P 波段宽带侦察接收机的设计胡晓文(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)摘要:P 波段信号广泛应用于遥测通信中,而P 波段充满了广播㊁通信和雷达信号㊂用于遥测侦察的宽带侦察接收机需要适应复杂的电磁环境㊂介绍了一种中心频率450MH z ㊁相对带宽110%的宽带侦察接收机,针对复杂电磁环境,提出了梳齿滤波的方案,兼顾成本和可靠性,一定程度上解决了宽带侦察接收机适应复杂电磁环境的问题㊂该宽带侦察接收机完成了指标测试及外场试验,工作性能良好㊂关键词:P 波段侦察接收机;复杂电磁环境;梳齿滤波中图分类号:T N 971 文献标识码:A 文章编号:C N 32-1413(2020)06-0010-05D O I :10.16426/j .c n k i .jc d z d k .2020.06.003D e s i gn o f P -b a n d W i d e B a n d R e c o n n a i s s a n c e R e c e i v e r HU X i a o -w e n(N o .38R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C E T C ,H e f e i 230088,C h i n a)A b s t r a c t :P -b a n d s i g n a l s a r e w i d e l y u s e d i n t e l e m e t r y co mm u n i c a t i o n .T h e r e a r e f u l l o f b r o a d c a s t s i g n a l s ,c o mm u n i c a t i o n s i g n a l s a n d r a d a r s i gn a l s i n P -b a n d .T h e w i d e b a n d r e c o n n a i s s a n c e r e c e i v e r f o r t e l e m e t r y a n d r e c o n n a i s s a n c e n e e d t o a d a p t t o t h e c o m p l i c a t e d e l e c t r o m a gn e t i c e n v i r o n m e n t .T h i s p a p e r i n t r o d u c e s a w i d e b a n d r e c o n n a i s s a n c e r e c e i v e r w i t h c e n t e r f r e q u e n c y 450MH z ,r e l a t i v e b a n d w i d t h u p t o 110%,a i m i n g a t t h e c o m p l i c a t e d e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t ,pr e s e n t s a c o m b f i l t e r i n g s c h e m e ,w h i c h g i v e c o n s i d e r a t i o n t o b o t h c o s t a n d r e l i a b i l i t y,t h e p r o b l e m o f w i d e b a n d r e -c o n n a i s s a n c e r e c e i v e r a d a p t i n g t o c o m p l e x e l e c t r o m a gn e t i c e n v i r o n m e n t i s s o l v e d t o s o m e e x