一種多功能雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬器設(shè)計(jì)

高紅友，張 允，江友平

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第723研究所， 江蘇 揚(yáng)州 225001)

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)日益向“ 陸、海、空、天、電磁” 五維一體方向發(fā)展，電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，電子系統(tǒng)裝備在如此復(fù)雜的電磁環(huán)境下保持工作成為關(guān)鍵。為了測(cè)試電子裝備的性能和技術(shù)指標(biāo)，若通過(guò)外場(chǎng)或?qū)崙?zhàn)演習(xí)來(lái)測(cè)試電子裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的工作性能，存在時(shí)間長(zhǎng)、成本高、靈活性差等問(wèn)題[1]。為彌補(bǔ)外場(chǎng)測(cè)試存在的問(wèn)題，研制配套的模擬器成為必需。采用模擬器不僅節(jié)約成本，重要的是保密性好，可在內(nèi)場(chǎng)或外場(chǎng)近距離測(cè)試。而隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子裝備變得復(fù)雜，技術(shù)水平大幅度提高，相應(yīng)對(duì)配套模擬器也就提出了更高的要求。為了適應(yīng)這種要求，國(guó)內(nèi)一些相關(guān)科研院所相繼投入大量的人力和物力去研制能適應(yīng)新需要新體制的模擬器[2-3]。本文結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)一種多功能雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬器，該模擬器除能模擬產(chǎn)生100MHz～2GHz雷達(dá)環(huán)境信號(hào)，還能分別模擬塔康信號(hào)和GPS信號(hào)，這為電子裝備的測(cè)試試驗(yàn)提供了必要的手段。

1 模擬器性能指標(biāo)

根據(jù)總體任務(wù)書(shū)要求，模擬器主要性能指標(biāo)：

(1)頻率范圍：100MHz～2GHz，分兩段100～500MHz、0.5～2GHz；

(2)輸出功率：-10～30dBm；

(3)諧波抑制：≤-20dBc；

(4)雜散抑制：≤-30dBc；

(5)重頻：2μs～20ms(精度±0.1μs)；

(6)脈寬：50ns～1ms(精度±25ns)；

(7)信號(hào)類(lèi)型：連續(xù)波、連續(xù)波調(diào)頻調(diào)相、常規(guī)脈沖、頻率捷變、頻率分集、重頻抖動(dòng)、重頻參差、重頻滑變、脈沖壓縮等；

(8)工作模式：100MHz～2GHz頻段雷達(dá)信號(hào)、塔康應(yīng)答器和機(jī)載塔康詢(xún)問(wèn)機(jī)信號(hào)和GPS信號(hào)。

2 信號(hào)模擬

2.1 雷達(dá)信號(hào)

雷達(dá)信號(hào)模擬包括常規(guī)脈沖和連續(xù)波信號(hào)、調(diào)頻調(diào)相的脈沖和連續(xù)波信號(hào)及各種體制的脈沖和連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)。在信號(hào)的模擬產(chǎn)生方法中，線性調(diào)頻信號(hào)應(yīng)用最多，而線性調(diào)頻脈沖信號(hào)是目前雷達(dá)應(yīng)用的主要信號(hào)形式，其復(fù)數(shù)表達(dá)式可寫(xiě)成

(1)

信號(hào)的瞬時(shí)頻率可寫(xiě)成

fi=f0+Kt

(2)

式中：K=B/T為頻率變化斜率，B為頻率變化范圍；f0為中心頻率。

圖1給出了線性調(diào)頻脈沖信號(hào)波形圖，波形在時(shí)域中為矩形包絡(luò)的信號(hào)，在脈沖內(nèi)載波頻率按線性規(guī)律變化，直線升高，線性調(diào)頻后信號(hào)波形由寬脈沖壓縮為窄脈沖。本文雷達(dá)信號(hào)模擬方法沿用了之前的成熟算法、數(shù)學(xué)模型及實(shí)現(xiàn)方法[4-6]。

圖1 線性調(diào)頻脈沖信號(hào)波形圖

2.2 塔康信號(hào)

塔康信號(hào)工作頻段為962～1213MHz，劃分為252個(gè)波道，其中包含126個(gè)編號(hào)從1X到126X的X模式波道和126個(gè)編號(hào)從1Y到126Y的Y模式波道。塔康信號(hào)主要包括塔康艦載信標(biāo)臺(tái)信號(hào)及機(jī)載詢(xún)問(wèn)臺(tái)信號(hào)[7]。

塔康信號(hào)的模擬主要依據(jù)固定的編碼格式及發(fā)送時(shí)序，由信號(hào)處理單元產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖序列，并控制衰減器進(jìn)行15Hz及135Hz調(diào)幅的幅度控制，完成塔康信號(hào)的產(chǎn)生。

