中国电子科技集团公司第三十六研究所 陈笑飞 邵东晖 浙江嘉兴 314033
摘要：超短波频段的无线通信信号普遍存在短时突发的特点，传统信号处理平台因技术体制限制存在通道资源不足、信号发现难、接收内容不完整等问题。本文设计实现了一种基于软件无线电射频直采的信号处理平台，可具备瞬时全频段信号接收处理能力，信号截获效率高且完整性好，与传统方式比较有明显能力优势。
关键词：软件无线电，射频直采，超短波、突发信号
超短波通信[1]通常指30~300MHz频段，属于视距通信手段，具有一定的绕射能力，设备架设使用简单，能够提供中低速数传功能和话音通信功能，适用范围广，能够满足多种情况下的通信任务需求，被广泛应用于电视、调频广播、雷达探测、医疗、移动通信、军事通信[2-3]等多个领域。超短波频段电磁环境复杂，频率范围宽、信号数量多、包含全域各种军、民、敌、我的电磁信号，信号类型主要包括常规AM/FM、复合二次调制，跳频等多种样式，且普遍存在盲突发特性，要想及时高效地从电磁背景中搜索截获完整的有用信号存在很大困难。
1.信号接收处理体制选择
目前传统的数字信号处理平台在使用中主要依靠操作员人工完成信号的发现、识别、分析、数据采集和监听等任务，常用的信号接收处理平台主要有以下几种。
a)传统方式一：频率扫描截获模式
频率扫描截获模式的典型代表是业内常用的I8500接收机，单通道，具备信道扫描、频段扫描、程序扫描多种方式。可根据设定的频段、步进及解调样式等参数扫描发现关注的信号。这种模式的主要问题是截获效率低，漏检概率高，截获信号内容丢头现象普遍，虽然设备价格不贵，但一台接收机实时只能监控一个目标，实际应用中所需设备数量随控守信号数量正比例提升，硬件规模庞大，使用维护极不便利。
b)传统方式二：多通道窄带控守模式
多通道窄带控守模式的典型代表是八通道窄带接收机，通道控守数量和能力比I8500有明显提升，可通过20MHz宽带引导多路窄带信道控守。这种方式同样需要提前设置扫描参数、预置控守频率表等，受到通道路数限制，对宽频段突发信号仍存在很多漏检或数据不完整的情况，无法满足现实需求，并且针对多目标控守时依然需要大量的资源堆叠，效费比差。
c)本方案：全频段信号瞬时侦控模式
本文采用了一种基于软件无线电射频直采的全频段信号瞬时侦控模式，实时对超短波全频段射频输入进行数字化，通过DDR缓存，搭配信号自动检测技术，实现宽带自动截获引导窄带控守的多目标实时侦控，一台设备可实现64路甚至256路以上控守通道，可有效应对宽频段多频点未知突发信号的宽带搜索截获需求，且信号完整性好，侦收效率高。
2.技术原理
a)软件无线电射频直接带通采样[5]
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b)数字下变频（DDC）[5]
数字下变频（DDC）主要用于解决数字处理器件与ADC采样速率不匹配的问题，如果ADC的采样率过高很难进行后续的实时信号处理。数字下变频技术采用数值混频的方式，一般利用正交双通道结构，输出信号是DDC输出信号下变频到基带的正交分量和同向分量，数字下变频的流程如下图所示。
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图1 数字下变频结构
数字下变频主要完成了变频、滤波、多速率处理的功能，产生I/Q两路输出信号，通过数字滤波滤除带外境频信号以及干扰信号，得到带内有用信号。多速率处理指通过抽取降低数字信号的采用率，以满足实时信号处理的要求。
c)信号处理架构
外界信号经AD实现全频段射频直采，通过DDR缓存，在FPGA内进行信号预处理，完成数字信道化、信号检测、滤波，输出多路控守信号的IQ数据，因DDR缓存的存在具备信号数据追溯能力，可以保证信号侦控数据的完整性。多路IQ数据经ARM过滤后，信号识别、解调、监听等处理在显控终端实现。这种输出IQ的侦控模式与传统直接输出音频的模式相比较，保留了原始数据，便于后续的离线分析或查验工作，并且基于PC端的信号分析软件比嵌入式软件开发和移植能力更强，便于后期的能力升级或扩展。另外，为了进一步提供侦控效率，还需要通过黑白名单的方式在信号预处理过程实现信号的初级过滤，提高重点信号的截获概率，降低无用信号对硬件资源的浪费，信号侦控处理架构如下图所示。