t e n t .T h e w i d e b a n d r e c o n n a i s s a n c e r e c e i v e r h a s c o m p l e t e d t h e i n d e x t e s t a n d f i e l d e x p e r i m e n t ,a n d t h e w o r k i n g pe rf o r m a n c e i sg o o d .K e y wo r d s :P -b a n d r e c o n n a i s s a n c e r e c e i v e r ;c o m p l e x e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t ;c o m b f i l t e r i n g 收稿日期:202006040 引 言P 波段信号因具有超强的穿透性,被广泛应用于遥测通信中㊂该波段不属于国际标准频段,遥测信号的工作频率多变,且存在多目标的情况,为了获得较高的截获概率,要求侦察接收机在频域上宽开㊂P 波段充满着大量的电视广播信号㊁通信信号㊁雷达信号以及各种干扰信号,有效地抑制这些干扰,在复杂电磁环境下检测目标,成为宽带侦察接收机设计需要着重考虑的问题㊂对于复杂电磁环境,增强侦察接收机的适应能力,无非就是2种方法:一为空域抑制,二为频域抑制㊂空域抑制是利用干扰信号和侦收信号的波达角不同,基于波束形成算法来实现空域滤波;频域抑制利用干扰信号和侦收信号的频率不同,基于频域选择特性来抑制强干扰,宽带侦察接收机需要重点考虑频域抑制的问题,才能提高接收机在复杂电磁环境中的适应性,增强生命力㊂本文分析了复杂电磁环境的情况,基于频域抑制方式,提出了一种梳齿滤波的方案,提高了侦察接收机适应复杂电磁环境的能力㊂1 侦察接收机的结构选择接收机大致可分为超外差式接收机和直接数字2020年12月舰船电子对抗D e c .2020第43卷第6期S H I P B O A R D E L E C T R O N I C C O U N T E R M E A S U R EV o l .43N o .6式接收机两大类㊂超外差接收机通过一次或多次变频,将射频信号的频谱搬移到中频,中频频率较低,对模数转换器件要求低,便于信号数字化,且中频滤波器的选择性较好,易于工程实现,因此,超外差接收机成为传统经典的接收机模式㊂其缺点是混频环节易产生交调频率,成为虚假信号,污染信号频谱㊂对于超宽带接收机,选择合适的变频窗口变得十分困难,信号频谱质量的恶化程度更加严重,有时甚至无法正常工作㊂直接数字式接收机,信号经低噪声放大和滤波之后,直接进入模数转换,后续的处理都在数字域完成,避免了变频环节带来的各种干扰问题,并且架构简洁,体积和可靠性将大大提高,直接数字式接收机是未来接收机发展的方向㊂数字式接收机,对模数转换器(A D C )的采样率和位数要求较高,随着电子技术的飞速发展,高性能器件发展很快,采样时钟2G H z 左右的A D C 国产器件已经十分成熟,其性能和价格都已经适合批量工程应用㊂该侦察接收机工作在200~700MH z 范围,选用采样时钟2G H z 的A D C 器件,可以实现数字直采,所以P 波段宽带侦察接收机采用数字直接式结构㊂2 侦察接收机的方案选择侦察接收机的工作频率为200~700MH z,宽带侦收㊂数字直采原理上可以解决超宽带问题,避免超外差接收机的各种缺点㊂考虑到P 波段电磁环境的复杂性,数字式接收机设计需要重点考虑抗干扰问题,使接收机能够适应复杂电磁环境㊂P 波段空间电磁信号极其复杂,调频广播信号分布在70~110MH z 的米波波段,电视信号分布在45~450MH z 和470~960MH z 频段,我国现行的手机基站信号分布在870~890MH z ,其间还分布着大量的通信电台信号㊂即使广播信号和手机基站信号不在侦收频段内,但是离工作频率的上下频段较近,而系统是500MH z 