第5章通信對(duì)抗偵察搜索截獲原理5.1通信對(duì)抗偵察概述5.2搜索接收機(jī)5.3信道化接收機(jī)5.4數(shù)字化接收機(jī)思考題

5.1通信對(duì)抗偵察概述

5.1.1通信對(duì)抗偵察的含義和任務(wù)

通信對(duì)抗偵察是指探測(cè)、搜索、截獲敵方無線電通信信號(hào),對(duì)信號(hào)分析、識(shí)別、監(jiān)視并獲取其技術(shù)參數(shù)、工作特征和輻射源位置等情報(bào)的活動(dòng)。它是實(shí)施通信對(duì)抗的前提和基礎(chǔ),也是電子對(duì)抗偵察的重要分支。通信對(duì)抗偵察的主要任務(wù)是:

(1)對(duì)敵方無線電通信信號(hào)參數(shù)、工作特征的偵察。其包括偵察敵方無線電通信的工作頻率、通信體制、調(diào)制方式、信號(hào)技術(shù)參數(shù)、工作特征(如聯(lián)絡(luò)時(shí)間、聯(lián)絡(luò)代號(hào)等)等內(nèi)容。

(2)測(cè)向定位。即測(cè)定敵方通信信號(hào)的來波方位角并確定敵方通信電臺(tái)的地理位置。

(3)分析判斷。通過對(duì)敵方通信信號(hào)參數(shù)、工作特征和電臺(tái)位置參數(shù)的分析,查明敵方無線電通信設(shè)備的類型、數(shù)量、部署和變化情況。

5.1.2通信對(duì)抗偵察的特點(diǎn)

通信對(duì)抗偵察是獲取敵方通信對(duì)抗情報(bào)的重要手段。它是依賴敵方輻射的無線電通信信號(hào)獲取敵方情報(bào)資料的,而本身不需要輻射電磁信號(hào)。與其他偵察方式相比,其具有以下的特點(diǎn):

(1)偵察距離遠(yuǎn)。偵察的距離與敵方電臺(tái)的輻射功率、電波傳播條件及我方偵察設(shè)備的靈敏度等因素有關(guān)。在短波、超短波通信采用地波傳播的條件下,偵察距離一般在幾千米到幾十千米。在短波采用天波傳播的條件下,偵察距離可達(dá)幾百到幾千千米。對(duì)衛(wèi)星通信而言,偵察距離可達(dá)上萬千米。

(2)隱蔽性好。這是由于偵察設(shè)備不輻射電磁波,不易被敵方利用無線電偵察設(shè)備所發(fā)現(xiàn)。

(3)偵察范圍廣,從地域、空域上都可以在十分廣闊的范圍內(nèi)實(shí)施偵察。從頻域上,凡是無線電通信工作的頻段范圍,也是通信對(duì)抗偵察的頻段范圍。由于偵察范圍廣,獲取的情報(bào)資料量也多。

(4)實(shí)時(shí)性好。其主要表現(xiàn)在偵察設(shè)備可以長(zhǎng)時(shí)間不間斷地連續(xù)工作,只要敵方無線電發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)且在我方偵察設(shè)備的作用范圍(包括地域、空域、頻域)之內(nèi),就能及時(shí)地被偵察,所以,這種偵察方式是實(shí)時(shí)的。另外,由于信號(hào)處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)在通信對(duì)抗偵察設(shè)備中的廣泛應(yīng)用,對(duì)信號(hào)分析處理的實(shí)時(shí)性大大提高。

(5)受敵方無線電通信條件的制約大。敵方無線電通信條件包括敵方無線電通信設(shè)備的性能、電波傳播條件、通信聯(lián)絡(luò)時(shí)間、應(yīng)用場(chǎng)合等。如果我方偵察設(shè)備不具備偵察敵方信號(hào)所需要的條件,則無法偵察敵方的通信信號(hào)。

5.1.3通信對(duì)抗偵察的分類

通信對(duì)抗偵察可以有以下的不同的分類方法。

(1)按工作頻段劃分,通信對(duì)抗偵察可以分為長(zhǎng)波偵察、中波偵察、短波偵察、超短波偵察、微波偵察等。凡是無線電通信工作的頻段,也是開展通信對(duì)抗偵察的頻段。在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),通信對(duì)抗偵察主要是在短波和超短波展開的,到目前為止,這兩個(gè)頻段仍然是通信對(duì)抗偵察的主要頻段。隨著微波通信的日益增多,微波偵察在通信對(duì)抗偵察中也日益占有重要的地位。

(2)按通信體制劃分,通信對(duì)抗偵察可以分為對(duì)短波單邊帶通信的偵察、對(duì)接力通信的偵察、對(duì)衛(wèi)星通信的偵察、對(duì)跳頻通信的偵察、對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信的偵察等。

(3)按通信對(duì)抗設(shè)備是否移動(dòng)及運(yùn)載平臺(tái)的不同劃分,通信對(duì)抗偵察可以分為地面固定偵察站、地面移動(dòng)偵察站、偵察衛(wèi)星、偵察飛機(jī)、偵察船等。在后三種運(yùn)載平臺(tái)上,除通信對(duì)抗偵察設(shè)備外,一般還包括其他偵察設(shè)備,如雷達(dá)偵察設(shè)備、照相設(shè)備等。

