基于LabWindows/CVI的雷達(dá)信號(hào)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

王 毅 杜亞杰 付龍文 陳令新

（1.海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院 煙臺(tái) 264001）（2.中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所 煙臺(tái) 264003）

1 引言

現(xiàn)代高技術(shù)條件海戰(zhàn)中，執(zhí)行各種作戰(zhàn)任務(wù)的水面艦艇編隊(duì)面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的空中威脅，對(duì)空防御已成為水面艦艇編隊(duì)防御的首要任務(wù)。導(dǎo)彈照射器也稱跟蹤器，是水面艦艇導(dǎo)彈系統(tǒng)中的重要組成部分，它采用高頻連續(xù)信號(hào)來(lái)照射目標(biāo)完成對(duì)指定空中目標(biāo)的照射，為艦空導(dǎo)彈的發(fā)射、跟蹤提供目標(biāo)指示，其工作性能直接影響艦空導(dǎo)彈的命中概率，因此在執(zhí)行任務(wù)之前，必須對(duì)照射器參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)［1～3］。目前，檢測(cè)的主要方法是對(duì)照射器輻射波相位噪聲進(jìn)行測(cè)量。

本文以LabWindows/CVI為開(kāi)發(fā)軟件，設(shè)計(jì)了一套相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)照射器輻射波相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)。

2 相位噪聲測(cè)量方法

相位噪聲是指信號(hào)源中內(nèi)各種噪聲作用下引起的輸出信號(hào)相位的隨機(jī)起伏，它是輸出頻率的短期穩(wěn)性指標(biāo)，頻率穩(wěn)定度在時(shí)域中用阿侖方差表征，在頻域中通常用各種譜密度來(lái)表征［4］。目前比較普遍采用的相位噪聲表征量有相位起伏譜密度、頻率起伏譜密度、相對(duì)頻率起伏譜密度以及單邊帶相位噪聲。而最常用的表征量是單邊帶相位噪聲，其定義是：?jiǎn)芜厧辔辉肼昄()f是指偏離載頻 f處，信號(hào)的一個(gè)相位調(diào)制邊帶的功率密度（功率譜密度）與載波功率之比，其表達(dá)式為

式中：Pm為測(cè)得的偏離載頻 f處一個(gè)相位調(diào)制邊帶的平均功率，單位為dBm；Pc為載波功率，單位為dBm。

常用的相位噪聲測(cè)量方法有直接頻譜儀測(cè)量法、正交檢相法、差拍計(jì)數(shù)器法、鑒頻器法、交叉相關(guān)測(cè)量法和直接數(shù)字化相位噪聲測(cè)量［5～7］。

直接頻譜儀測(cè)量法是一種簡(jiǎn)便、常用的測(cè)量方法，測(cè)試中采用頻譜分析儀，不需要專門(mén)搭建測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)頻譜分析儀內(nèi)置的相位噪聲分析計(jì)算軟件，可以直接顯示單邊帶相位噪聲的測(cè)量值。此種相位噪聲測(cè)量方法，要求作為主要測(cè)試設(shè)備的頻譜分析儀具有低本底噪聲、高動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍和低分辨帶寬等特性。一般用于測(cè)量相位噪聲指標(biāo)不是很高的頻率源的相位噪聲，在偏離載波1kHz以上的情況下，其測(cè)量結(jié)果的可信度比較高，1kHz以內(nèi)可信度較差。

相位檢波器法是目前應(yīng)用最廣泛、靈敏度高、分析頻率范圍寬、測(cè)量準(zhǔn)確度最高的相位噪聲測(cè)量方法［8～10］，其原理框圖如圖1所示。

圖1 鎖相環(huán)法的測(cè)量原理框圖

從圖1中可看出，參考源和待測(cè)源的輸出信號(hào)通過(guò)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了相位的正交鎖定，即兩個(gè)信號(hào)的相位相差90°由檢相器將相位起伏轉(zhuǎn)化為電壓起伏，然后經(jīng)過(guò)低通濾波器和低噪聲放大器輸出給頻譜分析儀，由頻譜儀測(cè)量計(jì)算得到單邊帶相位噪聲。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)載波有很好的抑制，系統(tǒng)測(cè)量靈敏度高；缺點(diǎn)是該方法測(cè)量比較復(fù)雜，要求要有一個(gè)能夠進(jìn)行頻率調(diào)整的低相噪?yún)⒖荚?。目前，市?chǎng)上應(yīng)用廣泛的相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)，如HP3048A、Agilent E5500系列、Aeroflex PN9000系列，均采用了該測(cè)量方法［11～14］。

