摘" 要：为了对试验场区进行电磁环境监测，文章主要对1 GHz瞬时带宽的电磁信号进行实时频谱分析的研究。使用时间片将连续时间划分为8组，每组时间片对电磁信号进行多倍复用并行FFT，同时使用频谱统计和数字荧光显示进行实时频谱分析。试验表明，系统能对1 GHz瞬时带宽的电磁信号实施不间断监测。实时频谱统计技术将采样速率从2 500 MB/s降低至不足1 MB/s，在满足复杂电磁环境下的实时频谱监测分析的同时，大幅度降低输出数据传输压力，扩大了系统应用环境。
关键词：实时频谱；FFT；数字荧光；频谱统计；电子对抗
中图分类号：TN97" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2025）03-0001-06
Radar Monitoring Method Based on Broadband Real-time Spectrum Analysis
GONG Fei1， GONG Yuling2， SU Hang1， XU Xiaodong2， WU Honghai1
（1.Nanjing Aerospace Industry Science and Technology Co.， Ltd.， Nanjing" 210000， China;
2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Taizhou University， Taizhou" 225300， China）
Abstract： In order to monitor the electromagnetic environment of the test site， this paper mainly studies the real-time spectrum analysis of the 1 GHz instantaneous bandwidth electromagnetic signal. The time slice is used to divide the continuous time into 8 groups. Each group of time slice performs multi-multiplexing parallel FFT on the electromagnetic signal， and real-time spectrum analysis is performed using spectrum statistics and digital phosphor display at the same time. Experiments show that the system can continuously monitor the electromagnetic signal with an instantaneous bandwidth of 1 GHz. Real-time spectrum statistics technology reduces the sampling rate from 2 500 MB/s to less than 1 MB/s， which greatly reduces the transmission pressure of output data and expands the application environment of the system while satisfying the real-time spectrum monitoring and analysis in complex electromagnetic environment.
Keywords： real-time spectrum; FFT; digital phosphor; spectrum statistic; electronic countermeasure
0" 引" 言
随着现代战场用频装备数量激增、信号处理技术发展及电磁信号体制多样，任务区域的电磁环境愈加复杂多变[1-2]。电磁信号种类繁多，包括自然界产生的电磁信号、广播、蓝牙等民用电磁信号，以及有特定用途的军用电磁信号。诸多电磁信号拥挤在有限的频谱中，面对时域上重复、频域上交叠的复杂环境，雷达监测设备对猝发信号、复杂雷达信号和干扰信号等信号的连续频谱监测难度较大[3-4]。本文将研究基于宽带实时频谱分析的雷达监测方法，该方法对宽带信号进行高速采样，通过时域加窗多倍复用并行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform， FFT）等处理方法，从频率、功率、时间这三个维度对带内采集信号进行分析。基于宽带实时频谱分析的雷达监测方法可有效实现瞬态信号的及时触发和捕获，通过实时频谱统计技术可有效降低实时传输速率，提高雷达监测设备的监测性能，提升了分析复杂电磁信号的能力。