(4)按作戰(zhàn)任務(wù)和用途劃分,通信對(duì)抗偵察通?？梢苑譃橥ㄐ艑?duì)抗情報(bào)偵察和通信對(duì)抗支援偵察。其分述如下:

①通信對(duì)抗情報(bào)偵察是通過對(duì)敵無線電通信長(zhǎng)期或定期地偵察監(jiān)視,詳細(xì)搜集和積累有關(guān)敵方無線電通信的情報(bào),建立和更新通信系統(tǒng)的情報(bào)數(shù)據(jù)庫,評(píng)估敵方無線電通信設(shè)備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),為研究通信對(duì)抗策略和研制發(fā)展通信對(duì)抗設(shè)備提供依據(jù)。簡(jiǎn)言之,通信對(duì)抗情報(bào)偵察主要是為“對(duì)策研究”服務(wù)的。通信對(duì)抗情報(bào)偵察屬于戰(zhàn)略偵察的范疇,它主要是在平時(shí)和戰(zhàn)前進(jìn)行,又稱為預(yù)先偵察。在偵察手段上大多采用地面固定偵察站、偵察衛(wèi)星、偵察飛機(jī)、偵察船來實(shí)施,也可采用投擲式偵察設(shè)備實(shí)施偵察。

②通信對(duì)抗支援偵察是指對(duì)敵方無線電通信信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)搜索、截獲,并實(shí)時(shí)完成對(duì)信號(hào)的測(cè)量、分析、識(shí)別和對(duì)信號(hào)輻射源的測(cè)向定位,判明通信輻射源的性質(zhì)、類別及威脅程度,為實(shí)施通信干擾、通信欺騙提供有關(guān)的通信情報(bào)。通信對(duì)抗支援偵察是通信干擾的支援措施,屬于戰(zhàn)術(shù)偵察的范疇。通信對(duì)抗支援偵察是在戰(zhàn)時(shí)進(jìn)行的,又稱為直接偵察,一般由通信對(duì)抗系統(tǒng)中的偵察設(shè)備實(shí)施支援偵察。

通信對(duì)抗情報(bào)偵察和支援偵察所采用的偵察設(shè)備并無本質(zhì)的差別,甚至二者可以采用相同的偵察設(shè)備。但是,在客觀上二者對(duì)偵察設(shè)備的性能要求不完全相同。例如,前者對(duì)信號(hào)分析測(cè)量的參數(shù)要盡量齊全,精度要高,但對(duì)信號(hào)分析處理的速度可以放寬,甚至可以先把信號(hào)記錄下來留待事后進(jìn)行分析處理;后者要求對(duì)通信信號(hào)的截獲概率要高,偵察設(shè)備的反應(yīng)速度要快,對(duì)信號(hào)具有實(shí)時(shí)分析處理能力,而對(duì)信號(hào)參數(shù)的測(cè)量精度可適當(dāng)放寬。

5.1.4通信對(duì)抗偵察的基本步驟

通信對(duì)抗偵察的內(nèi)容和步驟是隨著偵察設(shè)備技術(shù)水平的不斷提高而變化的。早期的通信對(duì)抗偵察是以耳聽偵察通聯(lián)特征為主。通聯(lián)特征是指通信聯(lián)絡(luò)中所反映出來的一些特點(diǎn)。例如,信號(hào)頻率、呼號(hào)、勤務(wù)通信用語、聯(lián)絡(luò)時(shí)間、電報(bào)信號(hào)的報(bào)頭、人工手鍵報(bào)的音響特點(diǎn)等。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,現(xiàn)代通信大量采用快速通信技術(shù)、加密技術(shù)、反偵察抗干擾技術(shù)等各種先進(jìn)通信技術(shù)。這樣,傳統(tǒng)的通信對(duì)抗偵察方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)目前的要求。于是,通信對(duì)抗偵察的內(nèi)容和步驟也隨之而改變。

1.對(duì)通信信號(hào)的搜索與截獲

由于敵方通信信號(hào)是未知的,或者通過事先偵察已知敵方某些信號(hào)頻率而不知其通信聯(lián)絡(luò)的時(shí)間,因此,需要通過搜索尋找,以發(fā)現(xiàn)敵臺(tái)信號(hào)是否存在以及是否有新出現(xiàn)的通信信號(hào)。

截獲信號(hào)必須具備四個(gè)條件:

一是頻率對(duì)準(zhǔn),即偵察設(shè)備的工作頻率與信號(hào)頻率要一致;

二是方位對(duì)準(zhǔn),即偵察天線的最大接收方位要對(duì)準(zhǔn)信號(hào)的來波方位;

三是時(shí)間對(duì)準(zhǔn),即偵察設(shè)備工作時(shí)間需要有通信信號(hào)存在;

四是能量足夠,即信號(hào)電平不小于偵察設(shè)備的接收靈敏度。由于敵方信號(hào)的頻率和來波方位是未知的,所以,在尋找信號(hào)時(shí),需進(jìn)行頻率搜索和方位搜索。

