如何輕松實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境的模塊化構(gòu)設和感知？

“制電磁權(quán)” —未來戰(zhàn)爭的入場券

從1991年海灣戰(zhàn)爭、1999年科沃索戰(zhàn)爭、2003年伊拉克戰(zhàn)爭以及近期現(xiàn)代戰(zhàn)爭看，“制電磁權(quán)”在戰(zhàn)爭中的位置逐漸從作戰(zhàn)支援手段變成了戰(zhàn)場上的制高點，沒有制電磁權(quán)將失去現(xiàn)代戰(zhàn)爭的參戰(zhàn)“資格”，更遑論取勝。電磁頻譜戰(zhàn)逐漸成為繼陸、海、空、天、賽博空間之后的“第六作戰(zhàn)域”，是在電磁空間進行的攻防博弈，其實質(zhì)是制電磁權(quán)歸屬的爭奪。換言之，電子對抗作為電磁空間斗爭以及奪取制電磁權(quán)的核心力量，正由初期的支援、保障行動上升為重要作戰(zhàn)行動乃至聯(lián)合作戰(zhàn)的主要作戰(zhàn)樣式之一。?

對電子戰(zhàn)系統(tǒng)的終極測試是它與強大的對手（如有源電掃相控陣雷達）在復雜電磁環(huán)境中交戰(zhàn)時的實際表現(xiàn)。為了確保能夠應對這些威脅，必須在電子戰(zhàn)系統(tǒng)的不同研發(fā)階段對其進行全方位的測試、驗證。未來戰(zhàn)場上的電磁信息越來越密集，太空中有偵察衛(wèi)星在遙感探測，空中有電子戰(zhàn)飛機對目標偵察和干擾，海面有艦船為武器進行引導控制，陸地上布滿了各種電子攻擊、支援和防護裝備，導致測試環(huán)境的構(gòu)建也變得越來越困難。?

諾斯羅普·格魯曼公司的電磁環(huán)境作戰(zhàn)模擬器（CEESIM）就是服務這個目標的典型系統(tǒng)。CEESIM是最早出現(xiàn)的且使用最廣泛的復雜電磁環(huán)境模擬器，提供模擬射頻多個同時發(fā)射信號的靜態(tài)/動態(tài)屬性，逼真地模擬真實戰(zhàn)場電磁狀態(tài)。下圖為交付給美國海軍的F-35戰(zhàn)斗機研制了先進的測試環(huán)境。

圖1?F-35戰(zhàn)斗機測試環(huán)境

CEESIM可產(chǎn)生多達128種信號，最高支持8192個瞬時發(fā)射器和平臺，具備無與倫比的信號保真度及完全動態(tài)的虛擬試驗場景模擬能力。其VPX架構(gòu)、先進脈沖發(fā)生（APG）器、高速直接數(shù)字合成器（DDS）的使用，帶來業(yè)內(nèi)領先性能的同時也給系統(tǒng)的構(gòu)建帶來了極高的復雜度。

圖2 CEESIM系統(tǒng)組成架構(gòu)

復雜電磁環(huán)境構(gòu)建因其復雜度和定制化需求，進入門檻極高，需要付出大量的資金與時間，這也注定了成品系統(tǒng)成本高昂。另一方面，隨著“制電磁權(quán)”受到越來越多的重視，電子戰(zhàn)設備的需求日益增長，復雜電磁環(huán)境的構(gòu)建與感知的需求也日益增長。這就提出了一個問題，是否可以以更低成本的方式來模塊化地構(gòu)設復雜電磁環(huán)境？

復雜電磁環(huán)境的模塊化構(gòu)設

現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境包含各種敵方、友方和己方輻射源信號，也包含各種民用信號，其中最主要、最復雜的威脅信號來自雷達輻射源——各類雷達輻射源產(chǎn)生的雷達脈沖數(shù)高達每秒數(shù)百萬甚至上千萬個。因此，構(gòu)建復雜電磁環(huán)境的首要任務是仿真其中的各類雷達輻射源，除了需要仿真所有輻射源在戰(zhàn)場上不斷變化的位置、速度、工作模式，還需要滿足：

• 硬件I/O支持：雷達信號頻率范圍通常從300MHz到40GHz，并具有頻率捷變的特性，瞬時帶寬通常達到數(shù)百MHz或更高。因此，硬件平臺的通道需要覆蓋雷達常見工作頻段，瞬時帶寬通常要求達到1GHz甚至更高，通道間也需要做到相參和同步。

• 雷達信號生成：雷達輻射源系統(tǒng)需要支持生成常見雷達發(fā)射信號，從簡單的脈沖到復雜的脈沖序列，包括：調(diào)頻連續(xù)波信號、調(diào)頻脈沖信號、調(diào)相信號以及多種模式的脈寬/重頻信號等；同時，雷達輻射源系統(tǒng)也需要能夠支持自定義的波形樣式或?qū)嶋H場景中錄制的波形樣式。

