通信搜索接收机性能分析与仿真
时间：2022-07-26 12:16:20
摘 要：截获概率、搜索速度、测频灵敏度以及对捷变信号的截获能力是通信测频搜索设备的重要技术指标。首先对通信搜索接收机的几个重要技术指标进行分析，然后在仿真研究的基础上按实际系统构造通信搜索接收机模型，并对模型进行仿真实验。结果表明，本仿真系统可以对搜索接收机设计方案进行定量分析、比较，高效简便地进行接收验证和性能评估。
关键词：截获概率；搜索速度；测频灵敏度；性能评估
中图分类号：TN911.25文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2008)07-099-04オ
Analysis and Emulation on Communication Scanning Receiver
CAIXiaoxia,CHENHong,XUYun
(Hefei Electronic Engineering Institute,Hefei,230037,China)
オ
Abstract：Probability of interception of a radio transmission,scanning speed,sensitivity of measuring frequency and interceptive ability for radio signal that varies swiftly are techno-qualities of reconnaissance equipment.Based on emulate studying,the paper builds a emulate model of communicate scanning receiver and makes emulate experiment.The results indicate that the emulate system can analyse and compare the design project quantificationally,can conveniently validate receiving signaland evaluate capability of scanning receiver.
Keywords：probability of interception;scanning speed;sensitivity of measuring frequency;evaluating capability
在对通信信号出现时间、工作频率、来波方向没有任何先验知识的情况下，借助于通信对抗搜索测频设备，在工作频率范围内，对无线电通信信道进行不间断的频率扫描搜索。如果某个时刻，通信电台在某工作频率上的信号幅度超过接收机的灵敏度，接收机判断该工作频率上存在信号，测定该工作频率值，认为该信号被截获，所以，截获概率、搜索速度、测频灵敏度以及对捷变信号的截获能力是搜索测频设备的重要技术指标。本文在仿真研究的基础上，对通信搜索接收机的几个重要技术指标进行了分析。
1 通信搜索接收机工作原理
在通信搜索接收机的工作频率范围内，同时存在M个信号，频率分别为fs1,fs2,…,fsM(假设fs1＜fs2＜,…,＜fsM)：
И
us(t)=∑Mm=1Usm(t)cos［2π•fsmt+φsm(t)］
(1)
И
假设接收机射频采用宽开滤波器，信号us(t)Ы入接收机。接收机本振信号：
И
uL(t)=UL•cos2πfLmint+12μt2+φL
(2)
И
us(t)与uL(t)混频，混频器的非线性使得输出不仅有直通输出量，还有平方项、立方项、乘积项等，利用滤波器选择信号与本振乘积项uL(t)•us(t)е械牟钇凳涑觯得到中频信号：
И
ui(t)=［Ui1(t)Ui2(t)…UiM(t)］ •cos2πfLmint+12μt2－fs1t+φi1(t)cos2πfLmint+12μt2－fs2t+φi2(t)う螵cos2πfLmint+12μt2－fsMt+φiM(t)=∑Mm=1Uim(t)cos2πfLmint+12μt2－fsmt+φim(t)
(3)
И
M个信号在中频的频率为：fLmin+μ•t－fsm(m=1,2,…,M)，可见，相对于原接收信号载波频率fs1,fs2,…,fsM，中频信号频率均为线性变化，保持中频滤波器频率fi及带宽Bi不变，对于M个信号中的第m个信号Usm(t)cos［2πfsmt+φsm(t)］Ф言，只有：