2.測(cè)量通信信號(hào)的技術(shù)參數(shù)

通信信號(hào)有許多技術(shù)參數(shù),有些是各種通信信號(hào)共有的參數(shù),有些是不同通信信號(hào)特有的參數(shù)。各種通信信號(hào)共有的技術(shù)參數(shù)主要有:

(1)信號(hào)載頻,或者信號(hào)的中心頻率。

(2)信號(hào)電平,通常用相對(duì)電平表示。

(3)信號(hào)的頻帶寬度,可根據(jù)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)測(cè)量信號(hào)的頻帶寬度。

(4)信號(hào)的調(diào)制方式,根據(jù)信號(hào)的波形和頻譜結(jié)構(gòu)一般可分析得到信號(hào)的調(diào)制方式。

3.測(cè)向定位

利用無線電測(cè)向設(shè)備測(cè)定信號(hào)的來波方位,并確定目標(biāo)電臺(tái)的地理位置。測(cè)向定位可以為判定電臺(tái)屬性、通信網(wǎng)組成、引導(dǎo)干擾和特定條件下實(shí)施火力摧毀提供重要依據(jù)。

4.對(duì)信號(hào)特征進(jìn)行分析、識(shí)別

信號(hào)特征包括通聯(lián)特征和技術(shù)特征。通聯(lián)特征的定義前文已介紹過。技術(shù)特征是指信號(hào)的波形特點(diǎn)、頻譜結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)以及電臺(tái)的位置參數(shù)等。分析信號(hào)特征可以識(shí)別信號(hào)的調(diào)制方式,判斷敵方的通信體制和通信設(shè)備的性能,判斷敵方通信網(wǎng)的數(shù)量、地理分布以及各通信網(wǎng)的組成、屬性及其應(yīng)用性質(zhì)等。

5.控守監(jiān)視

控守監(jiān)視是指對(duì)已截獲的通信信號(hào)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視,及時(shí)掌握其變化及活動(dòng)規(guī)律。在實(shí)施支援偵察時(shí),控守監(jiān)視尤為重要,必要時(shí)可以及時(shí)轉(zhuǎn)入引導(dǎo)干擾。

6.引導(dǎo)干擾

在實(shí)施支援偵察時(shí),依據(jù)確定的干擾時(shí)機(jī),正確選擇干擾樣式,引導(dǎo)干擾機(jī)對(duì)預(yù)定的目標(biāo)電臺(tái)實(shí)施干擾壓制,并在干擾過程中觀察信號(hào)變化情況。另外,可以對(duì)需要干擾的多部敵方通信電臺(tái),按威脅等級(jí)排序進(jìn)行搜索監(jiān)視,一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)出現(xiàn),即時(shí)引導(dǎo)干擾機(jī)進(jìn)行干擾。

5.1.5通信對(duì)抗偵察系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

對(duì)于不同用途、不同類型的偵察接收設(shè)備,對(duì)其技術(shù)性能的要求既有共同之處,也有不同之處,下面僅介紹共同的主要技術(shù)性能。

(1)工作頻率范圍。系指?jìng)刹旖邮赵O(shè)備能正常接收通信信號(hào)的頻率范圍。在此頻率范圍內(nèi),設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)要求。設(shè)備的工作頻率范圍越寬,對(duì)不同頻段信號(hào)偵察的適應(yīng)能力越強(qiáng)。

(2)靈敏度。它是衡量偵察接收設(shè)備接收微弱信號(hào)能力的指標(biāo)。靈敏度主要決定于接收機(jī),通常是這樣定義接收機(jī)靈敏度的:在接收機(jī)輸出端得到額定信號(hào)功率和額定信噪比的條件下,接收機(jī)天線上所需要的最小感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。所需要的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越小,則靈敏度越高,說明接收微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)。

(3)動(dòng)態(tài)范圍。它是指保證偵察接收設(shè)備正常工作條件下,接收機(jī)輸入信號(hào)的最大變化范圍。

設(shè)接收機(jī)允許的最小與最大輸入信號(hào)分別為Emin和Emax,則動(dòng)態(tài)范圍DR(單位為dB)為Emax/Emin。

若用分貝表示,則表示為:DR=Emax-Emin。動(dòng)態(tài)范圍的下限受設(shè)備靈敏度的限制,只有大于靈敏度的信號(hào)才能正常接收。動(dòng)態(tài)范圍的上限則有不同的情況使接收機(jī)不能正常工作,與此相對(duì)應(yīng),對(duì)動(dòng)態(tài)范圍也有不同的定義。應(yīng)用較多的通常有以下兩種定義:

①飽和動(dòng)態(tài)范圍。它是指輸入信號(hào)電平增大到一定程度時(shí),使接收機(jī)中的一部分電路處于飽和狀態(tài),從而失去對(duì)信號(hào)的放大能力。與此相對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)電平稱為飽和電平,即是接收機(jī)允許的最大輸入信號(hào)電平。凡是大于飽和電平的信號(hào)都會(huì)使接收機(jī)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。在接收機(jī)中采用對(duì)數(shù)放大電路和增益控制電路,有利于增大接收機(jī)的飽和動(dòng)態(tài)范圍。

