频谱仪监测侦察接收机呈现抖动特性的探讨*

王卫涛,程 明,张永光,2,顾俊杰

(1.江南电子通信研究所, 浙江 嘉兴 314033；2.通信信息控制和安全技术国防重点实验室,浙江 嘉兴 314033)

0 引言

随着无线电技术的高速发展，无线电磁环境日益复杂，电子对抗、技术侦察、无线电监测系统的任务目标也愈来愈多，涉及通信、雷达、数据链、敌我识别、GPS、测控、卫星通信等多方面，对侦察接收机的扫描速度、频率分辨率和瞬时处理带宽等提出了更高的要求，这使得基于软件无线电体制的侦察接收机得以快速发展和广泛应用[1-5]。

频谱仪是信号频谱监测领域中的常用仪器，可用于测量信号的频谱、功率等特性，被广泛的用于无线电领域，包括设计研发、调试、监测、验收等环节，以至于频谱仪成为判断一个无线电设备是否正常工作的工具和标准，具有无可置疑的权威性。在电子对抗系统中，我们也常使用频谱仪监测设备是否工作正常。对于大部分无线电设备而言，使用频谱仪可以准确判断设备是否正常，但在监测侦察接收机时，经常会出现抖动现象，让人十分困惑，能否根据此抖动现象判断侦察接收机为故障呢？尤其在外场试验环节，时间非常紧张、条件又非常有限，准确判断问题是解决问题的关键，因此研究该现象十分有必要，具有重要的工程应用价值。

1 频谱仪监测扫频接收机呈现抖动现象

我们使用八通道接收机对该抖动特性进行了复现。频谱仪监测接收机原理如图1所示。

图1 监测原理示意图

监测过程如下：

1) 接收机加电工作，将侦察接收机任一通道的中频接入频谱仪进行监测。

2) 设置接收机的扫描起始频率和终止频率，设置扫描步进。

3) 设置信号源输入为扫描频段内的任一频率；

4) 频谱仪使用自动模式进行监测。

实际测试场景如图2所示。

图2 实际测试场景

除了监测到接收机中频信号以外，我们还可以监测到抖动现象，如图3所示。

图3 抖动信号频谱图

监测到接收机中频频谱具有如下几个特点：

1) 在大部分时间，观测到正常信号频谱，大约每隔几秒钟出现一次抖动频谱闪烁。

2) 该抖动信号不一定在每个扫描周期内都出现。

3) 该抖动信号出现的位置不固定，可出现在中频瞬时带宽内任意位置。

4) 该抖动信号为非单音信号，频谱没有明显特征。

在分析该抖动特性之前，需要对频谱仪和侦察接收机的工作原理和工作过程进行介绍和分析。

2 频谱仪工作原理

扫频式频谱仪的原理如图4所示。主要包括：射频输入衰减器、预选器、混频器、本振、中频滤波器、对数放大器、包络检波器、视频检波器、显示器等。将频谱仪设置为扫描状态时，本振在两个频率之间切换扫描，而这两个频率是由扫频宽度(SPAN)决定。

图4 频谱仪原理图

传统频谱仪可以采用类高斯滤波器模型来分析。在不考虑噪声基底的情况下，通常认为信号通过中频滤波器的响应时间dt1可用公式(1)表示：

(1)

式(1)中：dt1为信号通过频谱仪中频滤波器的响应时间；RBW为频谱仪中频滤波器的带宽；SPAN为频谱仪的扫描宽度；SWEEP为频谱仪的扫描时间。

在不考虑视频平滑的情况下(即视频带宽比分辨率带宽大)，频谱仪的扫描时间总是与分辨率相关。

另一方面，信号通过滤波器的上升时间又与其带宽反比，如果我们引入比例常数K，则有：

(2)

式(2)中：dt2为信号通过滤波器的上升时间；K为比例常数；假如令：dt1=dt2则：

(3)

式(3)的成立条件是：VBW≥RBW；

如果考虑视频滤波器的平滑作用，即:VBW≤RBW,扫描时间也会受视频滤波器的影响，视频滤波器通常为一个一阶低通滤波器，或一个简单的RC电路，因此扫描时间变为:

(4)

许多模拟式频谱仪中所采用同步调谐式准高斯滤波器，其K值大约2～3。

随着数字技术的高速发展，许多频谱分析仪采用了数字滤波器，如果采用数字高斯滤波器，那么需要修正比例因子来表示扫描速度，对于一些比较好的频谱仪，可将比例因子看做为1，速度是模拟滤波器的2～4倍。其扫描速度可用下式表示：

(5)