И
fi－Bi/2≤fLmin+μ•t－fsm≤fi+Bi/2
(4)
И
信号cos2πfLmint+12μt2－fsmt+φim(t) 才能通过中频滤波器(如图1所示)，经过对数放大、包络检波后被提取并显示出来。对公式(4)进行变换，则第m个信号在接收机中的输出时间段为t1m～t2m，其中：
И
t1m=fsm+fi－Bi/2－fLminμ
t2m=fsm+fi+Bi/2－fLminμ
(5)
И
图1 多个信号同时混频后的时-频特性
2 搜索接收机相关技术参数
截获概率和测频误差是搜索接收机主要技术参数，与截获概率相关的技术因素主要有：信号的强度、信噪比、搜索速度、频率分辨率等；与测频误差相关的技术因素主要有：输出脉冲宽度与波形峰时间。考虑到这些因素的相关性，这里仅对几个主要技术参数进行分析。
2.1 输出脉冲位置与射频频率
在搜索接收机的工作频率范围fLmax－fi～fLmax+fi内，共有N个信道，通信搜索接收机事先无法确定信道上的信号数目、频率，搜索接收机在T周期内将所有信道搜索一遍，存在信号的信道将有信号输出，射频上不同频率的信号，经混频器后进入接收机中频滤波器的时间不同，输出的时域脉冲位置不同，时域波形出现的时间顺序，对应信号上出现信号频率。И
通信搜索接收机根据输出信号时间Tout，得到信号进入中频滤波器的时间Tout－τ(τ为中频滤波器、对数放大、包络检波、数据提取并显示造成的时延)，根据中频滤波器频率fi、带宽Bi、本振起始频率fLmin、该扫频周期的起始时间换算t0Ш蜕ㄆ邓俾师蹋进而估算出信号频率：
И
fLmin+μ•(Tout-τ-t0)－Bi/2－fi≤fsmfsm≤fLmin+μ•(Tout-τ-t0)+Bi/2－fi
(6)
И
2.2 接收机搜索速度、信号带宽与输出脉冲宽度
对于通信信道上频率为fs的信号，在经过变频，成为频率fLmin+μ•t－fs线性变化的扫频信号，由于中频滤波器频率fi及带宽BiР槐洌只有：
И
fi－Bi/2≤fLmin+μ•t－fs≤fi+Bi/2
(7)
И
接收机中频有输出。可以算出，在接收机中频带宽内有输出的时间Еt=Bi/μ，也就是说，频率为fs的通信信号，在接收机中频输出宽度为Δt=Bi/μУ穆龀(如图2所示)。
图2 中频输出时-频特性及波形图
事实上，对于通信信道上频率为fs的信号都有一定的频谱宽度Bs(如图3)，当这个信号进入接收机中频时，如果：
И
fi－Bi/2=fLmin+μ•t1－(fs－Bs/2)
И
则：
И
t1=(fi－Bi/2)+(fs－Bs/2)－fLminμ
(8)
И
如果：
И
fLmin+μ•t2－(fs+Bs/2)s=fi+Bi/2
И
则：
И
t2=(fi+Bi/2)+(fs+Bs/2)－fLminμ
(9)
И
图3 中频输出信号时-频特性
所以，输出脉冲的宽度会增加：
И
Δt=t2－t1=(fi+Bi/2)+(fs+Bs/2)－fLminμ-
(fi－Bi/2)+(fs－Bs/2)－fLminμ
=Bi+Bsμ
(10)
И
可见，一个信号对应输出脉冲宽度与信号带宽、接收机中频带宽及搜索速度有关，搜索速度μ越大，脉冲越窄。
2.3 输出脉冲宽度与频率测量误差
对于载波为fs的通信信号，时域波形有一定的持续时间段Δt(如图2)，一般以时域波形峰出现时t0+ΔTЪ扑阈藕牌德剩不考虑中频滤波器带宽，此时：
И
fsm=fLmin+μ•(Tout-τ-t0)－fi=fLmin－fi+μ•(Tout-τ-t0)
(11)
И
假设某信号在中频滤波器出现波形峰的时间为Tout-τ=t0+ΔT，则该信号在扫频周期内的相对频率ΔFв肷ㄆ捣段А⑸ㄆ抵芷诘幕凰愎叵滴：
И
fLmax－fLminT=ΔFΔT
(12)
И
该信号在扫频周期内的相对频率ΔF为：
И
ΔF=fLmax－fLminT•ΔT
(13)
И
该信号的工作频率fs为：
И
fs=fLmin－fi+ΔF
=fLmin－fi+fLmax－fLminT•ΔT
=fLmin－fi+μ•ΔT
(14)
И
可见射频脉冲形状关系到信号波形峰位置t0+ΔTУ谋浠，脉冲的宽度越大，脉冲输出时间的判定误差越大，可能带来信号频率的测量误差越大。
2.4 搜索速度与频率分辨率