②無寄生干擾動(dòng)態(tài)范圍。任何類型的偵察接收機(jī)都有一定的線性范圍,如果有兩個(gè)以上的信號(hào)進(jìn)入接收機(jī),并且超出接收機(jī)的線性范圍而進(jìn)入非線性區(qū)工作,受非線性的影響,這些信號(hào)間互相調(diào)制,產(chǎn)生寄生干擾。輸入信號(hào)越強(qiáng),非線性影響越大,寄生干擾越嚴(yán)重,以致造成接收機(jī)不能正常接收信號(hào)。當(dāng)要求輸出的寄生干擾電平不超過某一規(guī)定值時(shí),與此規(guī)定值所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)電平即為無寄生干擾動(dòng)態(tài)范圍的上限值。接收機(jī)在密集的信號(hào)環(huán)境下工作時(shí),無寄生干擾動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)重要的性能指標(biāo),此動(dòng)態(tài)范圍小于飽和動(dòng)態(tài)范圍。

(4)頻率穩(wěn)定度。偵察接收設(shè)備的頻率穩(wěn)定度完全決定于接收機(jī),一般用長(zhǎng)期穩(wěn)定度表示(用日穩(wěn)定度或月穩(wěn)定度),它表征了接收機(jī)頻率穩(wěn)定的程度,通常用相對(duì)頻率穩(wěn)定度Δf/f0來衡量(f0為標(biāo)稱頻率值,Δf表示在測(cè)試時(shí)間內(nèi)的頻率偏移值)。

(5)頻率分辨力。它又稱為頻率分辨率,是指?jìng)刹旖邮赵O(shè)備能區(qū)分兩個(gè)同時(shí)存在的不同頻率輻射源信號(hào)之間的最小頻率間隔。它反映了設(shè)備對(duì)相鄰頻率通信信號(hào)的分辨能力。對(duì)全景顯示搜索接收機(jī)而言,這是一個(gè)極重要的性能指標(biāo)。

(6)反應(yīng)速度。偵察接收設(shè)備的反應(yīng)速度包括搜索速度、對(duì)信號(hào)的分析處理速度等。其理想的情況是能夠?qū)崿F(xiàn)快速搜索截獲,實(shí)時(shí)測(cè)量和分析處理。隨著猝發(fā)通信技術(shù)、跳頻技術(shù)在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用,對(duì)設(shè)備的反應(yīng)速度提出了極高的要求;否則,就不能實(shí)時(shí)截獲、分析處理這類駐留時(shí)間極短和快速跳變的通信信號(hào)。

5.2搜索接收機(jī)

5.2.1頻率搜索接收機(jī)的基本原理

搜索接收機(jī)在預(yù)定的偵察頻段內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行頻率搜索,將在一個(gè)時(shí)刻的接收作為一個(gè)信號(hào),不僅實(shí)時(shí)測(cè)量信號(hào),還顯示被截獲信號(hào)的頻率及其相對(duì)強(qiáng)度,所以又被稱為全景顯示捜索接收機(jī)。

搜索接收機(jī)多采用超外差方式,掃頻本振是實(shí)現(xiàn)搜索的重要部件,其工作原理如圖5-2-1所示。

圖5-2-1超外差頻率搜索接收機(jī)的工作原理

在搜索接收機(jī)的工作頻率范圍flow~fhigh內(nèi),同時(shí)存在多個(gè)不同頻率的信號(hào)。接收機(jī)射頻電路帶寬BR有限,在某一時(shí)間段,接收機(jī)僅能接收flow~fhigh中一部分fA~fB(頻率覆蓋范圍),射頻電路帶寬BR=|fA~fB|。

5.2.2鏡像干擾及其消除方法

在圖5-2-1中,如果在混頻器輸入的同時(shí)加入信號(hào)fR和本振信號(hào)fL,由于混頻器的非線性作用,因此多種頻率組合可以產(chǎn)生中頻信號(hào),其一般關(guān)系為

當(dāng)m=1,n=-1時(shí),為期望的主信道;當(dāng)m=-1,n=1時(shí),則為鏡像信號(hào),會(huì)對(duì)主信道頻率測(cè)量產(chǎn)生干擾作用,因此稱為鏡像干擾。

抑制鏡像干擾可以采用以下途徑:

(1)預(yù)選器——本振統(tǒng)調(diào)。通過控制射頻預(yù)選器的中心頻率和本振頻率,從而保證進(jìn)入預(yù)選器的信號(hào)頻率與本振頻率的頻差正好為中頻頻率,從源頭上避免了鏡像信道的干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)。

(2)高中頻。由于射頻濾波器的頻率范圍為fR=[fA,fB],主信道與鏡像信道的頻率差為兩倍中頻頻率,因此當(dāng)提高中頻頻率,使其滿足當(dāng)fI>(fA-fB)/2時(shí),可保證鏡像信道落入射頻濾波器頻率范圍之外。