• 輻射源場景模型：雷達輻射源模型應該包括天線方向圖、天線掃描模式、雷達工作模式、信號序列、多發(fā)射機模型等；也需要具有場景生成的功能，以便模擬不同戰(zhàn)情下的不同場景。

像CEESIM這樣的系統(tǒng)復雜而且昂貴，中小規(guī)模研發(fā)團隊難以自行建設，但其研究工作仍需要類似環(huán)境構(gòu)建設備。如果能夠利用現(xiàn)有的商用軟件無線電平臺模塊化構(gòu)設復雜電磁環(huán)境，無疑對系統(tǒng)的構(gòu)建速度、成本、維護、升級都具有極大的幫助。一些國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)在此領域進行開拓，比如成都立思方的雷達輻射源模塊化構(gòu)設平臺就是其中之一。

商用軟件無線電平臺也有多種架構(gòu)，用戶需要根據(jù)實際的應用需求靈活地選擇不同的硬件平臺。

如果以靈巧便攜和成本優(yōu)化為主要目標。在這種情況下，高度集成化的通用軟件無線電外設（USRP：Universal Software Radio Peripheral）是極佳選擇。單臺USRP設備提供獨立控制的多個信號發(fā)射和接收通道，覆蓋1MHz~7.2GHz頻率范圍，且具有最高達400MHz的單通道瞬時帶寬，并可輕易擴展至上百通道。同時，利用模塊化的前端頻率擴展設備，即可以輕松實現(xiàn)8~12GHz的X波段，甚至高至40GHz的Ka波段頻率覆蓋。如下圖的基于USRP的8通道雷達輻射源，即使包括仿真軟件的成本，其單通道構(gòu)建成本也可以控制在傳統(tǒng)儀器幾分之一的水平。不過，低成本也會帶來一些應用上的限制，比如USRP的各項射頻性能指標都無法和傳統(tǒng)儀器相提并論。?

圖3 8通道雷達輻射源

如果以系統(tǒng)性能為主要目標，則另一種選擇是采用商用的PXI平臺。基于PXI總線的模塊化儀器具有不同性能、精度的成熟貨架產(chǎn)品。以市場上常見的PXIe矢量信號收發(fā)儀為例，具有9kHz~6.5GHz（也可進一步通過射頻前端擴展至40GHz）頻率范圍和1GHz瞬時帶寬，同時提供儀器級精度。此外，利用PXIe中頻數(shù)字收發(fā)儀配合模塊化的射頻前端設備，更可獲得1GHz至1.4GHz的超寬瞬時帶寬。

圖4 PXI架構(gòu)輻射源

以這兩種方式構(gòu)建的輻射源信號產(chǎn)生系統(tǒng)，都可以由板載FPGA動態(tài)生成如下的常見雷達信號：?

• 常規(guī)波形：常規(guī)連續(xù)波、脈沖連續(xù)波；

• 頻率調(diào)制：線性調(diào)頻連續(xù)波、非線性調(diào)頻連續(xù)波、步進頻連續(xù)波、頻移鍵控連續(xù)波、線性調(diào)頻脈沖、非線性調(diào)頻脈沖、步進頻脈沖、頻移鍵控脈沖等；

• 相位調(diào)制：相位碼、巴克碼、弗蘭克多相碼；脈寬和重頻模式：突發(fā)、滑變、步進、參差。

基于軟件無線電平臺的復雜電磁環(huán)境構(gòu)建，其核心在于軟件。這種應用軟件的專業(yè)度和系統(tǒng)復雜度都很高，用戶的需求復雜多變，進口的產(chǎn)品管控嚴格，而國產(chǎn)定制的軟件和硬件系統(tǒng)，成本居高不下。這樣的基于標準化硬件平臺的系統(tǒng)實現(xiàn)，為中小研發(fā)團隊帶來了新的選擇。?

采用商用貨架的軟件無線電平臺還有另一項益處：這些產(chǎn)品普遍具有收發(fā)雙向通道，也可以利用接收通道來實現(xiàn)對于復雜電磁環(huán)境的感知和分析，使得系統(tǒng)硬件平臺得以復用且功能多樣性，進一步降低實驗設備的構(gòu)建成本。

復雜電磁環(huán)境的超寬帶感知

所謂的復雜電磁環(huán)境是指伴隨著各類新體制輻射源數(shù)量不斷增加，體制越來越多樣，信號樣式越來越繁雜的電磁信號，主要體現(xiàn)為：?