3 照射器相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

照射器相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)由信號(hào)接收天線、控制轉(zhuǎn)臺(tái)、同軸電纜、固定衰減器和可調(diào)衰減器、微波開(kāi)關(guān)、功率計(jì)、PN9000相位噪聲測(cè)量?jī)x、測(cè)控計(jì)算機(jī)和電源等組成［15～17］，如圖2所示，其中PN9000相位噪聲測(cè)量?jī)x是整個(gè)系統(tǒng)的核心。該系統(tǒng)安裝在一輛帶有軍用方艙的檢測(cè)車內(nèi)，方艙分為信號(hào)接收天線艙和測(cè)試工作艙，天線艙和工作艙采用分離設(shè)計(jì)，工作艙采用了防電磁屏蔽措施，避免照射器電磁輻射時(shí)對(duì)人員的損害。

圖2 照射器信號(hào)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖

3.2 PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)

PN9000是模塊化的相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)，各類相關(guān)測(cè)試部件都以模塊的形式插在主機(jī)箱內(nèi)。根據(jù)參考源、頻率范圍和信號(hào)分析的需要，系統(tǒng)可進(jìn)行不同的配置。其基本系統(tǒng)由機(jī)箱、五個(gè)基本模塊、PC電腦、GPIB總線接口、電腦主機(jī)箱內(nèi)的數(shù)字轉(zhuǎn)換板和測(cè)量軟件組成［10］。由于該系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)，增加選件可比較方便?？蛇x的設(shè)備包括可編程超低相噪直流調(diào)頻綜合器、高水平相位檢波器、可編程超低相噪的微波下變頻器、微波鑒相器、諧波混頻器、延遲線、視頻濾波器、10MHz和100MHz低噪VCXO參考等等，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行配置［18］。

3.2.1 PN9000相位噪聲測(cè)試方法

PN9000基本系統(tǒng)利用檢相器法，依靠鎖相環(huán)產(chǎn)生的控制電壓，參考源在相位正交時(shí)進(jìn)入鎖定狀態(tài)，通過(guò)正交鎖定低噪?yún)⒖夹盘?hào)，對(duì)被測(cè)源的相位波動(dòng)進(jìn)行檢相。一般使用平衡混頻器作為鑒相器，這時(shí)可產(chǎn)生包含有頻率源時(shí)間信息的相位波動(dòng)信號(hào)：

上式中K為混頻器的檢相因子（檢相常數(shù)），單位volts/radian。此因子定義了相噪頻譜0dBc參考，φ(t)為被測(cè)源相噪，φref(t)為參考信號(hào)的相噪。圖3是PN9000系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖，圖中所示的鑒相過(guò)程，是由PN9000系統(tǒng)中一組共同工作的模塊完成的。信號(hào)的處理過(guò)程是先將檢相噪聲轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后再計(jì)算噪聲功率譜。圖4所示為PN9000鑒相過(guò)程的模塊劃分。

3.2.2 PN9000測(cè)試軟件

PN9000的模塊化結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)必須在電腦軟件的控制之下完成測(cè)量。頻譜分析不用動(dòng)態(tài)信號(hào)或頻譜分析儀，取而代之的是插在電腦內(nèi)部的一塊數(shù)字轉(zhuǎn)換板，噪聲信息在主控電腦內(nèi)進(jìn)行頻譜分析和噪聲計(jì)算。系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)的插件式的模塊化儀表沒(méi)有操作面板，所有的相關(guān)設(shè)置和測(cè)量控制都必須依賴電腦來(lái)完成，因此系統(tǒng)測(cè)量軟件是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。