(3)零中頻。當(dāng)中頻為0時(shí),主信道與鏡像信道重合,也就不存在鏡像干擾的問題了。

5.2.3頻率搜索時(shí)間

頻率搜索時(shí)間是指搜索完給定頻率范圍所需的時(shí)間,主要由頻率搜索范圍|fA-fB|、頻率步進(jìn)間隔Δf、本振換頻時(shí)間Trs、搜索駐留時(shí)間Tst等因素決定。對(duì)于等間隔步進(jìn)搜索而言,頻率搜索時(shí)間可以描述為

為了減小頻率搜索時(shí)間,有以下幾個(gè)可能的途徑:

(1)通過采用并行多信道搜索方式,減小頻率搜索范圍。

(2)增大搜索步進(jìn),減小頻率步進(jìn)搜索過程中的本振頻率點(diǎn)數(shù)。

(3)采用換頻時(shí)間短的高速頻率合成本振。

(4)采用高速、高性能的信號(hào)處理器,減小搜索駐留時(shí)間。

5.3信道化接收機(jī)

5.3.1信道化接收機(jī)的設(shè)計(jì)思想信道化接收機(jī)是按照多波道接收機(jī)的設(shè)計(jì)思想發(fā)展起來,即利用多個(gè)不同頻率的濾波器覆蓋偵察接收機(jī)的工作頻率范圍,同時(shí)接收整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)的通信信號(hào)。由此可見,利用不同濾波器組分選不同頻率信號(hào)的實(shí)質(zhì)就是頻率信道化。

偵察頻率范圍內(nèi)的一個(gè)通信信號(hào)進(jìn)入多波道接收機(jī),經(jīng)放大后根據(jù)頻率進(jìn)入相應(yīng)的射頻帶通濾波器,然后由對(duì)應(yīng)的接收通道輸出。信號(hào)處理器根據(jù)該信號(hào)在接收通道的位置,判斷該信號(hào)通過的射頻帶通濾波器,以該射頻帶通濾波器的中心頻率作為信號(hào)頻率并顯示,完成信號(hào)頻率的測(cè)量。圖5-3-1多波道接收機(jī)的原理框圖圖5-3-2射頻帶通濾波器的傳輸特性

偵察頻率范圍內(nèi)的多個(gè)不同頻率的通信信號(hào)進(jìn)入多波道接收機(jī),信號(hào)處理器中得到來自不同接收通道的信號(hào),判斷不同接收通道對(duì)應(yīng)的射頻帶通濾波器,完成多個(gè)不同頻率的通信信號(hào)頻率的測(cè)量與顯示。

5.3.2純信道化接收機(jī)

純信道化接收機(jī)的原理框圖如圖5-3-3所示。圖5-3-3純信道化接收機(jī)的原理框圖

4)信號(hào)檢測(cè)與頻率估計(jì)

三中頻輸出信號(hào)經(jīng)過檢波,由門限檢測(cè)電路進(jìn)行信號(hào)有無的判決。信號(hào)處理器根據(jù)門限檢測(cè)電路的判決輸出。假設(shè)信號(hào)頻率fs在fA~fB(假設(shè)fA<fB)范圍內(nèi),則有以下幾種情況:

事實(shí)上,接收機(jī)事先不能確定信道h是否有信號(hào),如果接收機(jī)第m個(gè)分波段、第n個(gè)子波段、第k個(gè)信道檢測(cè)電路的輸出超過接收機(jī)的靈敏度,認(rèn)為信道上有信號(hào);否則,判斷無信號(hào)。

對(duì)于有信號(hào)輸出的信道分路器,根據(jù)其信道編碼k、子波段編碼n以及分波段編碼m,估計(jì)射頻信號(hào)的頻率范圍為

5)相關(guān)參數(shù)

一般以接收信道的中心頻率作為信號(hào)頻率,則射頻上的信號(hào)頻率為

事實(shí)上,射頻上的信號(hào)不一定在接收信道的中心,所以,存在測(cè)量頻率誤差,信號(hào)的最大頻率誤差為

信道化接收機(jī)對(duì)于頻率差大于接收信道寬度BK的多個(gè)同時(shí)到達(dá)信號(hào),具有很強(qiáng)的處理能力。但是,如果頻率相鄰信號(hào)的頻率差小于接收信道寬度BK,它們就可能具有同樣的三維坐標(biāo)(mj,nj,kj),即在同一接收信道輸出,在進(jìn)行射頻頻率換算時(shí),就會(huì)成為同一射頻頻率。純信道化接收機(jī)的頻率分辨率為

純信道化接收機(jī)可以達(dá)到很高的靈敏度和頻率分辨力,具有接近100%的截獲概率;各信道輸出信號(hào)保持信號(hào)原調(diào)制信息,若信號(hào)處理器的速度足夠快,可以對(duì)截獲信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)、調(diào)制樣式識(shí)別等分析處理。但在偵察頻段寬或信道數(shù)很多的情況下,需要的設(shè)備量很大,因此,對(duì)某些威脅等級(jí)很高的新型快跳信號(hào)的研究可以采用純信道化接收機(jī)。