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图2 信号处理架构
3.设计实现
(一)硬件平台设计
本平台硬件主要由信号处理板和AD射频子卡两部分组成。
a)信号处理板
信号处理板采用Xilinx公司最新16nm工艺的ZynqUltraScale+MPSoC XCZU15EG-2FFVB1156I芯片，包括746550个逻辑单元，3528个DSP Slices，69Mb内部RAM，24个GTH（最高速率16.3Gb/s），该芯片不仅包含功能强劲的PL（逻辑单元），还包括高达1500MHz主频4核Cortex-A53处理器内核，运行嵌入式实时Linux操作系统，具有强大的数据运算和处理能力，处理板示意图如下图所示。
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图3 信号处理板PCB设计图和实物图
b)AD射频子卡
ADC芯片采用AD公司的AD9680，具备2路1228.8MSPS的ADC采集能力，具备JESD204b高速串行数据传输接口，可满足超短波信号全频段射频数字化要求，
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图4 AD射频子卡PCB设计图和实物图
(二)信号接收处理流程设计
外部的射频信号送到射频子卡直接馈入ADC进行模/数转换，2路AD通道可分段工作，转换完的数据通过高速数据通道送给信号处理板进行数据处理，通过策略调度模块可对数据进行过滤筛选，最终形成信号检测列表和对应的IQ数据，通过千兆以太网接口传输到计算机进行再处理或者落盘储存，信号处理流程如下图所示。
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图5 信号接收处理流程
(三)瞬时动态范围指标分析
因超短波频段电磁环境复杂，存在大量的大功率干扰信号，如调频广播台、数字电视、集群通信等，全频段射频数字化情况下为保证对低信噪比信号的正常接收，对平台瞬时动态范围的要求很高。本平台的瞬时动态范围取决于ADC的动态范围，由ADC器件的转换位数限制，射频子卡中采用AD9680转换位数14位，官方手册瞬时动态范围不低于77dB，经过实测的数据不低于75dB，可满足绝大多数场合的基本使用要求。
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图6 瞬时动态范围指标测试结果
(四)与传统平台的能力对比
本平台与传统平台比较具有明显的技术能力优势，主要能力对比情况如下表所示。
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4.结束语
超短波频段电磁环境复杂，频段宽，信号多，信号处理平台的瞬时处理带宽和可控守路数成为了最突出的能力需求，传统平台虽然可以通过资源堆叠解决部分问题，但效费比很差，而且会给使用维护带来许多不便利。另外，超短波信号普遍存在盲突发特性，处理平台必须支持特定信号自动截获能力的二次开发才能满足日益增长的任务需求。本方案已在实际项目中进行应用，效果良好。
参考文献
[1]电子战技术与应用——通信对抗篇[M].北京:电子工业出版社,2005.12
[2]侯印鸣,综合电子战.国防工业出版社[M],2000
[3]张辉,曹丽娜,现代通信原理与技术[M].第二版.西安:西安电子科技大学出版社,2009
[4]楼才义等译,（美）Poisel,R.A.著.电子战接收机与接收系统[M].北京:电子工业出版社,2016.1
[5]楼才义,徐建良,杨小牛.软件无线电原理与应用（第2版）[M].北京:电子工业出版社,2014.8
作者简介：
陈笑飞（1988-），男，工程师，主要从事通信对抗领域系统总体设计；
邵东晖（1985-），男，高级工程师，主要从事通信对抗领域FPGA设计开发；