Mode Identification

TN975

A

1674-7976-(2023)-06-431-05

2023-07-26。

鲁东明（1994.10—），河南长垣人，硕士，工程师，主要研究方向为信号处理。

“陕西省2022年重点研发计划”项目（2022ZDLGY03-03）