圖5-3-4頻帶折疊式信道化接收機(jī)的原理框圖

假設(shè)頻帶折疊式信道化接收機(jī)采用純信道化接收機(jī)的子波段形式,則其頻率分辨率、最大頻率誤差均與純信道化接收機(jī)相同,但子波段通道的數(shù)目只有N個(gè),比純信道化接收機(jī)少(M-1)×N個(gè)。N個(gè)子波段通道分別經(jīng)信道分路器分路后,有N×K個(gè)輸出信道,比純信道化接收機(jī)減少了(M-1)×N×K個(gè)信道。如果把N個(gè)子波段通道的輸出也進(jìn)行“折疊”,則信道的數(shù)目將減少為K。

瞬時(shí)頻率覆蓋范圍內(nèi)存在信號(hào)us(t)=Uscos(2πfst+φs),根據(jù)頻率fs,進(jìn)入第m個(gè)分波段,經(jīng)過第一次變頻、濾波、放大、取“和”后,進(jìn)入第n個(gè)子波段,經(jīng)過第二次變頻、濾波、放大后,進(jìn)入第n個(gè)子波段的第k個(gè)信道,經(jīng)過第三次變頻、濾波、放大、檢波后,送入檢測(cè)電路。

信號(hào)處理器依據(jù)檢測(cè)電路的輸出,判斷有無強(qiáng)度大于門限電平的信號(hào),一旦發(fā)現(xiàn)超過門限電平的信號(hào),即根據(jù)輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)子波段頻率編碼及信道的頻率編碼,以該信道檢波輸出基帶濾波器的中心頻率為基準(zhǔn),換算出信號(hào)在一中頻fi1中的頻率位置。

僅僅根據(jù)信號(hào)在一中頻fi1中的頻率位置不能確定該信號(hào)屬于哪一個(gè)分波段,所以造成信道輸出的模糊性。為了消除這種模糊性,必須在接收機(jī)中設(shè)置一些輔助電路,例如,在每個(gè)分波段中設(shè)置標(biāo)記電路,將信號(hào)的分波段標(biāo)記信息送處理終端,由輸出端確定信號(hào)的分波段歸屬問題,但輔助電路勢(shì)必增加設(shè)備的復(fù)雜程度。

不同分波段同時(shí)接收到的信號(hào),由于頻帶折疊可能進(jìn)入同一子波段并同時(shí)進(jìn)入同一輸出信道,造成信道輸出信號(hào)的混疊,原調(diào)制信息丟失;如果以該信道檢波輸出基帶濾波器的中心頻率為一個(gè)信號(hào)基準(zhǔn),換算射頻信號(hào),則不能將混疊的信號(hào)分離開來進(jìn)行分析和識(shí)別。當(dāng)接收機(jī)工作于信號(hào)密集的頻段時(shí),還將造成嚴(yán)重的“漏檢”;不同分波段的信號(hào)取“和”時(shí),每個(gè)信號(hào)強(qiáng)度是不變的,但各分波段的噪聲卻彼此疊加,接收機(jī)輸出的總噪聲功率增大,導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度下降。

圖5-3-5時(shí)間分割式信道化接收機(jī)的原理框圖

瞬時(shí)頻率覆蓋范圍內(nèi)信號(hào)us(t)=Us·cos(2πfst+φs)出現(xiàn),根據(jù)頻率fs,進(jìn)入第m個(gè)分波段,經(jīng)過第一次變頻、濾波、放大。當(dāng)分波段選擇開關(guān)選擇第m個(gè)分波段時(shí),進(jìn)入第n個(gè)子波段,經(jīng)過第二次變頻、濾波、放大后,進(jìn)入第n個(gè)子波段的第k個(gè)信道,經(jīng)過第三次變頻、濾波、放大、檢波后,送入檢測(cè)電路。

接收機(jī)依據(jù)檢測(cè)電路的輸出,判斷有無強(qiáng)度大于門限電平的信號(hào),一旦發(fā)現(xiàn)超過門限電平的信號(hào),即根據(jù)輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)子波段頻率編碼及分波段選擇開關(guān)的位置,以該信道檢波輸出基帶濾波器的中心頻率為基準(zhǔn),換算出信號(hào)在一中頻的fi1中的頻率位置。各信道輸出信號(hào)保持信號(hào)原調(diào)制信息,便于信號(hào)的分析處理。

在同一時(shí)間,不同分波段同時(shí)接收到的信號(hào),不能同時(shí)進(jìn)入子波段分路器。對(duì)于存在時(shí)間較短的捷變信號(hào),如果分波段選擇開關(guān)的周期太長(zhǎng),可能會(huì)造成“漏檢”。在實(shí)際應(yīng)用中,多采用寬帶、寬步進(jìn)的超外差頻率搜索實(shí)現(xiàn)分波段選擇的功能,即搜索式信道化接收機(jī)。

5.4數(shù)字化接收機(jī)

5.4.1無線電的發(fā)展從無線電的誕生開始,經(jīng)歷了模擬無線電、數(shù)字控制無線電、數(shù)字無線電、軟件無線電這樣四個(gè)發(fā)展階段。最初的模擬無線電經(jīng)歷了最漫長(zhǎng)的完善發(fā)展過程,圖5-4-1所示的是模擬無線電接收設(shè)備的原理框圖。圖5-4-1模擬無線電接收設(shè)備的原理框圖

