如何轻松实现复杂电磁环境的模块化构设和感知？

“制电磁权” —未来战争的入场券

从1991年海湾战争、1999年科沃索战争、2003年伊拉克战争以及近期现代战争看，“制电磁权”在战争中的位置逐渐从作战支援手段变成了战场上的制高点，没有制电磁权将失去现代战争的参战“资格”，更遑论取胜。电磁频谱战逐渐成为继陆、海、空、天、赛博空间之后的“第六作战域”，是在电磁空间进行的攻防博弈，其实质是制电磁权归属的争夺。换言之，电子对抗作为电磁空间斗争以及夺取制电磁权的核心力量，正由初期的支援、保障行动上升为重要作战行动乃至联合作战的主要作战样式之一。 

对电子战系统的终极测试是它与强大的对手（如有源电扫相控阵雷达）在复杂电磁环境中交战时的实际表现。为了确保能够应对这些威胁，必须在电子战系统的不同研发阶段对其进行全方位的测试、验证。未来战场上的电磁信息越来越密集，太空中有侦察卫星在遥感探测，空中有电子战飞机对目标侦察和干扰，海面有舰船为武器进行引导控制，陆地上布满了各种电子攻击、支援和防护装备，导致测试环境的构建也变得越来越困难。 

诺斯罗普·格鲁曼公司的电磁环境作战模拟器（CEESIM）就是服务这个目标的典型系统。CEESIM是最早出现的且使用最广泛的复杂电磁环境模拟器，提供模拟射频多个同时发射信号的静态/动态属性，逼真地模拟真实战场电磁状态。下图为交付给美国海军的F-35战斗机研制了先进的测试环境。

图1 F-35战斗机测试环境

CEESIM可产生多达128种信号，最高支持8192个瞬时发射器和平台，具备无与伦比的信号保真度及完全动态的虚拟试验场景模拟能力。其VPX架构、先进脉冲发生（APG）器、高速直接数字合成器（DDS）的使用，带来业内领先性能的同时也给系统的构建带来了极高的复杂度。

图2 CEESIM系统组成架构

复杂电磁环境构建因其复杂度和定制化需求，进入门槛极高，需要付出大量的资金与时间，这也注定了成品系统成本高昂。另一方面，随着“制电磁权”受到越来越多的重视，电子战设备的需求日益增长，复杂电磁环境的构建与感知的需求也日益增长。这就提出了一个问题，是否可以以更低成本的方式来模块化地构设复杂电磁环境？

复杂电磁环境的模块化构设

现代战场环境包含各种敌方、友方和己方辐射源信号，也包含各种民用信号，其中最主要、最复杂的威胁信号来自雷达辐射源——各类雷达辐射源产生的雷达脉冲数高达每秒数百万甚至上千万个。因此，构建复杂电磁环境的首要任务是仿真其中的各类雷达辐射源，除了需要仿真所有辐射源在战场上不断变化的位置、速度、工作模式，还需要满足：

• 硬件I/O支持：雷达信号频率范围通常从300MHz到40GHz，并具有频率捷变的特性，瞬时带宽通常达到数百MHz或更高。因此，硬件平台的通道需要覆盖雷达常见工作频段，瞬时带宽通常要求达到1GHz甚至更高，通道间也需要做到相参和同步。

• 雷达信号生成：雷达辐射源系统需要支持生成常见雷达发射信号，从简单的脉冲到复杂的脉冲序列，包括：调频连续波信号、调频脉冲信号、调相信号以及多种模式的脉宽/重频信号等；同时，雷达辐射源系统也需要能够支持自定义的波形样式或实际场景中录制的波形样式。

• 辐射源场景模型：雷达辐射源模型应该包括天线方向图、天线扫描模式、雷达工作模式、信号序列、多发射机模型等；也需要具有场景生成的功能，以便模拟不同战情下的不同场景。

像CEESIM这样的系统复杂而且昂贵，中小规模研发团队难以自行建设，但其研究工作仍需要类似环境构建设备。如果能够利用现有的商用软件无线电平台模块化构设复杂电磁环境，无疑对系统的构建速度、成本、维护、升级都具有极大的帮助。一些国内企业已经在此领域进行开拓，比如成都立思方的雷达辐射源模块化构设平台就是其中之一。

商用软件无线电平台也有多种架构，用户需要根据实际的应用需求灵活地选择不同的硬件平台。

如果以灵巧便携和成本优化为主要目标。在这种情况下，高度集成化的通用软件无线电外设（USRP：Universal Software Radio Peripheral）是极佳选择。单台USRP设备提供独立控制的多个信号发射和接收通道，覆盖1MHz~7.2GHz频率范围，且具有最高达400MHz的单通道瞬时带宽，并可轻易扩展至上百通道。同时，利用模块化的前端频率扩展设备，即可以轻松实现8~12GHz的X波段，甚至高至40GHz的Ka波段频率覆盖。如下图的基于USRP的8通道雷达辐射源，即使包括仿真软件的成本，其单通道构建成本也可以控制在传统仪器几分之一的水平。不过，低成本也会带来一些应用上的限制，比如USRP的各项射频性能指标都无法和传统仪器相提并论。 

图3 8通道雷达辐射源

如果以系统性能为主要目标，则另一种选择是采用商用的PXI平台。基于PXI总线的模块化仪器具有不同性能、精度的成熟货架产品。以市场上常见的PXIe矢量信号收发仪为例，具有9kHz~6.5GHz（也可进一步通过射频前端扩展至40GHz）频率范围和1GHz瞬时带宽，同时提供仪器级精度。此外，利用PXIe中频数字收发仪配合模块化的射频前端设备，更可获得1GHz至1.4GHz的超宽瞬时带宽。