搜索接收机以输出脉冲的有无代表信号的有无，以输出脉冲的高低代表信号的相对大小，以输出脉冲的时间代表信号的频率。对于两个频率相邻的信号，接收机输出窄脉冲必然相邻，假如两个信号的频率相邻很近，两个输出窄脉冲的双峰可能会有重合甚至难以区分，使截获概率明显下降。为了提高接收设备的频率分辨力，希望时域窄脉冲宽度Еt=Bi/μг秸越好。
假设搜索接收机的工作频率范围fLmax－fi～fLmax+fi内，共有N个信道，考虑到搜索接收机在每个信道上的建立时间为Ti1/Bi，当搜索速度μ≤Bi/Ti= B2i时，将N个信道搜索一遍的周期T≥N•1/Bi，时域窄脉冲宽度：
И
Δt=Bi/μ≥Bi/B2i=1/Bi
И
当搜索速度Е獭Bi/Ti=B2i时，Ы邮栈的频率响应特性将发生变化，时域窄脉冲将变宽，接收分辨率与测频误差都将增大。
2.5 本振扫频范围与接收机工作频率范围
以线性扫频信号作为本振，本振变化范围fLmin～fLmax，其中fLmax=fLmin+μ•T，本振扫频范围μ•T决定了接收机的工作频率范围大小，根据本振频率、中频频率与射频频率的换算关系：fs=fL－fi，Ы邮栈自动进行频率搜索的工作频率范围：
И
fLmin－fi～fLmax－fifLmax=fLmin+μ•T
И
3 搜索接收机仿真系统
搜索接收机仿真系统主要由信号环境模块、信道模块和搜索接收模块组成。
信号环境模块参数主要包括：信号的数量、工作频率范围、信号密度分布、调制样式、强度、带宽、码元速率等，信号环境模块采用的信号模型主要从设定的通信信号电磁环境中加入，也可以根据需要在仿真框图中直接补充，在仿真时根据参数产生相应的信号流作为输入信号。
信道模块参数主要包括：信道类型、特性、衰落强度、频率范围等。信道模块采用的信号模型可以从设定的信道数据库中加入，也可以根据需要实际环境条件在仿真框图中直接补充，在仿真时根据参数产生相应的噪声或干扰源信号作为信道影响。
搜索接收模块是本仿真系统的核心，主要包括本振信号产生器、混频器、滤波器、检波、放大等部分。在仿真时通过设置本仿真系统不同部分的参数，实现对不同频段通信信号的搜索截获并进行信号接收与频率分析测量。
4 仿真结果
根据模型对超外差式搜索接收机进行仿真接收，根据仿真系统输入信号，测量其输出信号，可以得到搜索接收系统的传输函数，研究其性能指标。在仿真中假设采用本振搜索速度为20 MHz/s，等效中频带宽选择为400 kHz。
图4是四个信号同时进入接收机后，中频输出波形与频谱(三个扫频周期，下同)。
图4 四个信号进入接收机后的输出
图5是在其他条件不变的情况下，提高接收机本振搜索速度，得到的中频输出信号。与图4相比可见：频域带宽明显增加。
图6是在其他条件不变的情况下，提高输入信号的带宽得到的中频输出信号。与图4相比可以看出：输出信号的脉冲宽度明显增加，通信信号的带宽直接影响接收机的测频精度和分辨率。
图7是在其他条件不变的情况下，改变输入信号的强度和在信道上的频率间隔，得到的中频和检波输出信号。与图4相比可以看出：在信号强度相差很大，而频率很接近的情况下，大信号很容易将小信号淹没，造成搜索的漏警。
图5 搜索速度提高，中频输出频谱
图6 搜索速度提高，中频输出脉冲变宽
5 结 语
根据对通信搜索接收机的仿真研究，笔者认为：通过计算机仿真，按实际系统构造模型，对模型进行仿真试验，
可以根据系统设计的目标及边界条件进行模型实验，对各种方案进行定量比较，发现不同方案的优缺点，高效简便地对搜索接收机进行性能验证和评估，有效降低设备研制、试验、定型的时间和经费。
图7 信号强度差大，频率很接近的情况下，接收机输出
参 考 文 献
［1］William H Tranter，Sam Shanmugan K,Theodore S Rappaport，et al.通信系统仿真原理与无线电应用[M].肖明波,杨光松,许芳,等译.北京:机械工业出版社,2005.
［2］罗利春.无线电侦察信号分析与处理[M].国防工业出版社,2003.
［3］James Tsui.宽带数字接收机[M].杨小中,陆安南,金飚,译.北京:电子工业出版社,2002.
作者简介 蔡晓霞 女，1965年出生，安徽淮南人，教授。主要从事通信与信息系统，信号处理方向的研究。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。