對(duì)于機(jī)載詢(xún)問(wèn)臺(tái)信號(hào)的模擬，主要根據(jù)不同的工作模式其詢(xún)問(wèn)信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)之間的時(shí)間延遲、脈沖對(duì)之間的間隔確定。機(jī)載詢(xún)問(wèn)臺(tái)詢(xún)問(wèn)脈沖對(duì)間隔X模式時(shí)為12μs，在Y模式時(shí)為36μs。塔康信標(biāo)機(jī)接收到機(jī)載詢(xún)問(wèn)臺(tái)詢(xún)問(wèn)信號(hào)后，在固定的延遲時(shí)間后作出應(yīng)答；延遲時(shí)間在X模式時(shí)為50μs，在Y模式時(shí)為56μs，示意圖如圖2所示。

圖2 機(jī)載詢(xún)問(wèn)臺(tái)時(shí)延示意圖

塔康信號(hào)模擬產(chǎn)生按規(guī)律變化的脈沖串信號(hào)，其模擬通過(guò)信號(hào)處理單元，根據(jù)塔康信號(hào)編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行脈沖排隊(duì)，并控制射頻通道進(jìn)行幅度和脈沖調(diào)制，即可完成塔康信號(hào)的產(chǎn)生。

同時(shí)塔康信號(hào)的模擬樣式參照《GJB 914-1990塔康系統(tǒng)信號(hào)要求和測(cè)試方法》、《GJB 2784-1996 塔康機(jī)載設(shè)備通用規(guī)范》和《GJB 1946-1994 塔康地面設(shè)備通用規(guī)范》等文件要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 GPS信號(hào)

GPS衛(wèi)星向地球用戶(hù)發(fā)送的信號(hào)由兩個(gè)頻率分量L1和L2組成，L1的中心頻率為1575.42MHz，L2的中心頻率為1227.6MHz。L1和L2均是已調(diào)波，其調(diào)制波是衛(wèi)星導(dǎo)航電文D碼和偽隨機(jī)噪聲碼C/A碼、P碼。D碼為一個(gè)50bps的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)流，包含多個(gè)數(shù)據(jù)幀；C/A碼是一種10級(jí)寄存器的Gold碼，碼序列長(zhǎng)度為1023，碼時(shí)鐘為1.023MHz，碼周期為1ms；而P碼時(shí)鐘10.23MHz，碼長(zhǎng)度大于37周。在載波L1上調(diào)制D碼、C/A碼和P碼，載波L2只調(diào)制D碼和P碼。

本模擬器通過(guò)使用高性能FPGA+DDS來(lái)產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)制的L1和L2兩路信號(hào)，即在FPGA中用線性反饋移位寄存器產(chǎn)生兩個(gè)相關(guān)的偽隨機(jī)序列m序列碼，進(jìn)行異或，產(chǎn)生C/A碼所需的Gold碼。P碼在FPGA中用兩個(gè)12位寬的隨機(jī)序列產(chǎn)生，或者直接生成一個(gè)偽隨機(jī)序列作為P碼，然后將D碼與C/A碼或P碼進(jìn)行異或產(chǎn)生擴(kuò)頻信號(hào)，再用此擴(kuò)頻信號(hào)序列控制DDS產(chǎn)生PSK調(diào)制信號(hào)，混頻至L1或L2形成射頻信號(hào)發(fā)射出去，詳細(xì)內(nèi)容可參見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn)[8-10]。

3 硬件設(shè)計(jì)

模擬器由顯示控制單元、信號(hào)處理單元、信號(hào)產(chǎn)生單元、頻率合成器、射頻通道單元、功放單元和天線輻射單元等組成，其系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 模擬器系統(tǒng)原理框圖

3.1 顯示控制單元

顯控單元是模擬器的重要組成部分和控制核心，主要任務(wù)是實(shí)時(shí)控制模擬器的運(yùn)行；為用戶(hù)提供友好的人機(jī)交互界面；通過(guò)人機(jī)界面編輯輻射源威脅數(shù)據(jù)由；控制計(jì)算機(jī)(PC104)形成初始化戰(zhàn)情報(bào)文；控制輻射源的運(yùn)行狀態(tài)和模式切換的實(shí)時(shí)運(yùn)行報(bào)文；通過(guò)串口傳送給信號(hào)處理單元，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、模擬器自檢、試驗(yàn)戰(zhàn)情設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行控制、設(shè)備狀態(tài)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示和通信等功能。其工作原理如圖4所示。

圖4 顯控單元工作原理框圖

3.2 信號(hào)處理單元

信號(hào)處理單元主要是一塊以多個(gè)超大規(guī)模FPGA為核心具有高速數(shù)字運(yùn)算能力和高速數(shù)字I/O接口的高集成度控制電路模塊。其作為顯示控制單元的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收顯示控制單元發(fā)送的戰(zhàn)情數(shù)據(jù)和控制命令；實(shí)時(shí)控制信號(hào)產(chǎn)生單元、射頻通道單元等硬件，完成對(duì)射頻信號(hào)的頻率、脈寬、重頻以及幅度等多種形式調(diào)制信號(hào)的實(shí)時(shí)解算；以及多個(gè)脈沖的時(shí)序排隊(duì)等功能，生成雷達(dá)脈沖描述字控制流，控制每一個(gè)脈沖的出現(xiàn)時(shí)間、頻率、脈內(nèi)調(diào)制、脈寬、幅度，原理框圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)處理單元FPGA功能框圖

