通信信號模擬系統在復雜電磁環境中的應用

趙曉輝，余金澳

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.上海交通大學，上海200240)

0 引言

武器靶場承擔著繁重的實驗任務，參試設備和測試設備復雜多樣，設備之間存在互兼容性。發射信號頻率范圍寬，其中不乏大功率設備，直接和間接地在測試場形成背景信號，還有外來電子干擾，這些因素都構成武器靶場的復雜電磁環境。在復雜電磁環境下，保證測試系統的正常工作，提高靶場試驗能力是亟待研究的問題。

因此，為了更好地驗證武器系統在復雜電磁環境下的性能指標，提高武器系統研制效率，構建能夠模擬和監測特定區域背景電磁信號環境，模擬戰場密集、多變的電磁背景信號的復雜電磁環境，對武器靶場建設具有非常重要的現實意義［1-3］。

1 通信信號模擬系統的組成

通信信號模擬系統主要功能是模擬地面衛星通信固定站信號和連續波雷達信號，用于構建先進的、具有可重構能力的靶場電子環境模擬系統及信號模擬系統，不僅能提供多種頻譜和調制式樣的電磁波輻射源，用于構建多頻段、多通道、多任務的通信模擬信號，還可以兼顧用于靶場復雜電磁環境模擬。

為了達到系統滿足多頻段、多功能使用，實現多頻段信號模擬和干擾/衛通信號模擬、連續波雷達信號模擬等目的。系統設計中，采用基帶設備、中頻設備復用，不同頻段的射頻設備可同時使用的分布式體系結構。為了有效地減少由于長距離的電纜傳輸造成的信號損耗，采用微波光端機傳輸微波信號。同時，兼顧多應用場合，每個頻段的射頻設備均采用全頻段覆蓋設計，達到組合靈活、功能完善和性能優越的目的。

通信信號模擬系統主要包括:天線伺服分系統、輻射源分系統、微波信號產生分系統、視頻中頻信號產生分系統和系統控制分系統等。

系統控制分系統主要完成整個通信靶標工作狀態的控制與監視，控制功能包括:通信信號模擬信號樣式、模擬信號頻率、天線指向角度和天線掃描狀態等參數的設定，進行輻射源分系統發射機輸出信號的輻射時間控制、天線伺服控制等。監視功能包括:通信靶標信號狀態、天線狀態的顯示和記錄。

視頻中頻信號產生分系統接收系統控制分系統的指令，產生連續波寬帶雷達信號、各種調制形式的衛通信號、偽隨機碼和白噪聲信號，并調制到中頻。控制信號分配網絡向不同頻段的射頻單元提供信號，實現干擾/衛星上行信號與雷達模擬信號的分配與射頻復用。

中頻信號進入微波信號產生分系統后，進行上變頻及濾波、放大處理，產生要求頻段的微波信號，送入輻射源分系統。輻射源分系統對低功率微波信號采用光纖傳輸，進行光電轉換、增益調節，最后轉換成電信號進行功率放大后，送入天線分系統，向空間輻射出去。天線分系統分別配置2種類型天線及相應天線基座，用于輻射干擾/衛通信號和連續波雷達信號。

2 通信信號模擬系統技術實現途徑

通信信號模擬系統具備傳統的軟件無線電信號模擬器的功能，能夠模擬地面衛星通信固定站信號，模擬連續波雷達信號，提供多種頻譜和調制樣式的電磁波。為了兼顧生成復雜電磁環境，在產生多體制、多頻率和多模式的無線電信號基礎上，還要模擬各種信號產生、持續和結束的時間變化，控制不同時間各信號的幅度變化;更要模擬各信號不同時間不同覆蓋的空間變化等。做到在時間、空間和頻率三維立體實現無線電信號的模擬。將軟總線分布式控制、軟件無線電信號模擬器技術和寬頻段低雜散射頻技術相結合，是構建時間—空間—頻率多維體制復雜電子環境模擬的一種可行解決途徑。

2.1 數字基帶信號產生技術

為了達到在一個設備中實現多體制、多模式、多信號和多功能的信號模擬與產生，實現信號的頻率覆蓋模擬，通信信號模擬系統采用軟件無線電技術，構造一個具有開放性、標準化和模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調制解調類型、數據格式和通信協議等用軟件來完成，選用不同軟件模塊就可以實現不同的功能，而且軟件可以升級更新，其硬件也可以像計算機一樣不斷地升級換代。對于不斷增加的信號體制或模式只要增加一個新的軟件模塊即可。充分利用軟件無線電技術的靈活性、集中性的特點，將一個開放的硬件平臺，通過軟件編程與下載，使同一平臺具備多種功能、多種體制的能力［4，5］。

作為靶標使用的通信系統，能滿足各種頻率及其組合頻率信號產生的要求，考慮到A/D轉換器工作帶寬、采樣速率的能力，采用軟件無線電技術在中頻直接數字化的方式，組成框圖如圖1所示。

圖1 視頻中頻信號產生單元組成

數字中頻產生單元主要采用大規模可編程邏輯器件FPGA、DDS和高動態寬帶DA等組成。產生中頻頻率;數字基帶模塊由信源數據產生子模塊、DSP處理子模塊、FPGA處理子模塊、數模轉換子模塊、CAN總線控制子模塊、動態加載子模塊和時鐘子模塊組成。