模擬無線電存在的主要缺點(diǎn)是工作帶寬窄、工作方式單一,它純粹靠人工操作使用,還存在反應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)。直到20世紀(jì)60年代末至70年代初,數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及其在無線電發(fā)射/接收技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,出現(xiàn)了具有數(shù)字控制功能的無線電技術(shù),圖5-4-2所示的是數(shù)字控制無線電接收設(shè)備的原理框圖。圖5-4-2數(shù)字控制無線電接收設(shè)備的原理框圖

現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理理論與技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了無線電技術(shù)的同步發(fā)展,出現(xiàn)了數(shù)字無線電技術(shù)。圖5-4-3所示的是數(shù)字無線電接收設(shè)備的原理框圖圖5-4-3數(shù)字無線電接收設(shè)備的原理框圖

數(shù)字無線電接收設(shè)備可以靈活選擇寬窄不同的多種工作帶寬,還可以適應(yīng)多種通信體制(如模擬定頻信號(hào)、數(shù)字定頻信號(hào)、跳頻信號(hào)、自適應(yīng)通信信號(hào)、猝發(fā)信號(hào)等),選擇多種工作方式(如CW、AM、FM、USB、LSB、FSK、PSK等),信號(hào)適應(yīng)能力強(qiáng),功能可擴(kuò)展性好,控制靈活,反應(yīng)速度快,操作控制具有較高的自動(dòng)化程度和初步的智能化程度,但是也還存在以下缺點(diǎn):

(1)模擬處理環(huán)節(jié)多,引起信號(hào)失真大,性能不高。

(2)硬件平臺(tái)通用性差,信號(hào)適應(yīng)性無法滿足高要求。

(3)信號(hào)處理能力弱,無法滿足多模式、多功能的要求。

(4)硬件組成復(fù)雜,難以滿足小型化、低功耗的要求。

關(guān)于軟件無線電比較常見的英文定義有SoftwareRadio,即SWR和Software-DefinedRadio,即SDR,如果用中文來給予一個(gè)比較完整全面的定義,可以這樣來理解:

軟件無線電是一種新的無線電(通信)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),它的基本思想是以開放性、可擴(kuò)展性、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)化的硬件為通用平臺(tái),把盡可能多的無線電(通信)功能用可升級(jí)、可重配置的軟件來實(shí)現(xiàn)。它的基本要求有兩個(gè):

(1)A/D、D/A盡可能地靠近天線。

(2)瞬時(shí)處理帶寬盡可能寬。

軟件無線電的研究具有重要的意義,它突破了傳統(tǒng)的無線電臺(tái)以功能單一、可擴(kuò)展性差的硬件為核心的設(shè)計(jì)局限性,強(qiáng)調(diào)以開放性的最簡(jiǎn)硬件為通用平臺(tái),盡可能地用可升級(jí)、可重配置的應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計(jì)新思路。這樣使用戶在同一硬件平臺(tái)上可以通過選購不同的應(yīng)用軟件來滿足不同時(shí)期、不同使用環(huán)境的不同功能需求。

開展軟件無線電的研究不僅具有重要的科研價(jià)值,也具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,如果我們意識(shí)不到這一點(diǎn),就有可能在已初露端倪的巨大的軟件無線電市場(chǎng)上失去機(jī)遇。

5.4.2軟件無線電接收機(jī)

軟件無線電接收機(jī)主要由天線模塊、RF轉(zhuǎn)換模塊、A/D/A轉(zhuǎn)換模塊、IF處理模塊、基帶處理模塊、比特流模塊以及源模塊構(gòu)成,其組件圖如圖5-4-4所示。圖5-4-4軟件無線電接收機(jī)的組件圖

1.天線模塊

軟件無線電需跨越多個(gè)頻段,它既有多倍頻程的頻段,又有統(tǒng)一的形式和低損耗以提供可用的業(yè)務(wù)頻段。例如,某些移動(dòng)終端要求用VHF/UHF系列,UHF的衛(wèi)星通信及HF作為支撐模式。多波段的開關(guān)式接入需要倍頻帶寬天線或每頻段多天線及一個(gè)RF模塊的靈活的頻率參考。另外,多路天線單元也是波束形成網(wǎng)絡(luò)的一部分,用以降低干擾及實(shí)現(xiàn)空分多路接入(SDMA)方式。

2.RF轉(zhuǎn)換模塊

RF轉(zhuǎn)換包括功率輸出、預(yù)放大電路、運(yùn)用于A/D/A轉(zhuǎn)換模塊的RF信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)中頻信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換等子部分。在大多數(shù)無線電頻段,RF轉(zhuǎn)換是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。在軟件無線電中,某些RF轉(zhuǎn)換問題更加突出,其中包括對(duì)放大器的線性及接入頻段的效率需求。為避免將處理器時(shí)鐘調(diào)諧引入系統(tǒng)中的模擬RF/IF電路,需對(duì)其處理器進(jìn)行屏蔽。多個(gè)發(fā)射機(jī)同時(shí)存在還將產(chǎn)生電磁干擾問題,這對(duì)軟件無線電系統(tǒng)來說,它將經(jīng)歷與多個(gè)硬件無線電臺(tái)放在一起而出現(xiàn)的類似干擾問題。