圖3 PN9000工作原理

圖4 PN9000的模塊劃分

該軟件為全菜單的形式，可對(duì)所有參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)處理進(jìn)行控制。軟件含有計(jì)數(shù)器功能，可方便用于測(cè)量鑒相器的LO和RF端的頻率以及差拍信號(hào)。測(cè)量步驟分成手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)量?jī)煞N方式，兩種方式的步驟完全一致，包括測(cè)量調(diào)諧斜率、校準(zhǔn)、自動(dòng)鎖定和頻譜分析等，測(cè)量過(guò)程中能實(shí)時(shí)顯示時(shí)域信號(hào)。測(cè)量后的數(shù)據(jù)和曲線可以進(jìn)行多種處理和運(yùn)算，例如噪聲與雜散的區(qū)分、平滑、頻率和電平光標(biāo)、數(shù)據(jù)乘加運(yùn)算、完全功率、阿倫方差換算、抖動(dòng)等。側(cè)量完畢對(duì)數(shù)據(jù)和曲線的處理，既可將數(shù)據(jù)直接存入內(nèi)存、軟盤(pán)或硬盤(pán)，也可以將曲線以圖片格式保存或輸出。

3.3 工作過(guò)程

當(dāng)該測(cè)試系統(tǒng)工作時(shí)，這時(shí)接收天線可以接收到輻射功率信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換及同軸電纜傳輸后衰減，變?yōu)檫B續(xù)波信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)固定衰減器和程控衰減器，功率進(jìn)一步衰減。當(dāng)接收的照射器信號(hào)功率滿足相位噪聲測(cè)量?jī)x要求后，測(cè)控計(jì)算機(jī)控制微波開(kāi)關(guān)將信號(hào)切換到相位噪聲測(cè)量?jī)x，進(jìn)行照射器信號(hào)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量。相位噪聲測(cè)量?jī)x將測(cè)量結(jié)果以圖形化方式在計(jì)算機(jī)上顯示，分為幅度噪聲曲線圖和頻率噪聲曲線圖，該曲線圖信息可在計(jì)算機(jī)上存儲(chǔ)并通過(guò)打印機(jī)輸出。

為了方便控制，計(jì)算機(jī)采用GPIB總線分別對(duì)功率計(jì)、微波轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。各設(shè)備之間通過(guò)電纜或控制線連接，其連接關(guān)系如圖5所示。

圖5 相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)連線圖

4 主要模塊設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果

4.1 信號(hào)接收天線的設(shè)計(jì)

信號(hào)接收天線功能是接收照射器的輻射信號(hào)，包括反射體和饋源，反射體為拋物面天線，饋源采用喇叭形式。反射體的幾何形狀和尺寸大小由以下綜合因素確定：

1）滿足PN9000相位噪聲測(cè)量?jī)x對(duì)信號(hào)輸入功率要求；

2）同軸電纜的衰減因素，從信號(hào)接收天線到噪聲測(cè)試設(shè)備之間同軸電纜的衰減，包括波導(dǎo)至同軸電纜轉(zhuǎn)換衰減、5m長(zhǎng)同軸電纜衰減；其他不可測(cè)因素造成的信號(hào)衰減；

3）照射器輻射波束寬度和照射距離對(duì)信號(hào)衰減因素；

4）接收天線與被測(cè)照射器對(duì)準(zhǔn)偏差因素引起的信號(hào)衰減。

信號(hào)接收天線經(jīng)固定衰減器和可編程衰減器串聯(lián)衰減后，可滿足PN9000相位噪聲測(cè)量?jī)x和功率計(jì)要求。

4.2 饋源波導(dǎo)及喇叭設(shè)計(jì)

由于天線反射體設(shè)計(jì)的尺寸較小，因此對(duì)饋源的設(shè)計(jì)必須考慮反射體的幾何尺寸。饋源采用喇叭形式，垂直極化，以工作在6GHz為標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)計(jì)，其尺寸如圖6所示，其高頻模型如圖7所示。

圖6 同軸波導(dǎo)喇叭的設(shè)計(jì)尺寸

圖7 高頻仿真模型

4.3 軟件設(shè)計(jì)