1" 实时频谱原理
雷达监测设备受使用、安装环境和设备成本等因素限制，通常在超外差接收机体制下工作[5-6]。雷达监测设备接收射频信号，使用多级本振对信号进行限幅、放大、混频、滤波等处理，并得到中频信号。通过本振频点的变化，完成整个频段的扫描[7-8]。监测瞬时带宽越小，完成整个频段扫描时间越长，由于频段切换导致监测设备对外界瞬时出现信号的监测能力较低。
实时频谱系统结构如图1所示，系统由变频通道模块、实时频谱分析模块、实时频谱显示模块3个模块组成。接收天线接收外界电磁信号。变频通道模块对天线接收到的电磁信号进行限幅、放大、变频等处理，其中限幅器完成信号幅度限制，防止外界信号功率过大而损伤设备；放大器对信号进行放大操作；混频器完成信号频率搬移；滤波器完成频段外的多余信号的滤除。最终，变频通道模块将信号变频到中频（中频带宽1 GHz）并将中频输出至实时频谱分析模块[9-10]。实时频谱分析模块使用ADC芯片对中频进行高速采样将模拟中频信号采样得到数字中频信号。数字中频信号依次进行时间片划分、FFT、频谱统计等处理，处理后的频谱统计结果按每秒一次的频率上报至实时频谱显示模块。实时频谱显示模块对频谱统计结果实时显示，完成实时频谱的处理和图像显示。
实时频谱分析借助信号处理技术对中频信号进行采集、处理与分析，通过时间片划分、FFT处理等步骤，完成中频信号在时间维、频率维、幅度维的统计分析，实现对瞬时带宽内猝发信号的捕获和分析[11]。实时频谱分析对信号进行连续不间断的监测，确保不漏掉任何一个时间段的信号信息，无论是信号存在、消失还是动态变换，实时频谱均能持续上报频谱数据。
1.1" 时间片划分
目前监测设备多为实时系统，设备需要在极短的时间内完成数据处理并上报，以减少使用者的等待时间。为了在规定的时间内完成处理，需要将连续中频信号划分为多个很小的时间片，多个时间片采用流水并行操作进行时间的划分。
在时间片划分下，对连续时域信号IFin截断成多个子时域信号Tk（i），Tk（i），其中，k = 0，1，…，7；i = 0，1，…，总时长/（单个时间片长度×8）。时间片划分流程如图2所示，实时频谱系统分析模块对中频信号进行不间断的时间片划分，得到了多个子时间片T0（i）～T7（i），时间片数据分别流水进入8个不同的FFT模块FFT0（i）～FFT7（i）。多个子时间片T0（i）～T7（i）在时间上连续不间断，从而达到信号不丢失的效果。FFT模块FFT0（i）～FFT7（i）依次输出结果，频谱统计从频率维、功率维这两个维度统计FFT模块输出结果，并以出现次数上报频谱统计结果。
1.2" 连续波和脉冲波加窗
监测系统将无限长时间划分成有限时间片。由于信号被突然截断，时间片时域信号转换到频域后会产生频域上出现频谱“泄露”现象。为了减轻频谱“泄露”对后续处理显示的影响，需要在FFT运算前加一个缓变性的时间窗。加窗可有效抑制频谱“泄露”现象，同时也可对信号进行平滑使信号边界缓慢变化减少频谱异常。常用的窗函数有矩形窗、Bartlett窗、汉宁窗、汉明窗。
雷达监测设备面临的信号主要为连续波和脉冲波信号。在本设计中，采用汉宁窗作为窗函数，针对主要的连续波和脉冲波信号进行分析。连续波信号是一种持续发射的电磁波，其波形在时间轴上连续不间断且没有明显间断点，其波形如图3（a）所示。脉冲波信号是一种短时间出现的电磁波，其波形在时间轴上不连续且有短暂快速变化，其波形如图4（a）所示。
连续波和脉冲波加窗后的时域波形如图3（b）、图4（b）所示，连续波加窗在时间轴上对窗的两端信号进行快速衰减，而窗的中间波形衰减较小，从外观上看，加窗的波形形成了“眼图”效果。对原始和加窗后的时域波形分别进行FFT处理得到其频域波形，原始频域波形如图3（c）、图4（c）所示，加窗后频域波形如图3（d）、图4（d）所示，连续波通过对比图3（c）和图3（d），脉冲波通过对比图4（c）和图4（d），未加窗时，信号频谱多在整个频段进行扩散，本应该集中在一个频率点上的能量会分散到其他频率上。加窗操作后，对信号在时域上使用了一些旁瓣上衰减较快的窗函数，使信号在频域上将能力集中主瓣范围内，有效抑制连续波频谱“泄露”现象，减少边缘部分带来的不确定性和误差，使波形主峰与杂散功率差别更大，从频谱分析结果上更准确地反映信号的真实频率信息。
1.3" 多倍复用并行FFT
面对海量中频数据，多倍复用并行FFT通过重复计算一些中间结果减少计算量可有效处理海量中频数据，满足实时性处理需求。对中频信号进行一次FFT，FPGA占用的资源情况相当可观的，使用多陪复用的形式利用多个处理单元同时对多个时间片中的中频数据进行FFT运算，每个时间片上的中频数据独立处理FFT操作，并行操作加快了整个运算的速度。工程上考虑到FFT的运行速率及FFT占用资源，通常使用D个周期完成一次完整的FFT，在多个通道上同时完成逆傅里叶变换（Inverse Discrete Fourier Transform， IDFT），提高了处理效率，FFT复用原理图如图5所示，其中x（n）为输入信号，D为复用倍数，e0（m）～eD-1（m）为旋转因子，y0（m）～yD-1（m）为FFT输出结果。