• 信號密度不斷增加，交織混疊現(xiàn)象嚴重；

• 信號突發(fā)性不斷增加，瞬態(tài)信號無處不在；

• 信號所處頻段不斷擴展，信號呈現(xiàn)大帶寬、大動態(tài)趨勢。

面臨如此復雜多變的電磁環(huán)境，其感知和分析系統(tǒng)需要采用超寬帶數(shù)字接收機，一方面要在信號捕獲、實時分析以及信號特征等方面采取有效的手段，以便盡可能不漏掉感興趣的信號，特別是瞬態(tài)信號、弱信號和包含混疊信號；另一方面，需要探索適應復雜信號環(huán)境的信號分析技術(shù)，以便有效分選、測量和分析。

3.1寬帶實時頻譜分析技術(shù)

立思方的寬帶實時頻譜分析技術(shù)（RTSA）充分利用了商用無線電平臺的接收通道，數(shù)字化接收機方式和實時處理技術(shù)對信號進行捕獲和分析，通過重疊FFT等數(shù)字信號處理手段實現(xiàn)信號的實時觸發(fā)和捕獲，并進行信號的多域分析。實現(xiàn)實時頻譜分析的關(guān)鍵技術(shù)包括：頻率模板觸發(fā)（FMT）和密度頻譜分析（密度余暉圖）。

頻率模板觸發(fā)通過預先設定“頻率模板”，與實際采集信號的頻譜進行對比，能夠可靠地檢測復雜頻譜特征的瞬態(tài)信號，對檢測捷變信號、突發(fā)信號等至關(guān)重要。密度頻譜分析可以動態(tài)的顯示在不同時間內(nèi)處于同一頻段上的信號特征信息，為復雜電磁環(huán)境感知和分析提供了直觀的判斷依據(jù)。

?頻率模板觸發(fā)和密度頻譜分析都需要進行大量的數(shù)據(jù)計算。在常見的商用臺式儀器中，此類計算大都在定制計算機板上的FPGA中完成。立思方的RTSA技術(shù)則是基于通用圖形加速處理器（GPGPU），利用商用的PXIe GPU協(xié)處理器就完成了專用設備才能實現(xiàn)的功能。如果用戶具有合適的PXI硬件模塊或USRP外設，還可以獲得立思方提供的RTSA功能免費升級服務。

另一方面，復雜電磁環(huán)境感知與分析也需要具備探索適應復雜信號環(huán)境的信號分析技術(shù)，需要高精度的參數(shù)測量能力、實時信號分選和處理能力，以便對輻射源信號特征參數(shù)的精確提取和識別。實時信號分選通過對偵收到復雜電磁信號進行特征參數(shù)測量，并通過這些特征參數(shù)來完成輻射源信號的分選與識別。同時，實時信號分選也具備較強的信號脈內(nèi)調(diào)制分析能力，以便更精確的判別輻射源特征，提高對敵干擾的效果。

3.2構(gòu)建超寬帶的頻譜感知能力

現(xiàn)代雷達系統(tǒng)的頻率捷變范圍已經(jīng)越來越大，信號調(diào)制方式也在不停改進。為了分析這些新出現(xiàn)的頻率捷變信號，前沿科技研究者們需要構(gòu)建超寬帶頻譜感知系統(tǒng)，以便捕捉在數(shù)百MHz甚至數(shù)GHz頻率范圍內(nèi)捷變的脈沖，同時還需要精細化分辨其脈內(nèi)和脈間特征。超寬帶的頻譜感知系統(tǒng)也能夠有效捕獲、分析超短脈沖或者寬帶脈內(nèi)調(diào)制信號。

超寬帶頻譜感知與分析系統(tǒng)需要采用超寬帶的數(shù)字接收機，采用數(shù)字信號處理的方法實現(xiàn)信號的高速采集、高精度測量、并行處理多線程數(shù)據(jù)等高效的處理方式，并且能夠盡可能保留信號的全部信息。?

不過，超寬帶數(shù)字接收機都具有超高成本，市場上也甚少選擇。所以，用戶常采用多個接收機同時采集和分析信號，但因為數(shù)據(jù)分析通路仍是獨立的，信號頻譜的不連續(xù)造成了很多分析技術(shù)無法采用。對此挑戰(zhàn)，立思方也提出基于GPU計算的頻譜拼接技術(shù)來低成本的實現(xiàn)超寬帶信號頻譜分析。比如，采用多個160MHz帶寬的低成本數(shù)字接收機，通過“頻譜拼接”技術(shù)實現(xiàn)超過500MHz的高帶寬，或是以2個1GHz帶寬的寬帶數(shù)字接收機拼接實現(xiàn)近2GHz的超高帶寬接收機，從而實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境下的超寬帶射頻信號的實時監(jiān)測與分選，并滿足不斷的技術(shù)發(fā)展需求。

結(jié) 語

通過對復雜電磁環(huán)境的發(fā)展變化進行分析，應用軟件無線電架構(gòu)來構(gòu)建復雜電磁環(huán)境和超寬帶感知系統(tǒng)。構(gòu)建的復雜電磁環(huán)境不僅可以仿真外場的復雜場景，模擬真實的電磁環(huán)境，同時也兼顧了構(gòu)建系統(tǒng)的成本需求。與此同時，超寬帶感知系統(tǒng)能夠以快速、無縫的捕獲空間電磁環(huán)境的所有感興趣信號，并進行實時分選，判別輻射源信息。這種系統(tǒng)架構(gòu)非常適合干擾和抗干擾評估、復雜電磁環(huán)境效應研究、復雜電磁信號分析等應用領域。

產(chǎn)品咨詢報價

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