此外，频谱仪的扫描时间还受调谐速度、总线数据传输速度、显示速度等的影响，因此，以上公式仅能粗略估算频谱仪的扫描时间[6,7]。

3 侦察接收机的工作过程

软件无线电侦察接收机是电子侦察系统基本设备之一，主要由射频接收前端、ADC、FFT、数据处理等单元等组成。

本试验侦察接收机采用超外差体制，通过调谐一本振和二本振，可将宽带射频信号变换至固定中频，再对该模拟中频进行ADC、FFT，进行功率谱计算。

侦察接收机扫频的主要工作过程如下：

1) 上位机通过总线，下达扫描起始频率和终止频率。

2) 侦察接收机接收到扫描指令，调谐模块从原有频率f 0处启动开始换频。

3) 调谐模块的本振进入重新锁定过程，至f 1处重新锁定；换频时间用TLOCK表示，锁定时间长短取决于采用何种频率合成方式。

4) 处理模块进行等待，由于本振锁定的时间并不是固定的，会随着多种因素发生变化，因此需要设置延时等待时间TDELAY。

5) 确定接收机频率源重新锁定后，处理模块开始进行采样和FFT,处理完毕后送显示。

6) 进入下一个循环，从f 1扫描至f 2；直至终止频率fn。

假如接收机采用串行工作方式，单次扫描时间T可用下式表示：

T=TLOCK+TDELAY+TDIGITAL.

(6)

其中：TLOCK为接收机换频时间；TDELAY为接收机换频后，数字处理延迟的时间；TDIGITAL为接收机数字处理及显示时间；

为了简化分析，不妨认为：T≈1 ms。

假如采用流水并行作业方式，则扫描时间只与锁定时间、ADC时间、FFT时间的最大者和数据传输显示时间有关，则扫描时间T应小于1 ms。

4 抖动现象分析与探讨

频谱仪对侦察接收机的采样时机见图5。根据奈奎斯特采样定理，只有当采样频率大于信号最高频率的2倍时，采样之后的数字信号才能完整地保留原始信号中的信息，因此当使用频谱仪对侦察接收机进行测量和采样时，频谱仪并不能准确测量和描述侦察接收机的工作过程。

综合以上，该抖动现象可解释如下：

1) 侦察接收机的工作过程，包含频率锁定状态和失锁状态。

2) 对于每1个扫描频率点，假定接收机总扫描时间约1ms；频谱仪的扫描时间约为2.5ms，且每次扫描的时间也有一定的变化。

3) 由于频谱仪的扫描速度小于侦察接收机的扫描速度，根据奈奎斯特采样定量，频谱仪并不能准确监测侦察接收机的工作过程。

4)由于侦察接收机和频谱仪没有进行同步，因此频谱仪有可能在侦察接收机的失锁状态进行随机采样，那么频谱仪上就会显示失锁信号，在频域上观测，失锁的信号就是抖动的杂乱频谱。

5)从采样时机图可知，在侦察接收机的工作过程中，失锁状态只占少部分，因此频谱仪监测到抖动失锁信号只占小部分时间，这也与实际测量现象相符。

图5 频谱仪对扫描接收机的采样时机示意图

6) 对于侦察接收机自身而言，处理模块和接收机的调谐模块之间是有同步的，处理模块每次都在换频之后，延迟若干时间，再进行采样，而此时接收机的调谐模块已经确定锁定，因此侦察接收机的显示屏可以看到每次扫描都能得到正确的单音信号。

因此常用的频谱仪并不能准确监测侦察接收机的扫描过程，频谱仪监测到接收机有抖动信号是正常的现象，并不能据此判断侦察接收机有问题。

当需要监测侦察接收机的扫描过程时，我们建议采用调制域分析仪进行测量，测量原理图如下图6所示。

图6 调制域分析仪法原理图

具体测量过程如下：

1) 使用两台信号源，分别产生侦察接收机的最高工作fH-1 MHz和最低工作频率fL+1 MHz；两路信号源经过合路后，输入到侦察接收机。

2) 侦察接收机的中频IF接入调制域分析仪。

3) 设置侦察接收机在fH和fL之间不间断的扫描。

4) 观测调制域分析仪，可以观测到fIF2+1 MHz与fIF2-1 MHz不停切换的过程，则说明侦察接收机在fH和fL不停的扫描。并且两次切换时间间隔即为一次扫描时间。

5 总结

本文对频谱仪监测侦察接收机呈现抖动特性进行了介绍，并通过八通道侦察接收机进行了复现。对频谱仪和侦察接收机的工作原理进行了介绍，并对该抖动特性的机制进行了分析和讨论。侦察接收机工作时包括失锁状态和锁定状态，由于频谱仪与接收机没有进行同步，当频谱仪采样到接收机的失锁状态时，即可监测到抖动现象。由于频谱仪的扫描速度小于接收机的扫描速度，因此根据采样定理，频谱仪并不能准确监测侦察接收机的工作过程，本文最后给出了一种调制域分析仪测试法，可用于监测侦察接收机工作过程。总之，在电子对抗系统中，使用频谱仪监测侦察接收机时，呈现抖动特性是正常现象，该抖动特性为侦察接收机的固有特性，不能以此判断侦察接收机工作异常[8]。