的瞬时带宽,广播和手机基站站点分布较广,灵活机动,每个阵地的电磁环境各不相同,所以广播信号和手机基站信号的干扰也不可忽视㊂4种直接数字式接收机的方案如图1所示,下面分别说明4种方案的工作原理㊂图1 4种直接数字式接收机的方案示意图对于带外强干扰,传统的频域抑制方法使用预选滤波器抑制带外强干扰㊂方案1最为简洁,信号经过预选滤波器㊁低噪声放大后,进行模数转换㊂预选滤波器可以抑制远离侦收信号频带外的干扰,若通带内或离通带较近处有较强的信号,将影响接收机的正常工作㊂该方案截获带宽500MH z,方案简洁,设备量少,成本低;但适应复杂电磁环境的能力差,在P 波段的恶劣环境下,几乎不能正常工作㊂方案2同样用预选滤波器抑制带外的干扰信号,低噪声放大器之后,针对已知的㊁幅度超出接收机动态范围的干扰信号,设计凹口滤波器加以抑制㊂对于侦收带宽内大量的电视㊁通信信号,凹口滤波器11第6期胡晓文:P 波段宽带侦察接收机的设计数目少,频域抑制效果差;使用凹口滤波器多,除了体积成本急速上升外,还牺牲了大量的频率资源,工程价值将受很大影响㊂方案3在预选滤波㊁低噪声放大后,设计了窄带滤波器组,并行侦收处理,利用信道化窄带接收机,多通道拼接后,实现500MH z的截获带宽㊂可以根据具体电磁环境,关闭遇到干扰的信道,其它信道还可以正常侦收㊂该方案可以抑制强干扰信号,适应复杂电磁环境能力较强,但设备量和成本急剧增加㊂方案4针对频域宽开的接收机㊁复杂的电磁环境,兼顾成本和性能,提出梳齿滤波方法㊂接收信号按工作频率分为2组,2组信号并行侦收㊂每组截获不连续的250MH z的信号,2组在数字域拼接后,具有500MH z带宽的截获能力㊂梳齿滤波器实现多个凹口滤波器的功能,可有效抑制靠近侦收频段的干扰信号㊂遇到带内强信号堵塞通道时,可以灵活关闭某个信道,其余信道还可以正常侦收,增强接收机对于复杂电磁环境的适应能力,极大地提高了工作效率㊂该方案把信号分为2组,利用2个A D C 实现模数转换,在数字域进行拼接处理,较方案3,方案4可以大大降低成本,具有较高的可靠性㊂4种方案的优缺点如表1所示,综合考虑,宽带侦察接收机采用方案4,即梳齿滤波+直接数字模式,兼顾截获带宽㊁成本㊁体积等因素的基础上,在复杂电磁环境下具有较强的适应能力㊂表14种方案的优缺点截获带宽成本体积复杂环境适应能力方案1500MH z低小差方案2ɤ500MH z较低较小中方案3500MH z高大强方案4500MH z中中强3宽带侦察接收机设计宽带侦察接收机的原理如图2所示,接收机采用数字直采方式,全频段宽开接收处理㊂预选滤波器在众多频段中选取需要的频段,并尽可能地抑制无用信号㊂经限幅低噪声放大器㊁分配器后,把信号送入2组梳齿滤波器组中,梳齿滤波器组中有4个信道,每个信道带宽72MH z,梳齿滤波器A和B在频域上间隔错开1个信道,每个信道交叠10MH z,保持侦收信号的完整性㊂梳齿滤波器中,每个信道都设计了微波开关,遭遇强干扰时,可以独立关闭该信道,其它信道可以正常工作㊂图2宽带侦察接收机原理图A D主要完成射频信号数字化,输入信号200~ 700MH z,采样率1600MH z㊂其中,A D C芯片型号为A D9689B B P Z,16b i t,该模数转换器为双通道A D C,现场可编程门陈列(F P G A)完成中频数字信号的数字下变频(D D C)及分析处理功能㊂3.1噪声系数设计噪声系数是接收机的重要指标,表示接收机输出端的信噪比比输入端变坏的倍数㊂噪声系数定义为输入信噪比与输出信噪比的比值:F=(S N R)i(S N R)o=P i/N iP o/N o(1)噪声系数通常用分贝表示:F n(d B)=10l g F㊂如图3所示,对于级联系统,若每级的噪声系数为F n,增益为G n,则整个系统的噪声系数可表示为:F=F1+F2-1G1+F3-1G1G2+ +F n-1G1G2 G n(2)图3噪声系数级联框图由式(2)可以看出,级联系统的总噪声系数主要取决于第1级或前几级器件的噪声系数和增益,就是通常采用高增益低噪声放大器的原因,这点对于射频前端的选择具有重要的指导意义㊂侦察接收机的链路增益分配框图如图4所示㊂常温测试得到接收机的噪声系数为3.5d