图4 PXI架构辐射源

以这两种方式构建的辐射源信号产生系统，都可以由板载FPGA动态生成如下的常见雷达信号： 

• 常规波形：常规连续波、脉冲连续波；

• 频率调制：线性调频连续波、非线性调频连续波、步进频连续波、频移键控连续波、线性调频脉冲、非线性调频脉冲、步进频脉冲、频移键控脉冲等；

• 相位调制：相位码、巴克码、弗兰克多相码；脉宽和重频模式：突发、滑变、步进、参差。

基于软件无线电平台的复杂电磁环境构建，其核心在于软件。这种应用软件的专业度和系统复杂度都很高，用户的需求复杂多变，进口的产品管控严格，而国产定制的软件和硬件系统，成本居高不下。这样的基于标准化硬件平台的系统实现，为中小研发团队带来了新的选择。 

采用商用货架的软件无线电平台还有另一项益处：这些产品普遍具有收发双向通道，也可以利用接收通道来实现对于复杂电磁环境的感知和分析，使得系统硬件平台得以复用且功能多样性，进一步降低实验设备的构建成本。

复杂电磁环境的超宽带感知

所谓的复杂电磁环境是指伴随着各类新体制辐射源数量不断增加，体制越来越多样，信号样式越来越繁杂的电磁信号，主要体现为： 

• 信号密度不断增加，交织混叠现象严重；

• 信号突发性不断增加，瞬态信号无处不在；

• 信号所处频段不断扩展，信号呈现大带宽、大动态趋势。

面临如此复杂多变的电磁环境，其感知和分析系统需要采用超宽带数字接收机，一方面要在信号捕获、实时分析以及信号特征等方面采取有效的手段，以便尽可能不漏掉感兴趣的信号，特别是瞬态信号、弱信号和包含混叠信号；另一方面，需要探索适应复杂信号环境的信号分析技术，以便有效分选、测量和分析。

3.1宽带实时频谱分析技术

立思方的宽带实时频谱分析技术（RTSA）充分利用了商用无线电平台的接收通道，数字化接收机方式和实时处理技术对信号进行捕获和分析，通过重叠FFT等数字信号处理手段实现信号的实时触发和捕获，并进行信号的多域分析。实现实时频谱分析的关键技术包括：频率模板触发（FMT）和密度频谱分析（密度余晖图）。

频率模板触发通过预先设定“频率模板”，与实际采集信号的频谱进行对比，能够可靠地检测复杂频谱特征的瞬态信号，对检测捷变信号、突发信号等至关重要。密度频谱分析可以动态的显示在不同时间内处于同一频段上的信号特征信息，为复杂电磁环境感知和分析提供了直观的判断依据。

 频率模板触发和密度频谱分析都需要进行大量的数据计算。在常见的商用台式仪器中，此类计算大都在定制计算机板上的FPGA中完成。立思方的RTSA技术则是基于通用图形加速处理器（GPGPU），利用商用的PXIe GPU协处理器就完成了专用设备才能实现的功能。如果用户具有合适的PXI硬件模块或USRP外设，还可以获得立思方提供的RTSA功能免费升级服务。

另一方面，复杂电磁环境感知与分析也需要具备探索适应复杂信号环境的信号分析技术，需要高精度的参数测量能力、实时信号分选和处理能力，以便对辐射源信号特征参数的精确提取和识别。实时信号分选通过对侦收到复杂电磁信号进行特征参数测量，并通过这些特征参数来完成辐射源信号的分选与识别。同时，实时信号分选也具备较强的信号脉内调制分析能力，以便更精确的判别辐射源特征，提高对敌干扰的效果。

3.2构建超宽带的频谱感知能力

现代雷达系统的频率捷变范围已经越来越大，信号调制方式也在不停改进。为了分析这些新出现的频率捷变信号，前沿科技研究者们需要构建超宽带频谱感知系统，以便捕捉在数百MHz甚至数GHz频率范围内捷变的脉冲，同时还需要精细化分辨其脉内和脉间特征。超宽带的频谱感知系统也能够有效捕获、分析超短脉冲或者宽带脉内调制信号。

超宽带频谱感知与分析系统需要采用超宽带的数字接收机，采用数字信号处理的方法实现信号的高速采集、高精度测量、并行处理多线程数据等高效的处理方式，并且能够尽可能保留信号的全部信息。 

不过，超宽带数字接收机都具有超高成本，市场上也甚少选择。所以，用户常采用多个接收机同时采集和分析信号，但因为数据分析通路仍是独立的，信号频谱的不连续造成了很多分析技术无法采用。对此挑战，立思方也提出基于GPU计算的频谱拼接技术来低成本的实现超宽带信号频谱分析。比如，采用多个160MHz带宽的低成本数字接收机，通过“频谱拼接”技术实现超过500MHz的高带宽，或是以2个1GHz带宽的宽带数字接收机拼接实现近2GHz的超高带宽接收机，从而实现复杂电磁环境下的超宽带射频信号的实时监测与分选，并满足不断的技术发展需求。

结 语

通过对复杂电磁环境的发展变化进行分析，应用软件无线电架构来构建复杂电磁环境和超宽带感知系统。构建的复杂电磁环境不仅可以仿真外场的复杂场景，模拟真实的电磁环境，同时也兼顾了构建系统的成本需求。与此同时，超宽带感知系统能够以快速、无缝的捕获空间电磁环境的所有感兴趣信号，并进行实时分选，判别辐射源信息。这种系统架构非常适合干扰和抗干扰评估、复杂电磁环境效应研究、复杂电磁信号分析等应用领域。

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