照射器相位噪聲測(cè)試軟件包括操作系統(tǒng)Windows XP、專用測(cè)試軟件。測(cè)控計(jì)算機(jī)可將測(cè)量結(jié)果處理以后輸出到顯示器和打印機(jī)。測(cè)量的結(jié)果在計(jì)算機(jī)上以圖形的方式顯示，顯示畫(huà)面的橫坐標(biāo)為噪聲偏離載波頻率的遠(yuǎn)近，縱坐標(biāo)為相應(yīng)噪聲波動(dòng)的譜密度。

專用測(cè)試軟件軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為L(zhǎng)abWindows/CVI，采用層次化結(jié)構(gòu)，分為物理接口層、測(cè)試資源層、用戶管理層、用戶應(yīng)用層4個(gè)層面。物理接口層提供測(cè)控計(jì)算機(jī)與儀器間的物理連接；測(cè)試資源層主要由測(cè)試儀器驅(qū)動(dòng)軟件組成，系統(tǒng)所選用的貨架成品測(cè)試儀器GPIB總線儀器，每臺(tái)儀器均對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)試驅(qū)動(dòng)軟件，軟件功能函數(shù)則完成對(duì)儀器測(cè)試功能的控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的讀??；用戶管理層為用戶應(yīng)用層提供一套完全獨(dú)立命名的測(cè)試函數(shù)；用戶應(yīng)用層是軟件系統(tǒng)的頂層，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)檢測(cè)功能和提供人機(jī)操作界面的，用戶應(yīng)用層軟件主要由七個(gè)模塊組成，其模塊和流程框圖如圖8所示。

4.4 測(cè)試結(jié)果

運(yùn)行本系統(tǒng)測(cè)試軟件根據(jù)提示進(jìn)行測(cè)試準(zhǔn)備工作，打開(kāi)開(kāi)關(guān)控制器、電源功率計(jì)以及相位噪聲檢測(cè)系統(tǒng)。照射器發(fā)射信號(hào)后，在軟件主界面點(diǎn)擊“信號(hào)調(diào)理”按鈕進(jìn)入信號(hào)調(diào)理界面。

在“信號(hào)調(diào)理”狀態(tài)，計(jì)算機(jī)把采集的信號(hào)強(qiáng)度與PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)適用的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行比較調(diào)整可變衰減器的衰減量，使信號(hào)達(dá)到最適合的狀態(tài)。天線接收到的照射器發(fā)射的連續(xù)波信號(hào)強(qiáng)度一般不會(huì)剛好適合PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度，因此，在系統(tǒng)中加入了可變衰減器，通過(guò)調(diào)整可變衰減器的衰減量調(diào)整最終傳到PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度。本軟件中是通過(guò)GPIB控制與可變衰減器相連的開(kāi)關(guān)控制器實(shí)現(xiàn)衰減的變化的。信號(hào)調(diào)理界面如圖9所示。

圖8 應(yīng)用程序流程框圖

圖9 信號(hào)調(diào)整界面

按下“參數(shù)檢測(cè)”按鈕進(jìn)入“參數(shù)檢測(cè)”狀態(tài)，信號(hào)傳入PN9000，同時(shí)調(diào)用PN9000相位噪聲檢測(cè)軟件進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，檢測(cè)界面如圖10所示。

圖10 信號(hào)檢測(cè)界面

檢測(cè)結(jié)果如圖11。

圖中橫坐標(biāo)為噪聲偏離載波頻率的遠(yuǎn)近（0.01Hz～100MHz），縱坐標(biāo)為不同噪聲波動(dòng)的譜密度（0～-170dBc）。

圖11 相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)輸出結(jié)果

圖12 幅度噪聲測(cè)試系統(tǒng)輸出結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

相位噪聲是導(dǎo)彈照射器的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題，相位噪聲過(guò)大會(huì)嚴(yán)重影響艦空導(dǎo)彈的命中概率，因此在執(zhí)行任務(wù)之前，必須對(duì)照射器進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)。相位噪聲的測(cè)量方法較多，根據(jù)當(dāng)前先進(jìn)的相位噪聲測(cè)試技術(shù)和軍事保障的要求綜合考慮，研制了某型艦載導(dǎo)彈照射器的相位測(cè)試系統(tǒng)，在文中對(duì)主要硬件模塊和控制軟件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，表明該系統(tǒng)滿足戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求。