其中输入结果yk（m）的计算过程如式（1）所示：
基于XC7325T硬件编译芯片，进行一次8 192点FFT编译，需要18个DSP48和39个Block RAM。多倍复用并行FFT占用320个Logic Cells、6个DSP48和15个Block RAM，其中320个Logic Cells与总资源326 080个Logic Cells相比，占比比例较低，可忽略不计。XC7325T芯片、串行8 192点FFT、多通道复用的FFT资源情况如表1所示，对比发现多倍复用并行FFT可有效降低芯片资源占用情况。
2" 实时频谱统计及显示
2.1" 实时频谱统计
对带宽1 GHz的中频进行采样，按照奈奎斯特采样定理，采样率至少在2 500 MHz以上，按照每秒更新一次频谱数据频率下，以8 192点FFT计算为例，界面上需要显示每秒30万次以上的海量频谱数据，系统难以处理这些频谱数据。同时，海量频谱显示在界面上难以使操作人员快速观察到频谱变化情况。基于这种情况，需要对海量频谱数据预先进行统计处理后再显示。
实时频谱统计数据最终产生一个位图矩阵，位图矩阵的横轴为频率，纵轴为功率，矩阵内的数值为该频率—功率出现次数。原始中频采样速率为2 500 MB/s，经过实时频谱统计最终上传的速率可降低至1 MB/s以内，有效降低了数据传输速率。以10×9矩阵为例，如图6（a）所示，一次FFT结果映射到位图矩阵内，接收到信号的位置显示为1，当该位置的FFT没有满足频率—功率信息时，此位置信号显示为空白。图6（b）为进行了9次统计后的位图矩阵，其中位置信号接收次数可以累积统计，在（9，1）格内的信息接收到9次，显示的信息为9。
2.2" 数字荧光显示
实时频谱借用数字荧光显示技术，将数字信号转换为可视化荧光显示。本文采用伪彩色处理，通过不同颜色配置精准地控制图像显示的强度和范围，可使图像表现出非常鲜艳、饱满的色彩。
实时频谱统计上报的位图矩阵为二维数组，显示在界面上需要使用图像中的伪彩色处理技术。设f （x，y）为单色图片中一个像素点的数值，Red（x，y），Green（x，y），Blue（x，y）为f （x，y）映射到RGB空间的三个颜色分量，则伪彩色处理可以表示为：
其中fR[ f （x，y）]、fG[ f （x，y）]、fB[ f （x，y）]分别为红、绿、蓝的映射函数，映射函数不同对应伪彩色处理方法也不一样。常规伪彩色处理方法有灰度分层法和彩色变换法两种。工程中，通常因彩色变换法颜色丰富、颜色转变连续顺畅、量化噪声小等特点，实时频谱显示多采用彩色变换法。以常规的彩色变换函数为例，图7（a）（b）（c）分别为红、绿、蓝三种颜色的映射函数图。
3" 宽带实时频谱监测效果
以监测线性调频信号为例，频谱仪接收处理得到的频谱如图8所示，使用宽带实时频谱监测频谱如图9所示。对比两张图可发现，频谱仪可观测到信号的中心频率（信号所属频段范围）、信号带宽（开始频率到终止频率的差值）、峰值（信号在某个频率上的最大功率）、杂散（由于设备内部噪声、干扰等因素引发的杂乱无规则的信号）等信息。宽带实时频谱除了频谱仪可观测的信息外，还可根据频谱显示颜色通过颜色的亮度高低来推断出子频点1、2、3的出现概率、停留时长等信息。
4" 结" 论
本文主要对基于宽带实时频谱分析雷达监测方法进行研究，深入分析了实时频谱原理中的时间片划分、加窗、多倍复用并行FFT、实时频谱统计和数字荧光显示。使用通用监测设备硬件进行工程研发，经过系统验证，结果表明宽带实时频谱分析雷达监测方法可使信号在频域上将能力集中主瓣范围内，有效抑制连续波频谱“泄露”现象减少边缘部分带来的不确定性和误差，使波形主峰与杂散功率差别更大，从频谱分析结果上更准确地反映信号的真实频率信息。实时频谱统计可有效降低数据传输速率，原始中频采样传输速率为2 500 MB/s经过实时频谱统计最终上传的速率可降至1 MB/s以内，有效降低了数据传输速率，使用数字荧光显示，颜色丰富、颜色转变连续顺畅、量化噪声小，对比传统频谱仪除了可观测到信号的中心频率、信号带宽、峰值、杂散等信息外，可有效观察到频谱内部信息如出现概率、停留时长等信息。在分析复杂混合信号时，通过宽带实时频谱可容易地观测到哪些频率上的信号功率能量较高，进而确定信号的主要频率成分，很大程度上解决了复杂电磁环境下多体制雷达信号和干扰信号频谱的监测问题。
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作者简介：龚非（1983—），男，汉族，湖北襄阳人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：航天电子对抗研究。