B㊂考虑到工程批量和宽温条件的影响,P波段噪声会恶化0.5d B,噪声系数优于4d B㊂3.2动态范围的设计接收机的线性动态范围是影响整个系统性能的一个重要因素㊂如果接收机是一个理想的线性系统,信号经过接收机的放大㊁变频㊁检波等变换,再经21舰船电子对抗第43卷图4 侦察接收机的链路增益分配框图过数字信号处理就能提取出无失真的原始信号;但是接收机总是存在某种程度的非线性,并且由于这种非线性作用会使得接收的信号频谱发生变化,产生谐波和互调失真等干扰㊂接收机的线性动态范围确定了接收机处理大信号的能力㊂接收机的线性动态范围可以表示为处理最大信号与最小信号的比值㊂接收机动态范围的下限:应以进入接收机输入端的最小信号电平为准加上可检测信噪比,这个下限即接收机输入端可检测信号电平是设计接收通道总增益和A D C 分辨位数的依据之一㊂接收机动态范围的上限有好几种表示方式,上限选取不同,相应出现了不同的动态范围的概念㊂选取1d B 增益压缩点为上限,其动态称之为1d B增益压缩点的动态范围,可表示为R D -1=P i -1P m i n i n,其中P i -1为增益压缩1d B 时接收机输入功率,P m i n i n为最小可检测信号的输入功率㊂1d B 增益压缩点动态范围方式,在比较干净的电磁环境内或窄带系统中较接近真实情况,比如雷达接收机等㊂对于宽带系统,尤其是宽带侦察接收机,多个大小不同的信号同时进入接收机成为不可避免的事实,互调信号的产生将严重影响接收机的正常接收和检测,这种情况下用无虚假动态范围或三阶截点值来表征接收机的线性特性比较合适[1]㊂下面来解释三阶截点㊂当2个或多个信号加到非线性器件时,就会产生互调干扰㊂2个信号A 1c o s ω1t 和A 2c o s ω2t 共同作用于非线性器件,其输出信号可表示为:K 1P i n +K 2P i n 2+K 3P i n 3+ +K n P i n n,其中有一阶分量K 1[A 1c o s ω1t +A 2c o s ω2t ],二阶分量0.5A 12K 2c o s 2ω1t +0.5A 22K 22c o s 2ω2t +A 1A 2K 2c o s (ω1t +ω2t )+A 1A 2K 2c o s (ω1t -ω2t ),三阶分量0.75K 3A 12A 2c o s (2ω1t ʃω2t )]+0.75K 3A 1A 22c o s (2ω2t ʃω1t )㊂由于这些值具有不同的斜率,所以对某一给定的输入值,它们将在某些值上相交,相对应的输入信号值就称之为该器件的输入截点㊂三阶截点作为衡量系统线性度的一个指标,它是一个假想的交点㊂只有在输入信号幅度很小且三阶互调(I M D )的输出与输入信号的功率满足3ʒ1的关系时,基波输出曲线与I M D 曲线延长线的交点对应的线性输入功率才是P I 3[2]㊂基本二阶㊁三阶失真交叉点示意图如图5所示㊂图5 基本二阶㊁三阶失真交叉点示意图如图6所示,对于级联系统,其三阶截点值可按下式计算[3]:1P I 3=1(P I 3)1+G 1(P I 3)2+ G 1G 2 G n -1(P I 3)n(3)图6 三阶截点级联系统框图从式(3)也可以看出,越靠近后级的截点对总截点影响越大㊂互调产物可能发生在接收机每一级,由于不受接收机滤波抑制,输入信号每经过一级有增益的电路,信号电平都会提高,互调产物电平也提高㊂因此,越是靠后的电路线性应该越好,其设计才是合理的㊂三阶截点和三阶互调分量及输入功率存在以下关系[4]:P 3=-2(P I 3+3P i n ,等幅双音互调失真可以由上式来估算㊂当2个双音信号不等幅时,可简单地从比较大者中减去它们差值的1/3㊂即P i n 可表示为2/3P i n 1+1/3P i n 2,则双音互调分量可简约表达为[4]:P 3=-2P I 3+2P i n 1+P i n 2 (P i n 1ȡP i n 2)三阶互调分量大于接收灵敏度(P m i n i n )时,接收机就会误报虚假信号,影响接收机的正常工作,只有等于或小于接收机灵敏度时,互调分量才可以忽略不计㊂这时的输入信号功率电平(P i n s )到接收机灵敏度(P m i n i n )的范围称为无虚假响应动态范围31第6期胡晓文:P 波段宽带侦察接收机的设计(S F D R ),则:P i n s =2P I 3+P m i n i n3(4)R S F D =P i n s -P m i n i n =2(P I 3-P m i n i n )3(5)式中:R S F D 为无虚假响应动态范围㊂ 无虚假响应动态与1d B 增益压缩点动态示意图如图7所示㊂在复杂电磁环境下,接收机的线性特性用无虚假响应动态范围来表示比较符合真实情况㊂对于灵敏度确定的接收机,三阶截点越高,其线性特性越好,无虚假响应动态范围就越大,处理信号的能力就越强㊂宽带接收机的各级增益及三阶截点的框图如图8所示,计算得系统的输入三阶截点为-26d B m ,信图7 无虚假响应动态与1d B 增益压缩点动态示意图号带宽为2MH z ,噪声系数按4d B 计算,P i n ,m i n ʈ-114+F n +10l gB ʈ-106d B m ,无虚假动态约为53d B ㊂图8 宽带接收机的各级增益及三阶截点框图4 完成实验情况该接收机进行了外场试验,与采用波段滤波器的传统接收机做了比较,模拟接收机的输出信号如图9所示㊂从图9可以看出,空间存在173MH z ㊁510MH z 和870MH z 的信号,其中172MH z 的信号较强,且离工作频率较近,只设计了波段滤波器的接收机,这个信号超过了接收机动态范围㊂从图9(a )可以看出,接收机处于饱和状态,510MH z 的信号无法正常侦收㊂设计了梳齿滤波器组的接收机,对173MH z 的信号有一定程度的抑制,870MH z的信号没有进入接收通道,接收机工作在线性区,510MH z 的信号可以正常侦收,如图9(b)所示㊂当173MH z 的信号强度较大,引起接收机饱和时,关闭200~272MH z 信道,其它信道可以正常工作,如图9(c)所示㊂图9 模拟接收机的输出信号5 结束语针对极其复杂的电磁环境,分析了多种数字直接式接收机的特点,兼顾成本㊁体积及可靠性等因素,提出了梳齿滤波的方案,在一定程度上解决了P 波段宽带接收机适应复杂电磁环境的问题,使接收机既具有较高的截获概率,又能够适应复杂电磁环境,大大增强了接收机的生命力㊂该接收机完成了外场试验,效果良好㊂参考文献[1] 朱庆后.接收机无互调和无虚假响应动态范围[J ].中国无线电,2008(11):4951.(下转第52页)雷达V G A视频记录仪和信息解码控制中心,视频监控信息编码传输设备㊁A D S-B信息编码传输设备㊁光电信息编码传输设备以及信息管理中心等㊂目标是实现模拟训练系统与雷达实装基于公共信息总线的数据交互,实现异构系统间数据融合对接和接口协议转换,将实装作战训练数据转换㊁注入模拟训练系统,实现典型战术战法㊁装备作战运用等特定训练过程在模拟器(系统)上的再现与训练㊂通过雷达实装和模拟器桥接模块,可以将实装雷达的原始视频型号㊁空情数据接入其雷达模拟分系统,将雷达站情报组网系统的实装情报接入其指挥模拟训练分系统,从而实现战训同步,其中实装战斗人员的空情数据还可以用于训练人员的训练成绩分析比对㊂5结束语针对当前雷达兵部队缺乏整体训练平台的问题,通过分析整体训练的特点及定位,按照军事训练大纲和实战化军事训练的要求,提出研发一套集导调控制㊁环境仿真㊁旅级指挥㊁站级指挥㊁雷达模拟器于一体的整体训练系统㊂运用基于多视图的需求分析方法对系统的军事需求㊁系统功能需求㊁技术需求进行了分析,为军事人员与系统开发人员㊁技术人员提供了沟通的桥梁,对雷达兵某型整体训练系统建设具有重要的应用价值,同时对其他军兵种模拟训练系统的建设也有一定的参考价值㊂参考文献[1]王洪军,郑世民,张永亮.陆军指挥训练信息系统需求分析[J].指挥控制与仿真,2016,38(4):2223. 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