由信源數據產生子模塊接收由控制模塊轉發的控制信息，根據控制信息產生相關的數據信息，經由CAN總線傳送至CAN總線控制模塊，再發至DSP處理子模塊，形成依據劇情而定的數字基帶信號，FPGA處理子模塊將數字基帶信號變至中頻數字信號，傳送給數模轉換子模塊進行數模轉換形成模擬中頻信號送出。

2.2 軟總線實現系統重構

為了將各種不同類型、不同屬性的設備連接組成一個開放的系統，通信信號模擬系統采用軟總線技術。將各功能模塊通過標準的軟總線接口掛接在總線上，同時將一些通用的或者專用的功能模塊封裝起來，最終組成一個完整的應用系統。各功能模塊之間以一個公共的接口互相連接，做到各模塊的即插即用、無縫集成。各模塊接口規范是一致的，通信的復雜度大大降低。

同時，各模塊可位于不同的系統平臺，通過各自的適配器向軟總線發出請求，軟總線對其進行解釋并確定接收方的位置，向網絡層發送消息，完成通信并實現互操作。當系統需要增加功能和設備時只需設計不同的適配器就能最大限度地使用已有的軟件實現系統集成。通過CORBA中間件，應用軟件協議進行數字傳輸、交換與控制。可以將空間分布的各個單體有機地聯系成一個總體，方便實現信號的空間分布模擬［6-11］。

軟件可分為:監控軟件、劇情編輯軟件、劇情模型庫管理軟件、信號模型庫管理軟件、數據交互平臺(軟總線中間件)、接口代理和驅動模型庫軟件等部分，軟件組成如圖2所示。

圖2 軟件組成

2.3 寬頻段低雜散射頻技術實現頻域覆蓋

采用軟件無線電技術產生中頻信號，構建了開放的硬件平臺，受技術和成本的限制，在生成微波信號仍需要采用傳統的上變頻方案。通信信號模擬系統模擬衛通信號和連續波雷達信號，還兼顧靶場復雜電磁環境模擬，因此頻率覆蓋為L、S、C、X和Ku，每個頻率均為全頻段范圍。

變頻單元由頻率源、混頻器和濾波器、功率控制等單元組成，完成中頻調制信號到所要求高頻射頻信號的頻譜搬移。由于各頻段的上變頻器均是全頻段設計要求，因此低雜散輸出是變頻鏈路設計的難點。為了抑制交調信號，保證低雜散設計，上變頻器采用多次變頻及分段濾波放大的方案［12］。

作為通信靶標的發射機，要求頻率范圍寬、雜散抑制高、頻段平坦度好，發射機還具有功率保護和溫度保護等功能，防止天線被摧毀或波導故障時的反射功率燒毀發射機。因此對功率放大器的設計提出了較高的要求。考慮到靶標工作頻率范圍寬，可結合固態發射機和行波管發射機綜合考慮。

2.4 典型應用

2.4.1 在復雜電磁環境模擬中的應用

復雜電磁環境需要模擬的信號源主要包括:電子對抗模擬源、雷達信號模擬源、通信信號模擬源和光電信號模擬源等。每一類型的模擬源又由不同類型的電磁輻射源生成，組成圖如圖3所示。各個信號模擬源產生的信號要達到在空域上縱橫交錯、在時域上持續不斷、在頻域上密集重疊、在效能上隨機多變的效果，才能達到構建復雜電磁環境的目的。

通信信號模擬系統的主要功能是模擬地面衛星通信固定站信號，兼顧模擬連續波雷達信號，提供多種頻譜和調制樣式的電磁波。從圖3可以看出通信信號和雷達信號是復雜電磁環境輻射源信號模擬的重要部分。因此，通信信號模擬系統的建設是復雜電磁環境建設的重要基礎。結合其他信號模擬設備的使用，共同在復雜電磁環境建設中發揮作用。

圖3 復雜電磁環境信號模擬源組成

2.4.2 在靶場試驗和建設中的應用

通信信號模擬系統已在靶場試驗中多次使用，試驗結果表明系統滿足技術要求，為復雜電磁環境構建打下良好基礎。

通信信號模擬系統在實際布站使用時，可以單獨使用單一頻段的設備，也可組合使用幾個頻段的設備。可以產生單一干擾/衛通信號模擬、連續波雷達信號模擬，也可產生這些信號的組合信號。從布站距離上，可將各頻段的輻射源系統、天線與信號產生設備間隔幾千米布站，各個獨立設備在物理距離上可以相距較遠。

通信信號模擬系統還充分考慮到擴展應用，預留了擴展接口，可以直接將靶場現有的通信和雷達設備接入進來，進行集中控制，作為復雜電磁環境信號產生的真實模擬源，既解決了各個獨立系統的煙囪式結構，還可以將一些退役的通信和雷達設備變廢為寶，進行集中統一控制，在復雜電磁環境模擬中發揮作用。

3 結束語

通信信號模擬系統為靶場測試試驗提供了衛星通信信號和連續波雷達模擬信號，同時采用軟件無線電技術、軟總線技術和寬頻段低雜散射頻技術，在時域、空域和頻譜特性域(頻率、幅度、調制方式和功率等)等方面到達可控動態變化的要求，對于靶場復雜電磁環境模擬提供了技術基礎。該系統已經在靶場試驗中多次使用，滿足試驗要求，下一步還可在頻段擴展、雷達誘餌等方面進一步做工作。

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