3.3 信號(hào)產(chǎn)生單元

信號(hào)產(chǎn)生單元是本模擬器的核心單元，主要由控制電路、兩套DDS模塊(DDS1、DDS2)以及混頻濾波器件組成，原理框圖如圖6所示。

圖6 信號(hào)產(chǎn)生單元原理框圖

由于本模擬器可用于塔康信號(hào)、GPS信號(hào)以及0.1～2GHz雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生，對(duì)頻率精度要求較高，故選用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)。利用DDS來(lái)實(shí)現(xiàn)精細(xì)頻率步跳，并通過(guò)和一組以高穩(wěn)定度晶振為參考頻率的標(biāo)準(zhǔn)頻源組成的粗精頻率步跳的點(diǎn)頻進(jìn)行混頻、濾波及放大生成各頻段的信號(hào)。為了兼顧GPS雙載波信號(hào)產(chǎn)生，信號(hào)產(chǎn)生單元的輸出為2路，其中一路(DDS1)輸出頻段為0.1～2GHz，可分別模擬產(chǎn)生塔康信號(hào)、GPS信號(hào)的L1載波信號(hào)(1227.6MHz)以及0.1～2GHz雷達(dá)信號(hào)；另一路(DDS2)模擬輸出GPS的L2載波信號(hào)(1575.42 MHz)。

3.4 射頻通道單元、功放單元和天線輻射單元

射頻通道單元主要包括程控衰減器、放大器和調(diào)制器。程控衰減器用于對(duì)輸出信號(hào)幅度進(jìn)行控制，動(dòng)態(tài)范圍≥60dB，可承受功率≥0.5W；放大器對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行放大，補(bǔ)償通道功率損耗；調(diào)制器為單刀單擲開(kāi)關(guān)，隔離度設(shè)計(jì)可達(dá)到80dB，開(kāi)關(guān)速度小于15ns，用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制。為減少結(jié)構(gòu)空間，射頻通道單元與信號(hào)產(chǎn)生單元設(shè)計(jì)為一個(gè)模塊。功放單元為0.1～0.5GHz、0.5～2GHz兩個(gè)頻段低噪聲放大器，增益為27±1dB，1dB壓縮點(diǎn)為31dBm。天線輻射單元為0.1～0.5GHz、0.5～2GHz兩個(gè)頻段對(duì)數(shù)周期天線，波束寬度為60°，增益分別為6dB、9dB。

4 試驗(yàn)測(cè)試

按照信號(hào)模擬方法和硬件設(shè)計(jì)思路，本著通用化、系列化、模塊(組合)化的設(shè)計(jì)原則研制出一套多功能雷達(dá)信號(hào)模擬器，選用成熟的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4U機(jī)箱，外形美觀大方，如圖7所示。

模擬器可在開(kāi)放環(huán)境或微波暗室中使用，進(jìn)行注入式或輻射式信號(hào)模擬。根據(jù)不同試驗(yàn)任務(wù)需要對(duì)模擬器進(jìn)行信號(hào)參數(shù)設(shè)置，分別實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)、塔康信號(hào)和GPS等復(fù)雜電磁信號(hào)的模擬，圖8給出了頻譜儀測(cè)出的模擬器產(chǎn)生的塔康信號(hào)、GPS信號(hào)和雷達(dá)信號(hào)波形頻譜圖。

圖7 模擬器機(jī)箱外觀圖

圖8 信號(hào)波形頻譜示意圖

從圖8可看出，模擬器產(chǎn)生的信號(hào)是理想可用的，達(dá)到了信號(hào)樣式設(shè)計(jì)要求。目前已應(yīng)用到某系統(tǒng)保障中，架設(shè)便攜，使用方便，適合外場(chǎng)和內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)，利用頻譜儀和示波器對(duì)模擬器輸出信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，如表1所示。

表1 信號(hào)質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)模擬器性能指標(biāo)達(dá)到要求，滿(mǎn)足系統(tǒng)特定指標(biāo)試驗(yàn)需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代信息化條件下，電子信息化裝備密集部署形成了復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，如何構(gòu)建電子系統(tǒng)裝備試驗(yàn)條件下的背景信號(hào)、目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)，模擬器是必然的試驗(yàn)手段。本文研制的模擬器可針對(duì)性設(shè)置一些典型雷達(dá)信號(hào)，還可進(jìn)行塔康信號(hào)和GPS信號(hào)模擬，為一些電子裝備的試驗(yàn)形成了逼真的背景信號(hào)，對(duì)提升和考核電子系統(tǒng)裝備的作戰(zhàn)效能做了提前的準(zhǔn)備，目前已有多套不同型號(hào)和體制的雷達(dá)信號(hào)模擬器得到應(yīng)用，在電子系統(tǒng)裝備測(cè)試試驗(yàn)中發(fā)揮了重要的作用。

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