3.A/D/A轉(zhuǎn)換模塊

在實(shí)用的軟件無線電系統(tǒng)中,需要進(jìn)行數(shù)字化的中頻信號(hào)帶寬決定了所需采用的A/D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理對(duì)帶限信號(hào)的抽樣,A/D/A轉(zhuǎn)換模塊的取樣速率Fs必須是Wa的兩倍,實(shí)際的系統(tǒng)往往是Fs>2.5Wa,其中Wa表示中頻信號(hào)的帶寬。因此,A/D/A轉(zhuǎn)換模塊訪問頻譜的連續(xù)頻譜一般是10MHz~50MHz。

考慮到A/D/A轉(zhuǎn)換模塊自身的帶寬問題,在每個(gè)帶寬為1MHz~10MHz并行子頻段中,也可以進(jìn)行這樣的寬帶訪問,其每個(gè)并行子頻段的動(dòng)態(tài)范圍依賴于A/D/A轉(zhuǎn)換模塊的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于給定的A/D/A轉(zhuǎn)換模塊,動(dòng)態(tài)范圍與取樣速率乘積接近常數(shù)。因此,在較窄的子頻段中通常可以增加其有用的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。

當(dāng)然這也將增加對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。顯然,在實(shí)用的軟件無線電結(jié)構(gòu)中,在中頻(IF)末端與信道隔離濾波器前加入A/D/A轉(zhuǎn)換模塊,主要有三個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1)在檢測(cè)及解調(diào)前進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理;

(2)通過將IF及基帶處理引入可編程硬件,降低混合信道訪問模式成本;

(3)將系統(tǒng)元素的使用集中于一點(diǎn),即為每個(gè)結(jié)構(gòu)要素提供計(jì)算資源系統(tǒng),這些元素主要是實(shí)用系統(tǒng)尺寸、重復(fù)、功率及使用成本費(fèi)用等。

4.中頻處理模塊

中頻處理模塊將在調(diào)制的基帶和中頻信號(hào)間傳送和接收信號(hào),并對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。IF處理模塊包括寬帶數(shù)字濾波部分,其作用是從可用頻帶中選擇所需業(yè)務(wù)頻帶。此外,IF濾波還可恢復(fù)中間頻段的信道(如GSM中200kHz的TDMA信道)和寬帶用戶信道(如2MHz的CDMA信道),并將信號(hào)變換至基帶。決定IF處理模塊處理要求的主要因素是頻率轉(zhuǎn)換及信號(hào)濾波的復(fù)雜性。

在典型的應(yīng)用中,例如,在一個(gè)12.5MHz移動(dòng)蜂窩頻帶中以30.7MHz進(jìn)行采樣,考慮其頻率、轉(zhuǎn)換、濾波和十進(jìn)制化等要素則要求每次進(jìn)行100次采樣操作,相應(yīng)需要微處理器具有3000MIPS的處理能力。盡管這種專用處理器尚待出現(xiàn),但已經(jīng)有類似產(chǎn)品,如Harris(哈里斯)公司的數(shù)字下變頻器(DDC)或數(shù)字接收芯片,以及CDMA的擴(kuò)頻及解擴(kuò),都基本上能滿足上述中頻處理的功能。此外,CDMA的擴(kuò)頻和解擴(kuò)以及IF處理器的功能還要求與擴(kuò)頻波形帶寬和基帶信號(hào)帶寬乘積成比例。由于現(xiàn)有技術(shù)的限制,這一般也只能由專用芯片來完成相應(yīng)功能。

5.基帶處理模塊

基帶處理模塊主要用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)信道調(diào)制(相應(yīng)地在接收機(jī)中需解調(diào)該信號(hào)),而且對(duì)非線性信道的預(yù)矯正處理也需要在基帶處理中進(jìn)行?；鶐幚聿考ń豢椌幋a和軟定義參數(shù)估計(jì)。因此,基帶處理模塊的復(fù)雜性取決于基帶帶寬Wb,以及依賴于信道波形的復(fù)雜性和相關(guān)處理(如軟定義參數(shù)估計(jì)支持)的復(fù)雜性。對(duì)于像BPSK\QPSK\GMSK及具有信道速率Rb的8PSK這幾種典型數(shù)字編碼基帶波形,常有Rb/3<Wb<2Rb。

6.比特流模塊

系統(tǒng)中比特流模塊主要用于對(duì)來自多用戶的源代碼比特流進(jìn)行數(shù)字復(fù)接(相反地可進(jìn)行幀處理及解復(fù)接)。比特流模塊也可對(duì)比特流進(jìn)行前向誤碼控制(FEC)功能操作,它包括比特插入分塊及旋轉(zhuǎn)編碼,自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求檢測(cè)及系統(tǒng)響應(yīng)。例如,幀調(diào)整、比特流填充及天線鏈路加密等功能均在比特流模塊中進(jìn)行。常用的加密要求是將加密的比特從清零比特中分離出來,因此,它又相應(yīng)地需要?jiǎng)澐趾头蛛x比特流硬件。比特流模塊還需負(fù)責(zé)做出最后交織編