通用電磁環境信號模擬儀器設計與實現

楊　靜,張清原,黃　真

(北京理工大學 信息與電子學院,北京 100081)

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通用電磁環境信號模擬儀器設計與實現

楊靜,張清原,黃真

(北京理工大學 信息與電子學院,北京 100081)

摘要:針對電磁信號環境的特點,基于計算和實時回放思想,設計實現了一種通用的電磁環境信號模擬儀器,解決了信號建模、多部輻射源交錯脈沖流信號產生、大容量緩存空間開辟管理等問題。測試結果表明，所開發儀器功能正確,并在軟硬件方面均具有較好可擴展性,可以滿足教學和科研活動對復雜電磁信號環境模擬儀器的需求。

關鍵詞:電磁環境;信號模擬;疊加脈沖;固定幀長

現在的電磁信號環境越來越復雜。一方面是輻射源的數量多、分布密度大,導致輻射源在空域和參數域(包含頻域)上擁擠,時域上重疊,信號同時到達概率增加,脈沖重疊幾率增大。另一方面是隨著信號產生技術和處理技術的發展,一部輻射源往往能夠根據需要,改變發射信號的載頻或其他調制參數,盡量破壞信號的規律性,導致輻射源信號調制復雜,參數多變、快變[1]。上述原因使得電磁信號環境一般復雜多變、信號波形種類多、信號形式和頻率變換快、總體無重復規律,因此采用固定的信號產生方法,很難產生該類復雜信號。電子信息專業的實驗教學和電子信息設備的開發、調試、測試經常需要能夠模擬電磁環境信號的信號源。

在標準儀器實現信號模擬方面[2-3],Tektronix的高端任意波形發生器AWG7122C具備9.6 GHz的射頻輸出能力,并且信號帶寬可達5.6 GHz,信號的轉換率最高可達24 GS/s,它配合信號生成軟件RFXpress可以模擬通信信號、雷達信號和環境信號,但是該信號發生器的存儲容量最大只有64 MB點,所以在最高轉換率時,只能模擬267 μs的信號,若想長時間模擬只能重復播放,難以真實模擬信號環境的整個歷程。Agilent的高端信號發生器E8257D具備20 GHz的射頻輸出能力,它配合信號生成軟件Signal Studio可以模擬通信信號、GPS導航信號和脈沖信號。標準儀器搭建環境信號模擬平臺,存在相應局限性,研制新型的寬帶長時間復雜電磁環境信號模擬儀是必要的。

筆者針對電磁信號環境的特點,采用預存信號數字數據回放方式,設計實現了一種通用的電磁環境信號模擬儀器,并完成了功能測試,證明了該儀器的通用性和可擴展性。

1信號模擬儀參數及系統架構設計

1.1信號模擬儀參數設計

根據教學和科研的使用要求,同時考慮到擴展性,信號模擬儀主要參數設計指標為:

1) 模擬信號通道數:輸出信號通道數1;

2) 信號帶寬范圍: 50 MHz ～200 MHz;

3) 輸出信號動態:30～60 dB;

4) 輻射源數量: 可設;

5) 回放數據存儲容量:384 GB .

1.2系統架構設計

環境信號綜合模擬儀信號產生的原理和過程如圖1所示[4],系統組成包括:回放信號數據仿真計算

機、大容量數據緩存、DAC等模塊?；胤判盘枖祿抡嬗嬎銠C主要根據人機界面設置產生各種情況下回放的數字信號數據;大容量數據緩存模塊緩存待回放數據,以便高速回放;DAC模塊完成數模轉換,實現回放信號輸出。

圖1　系統組成原理框圖Fig.1　Diagram of the Simulation System

系統首先由人機界面設置需要仿真模擬信號的參數,上位機計算產生仿真數字信號數據,形成數據文件,然后加載數字信號數據至NAND存儲板,最后選擇回放記錄,DAC板讀取存儲板數據,進行數模轉換輸出,上述架構實現的信號源模擬設備具有以下特點:

1) 復雜電磁信號環境模擬,可產生數量眾多、信號重疊交錯、多種類電子設備的信號環境；

2) 覆蓋捷變頻帶寬,模擬時間較長；

3) 回放信號數據可任意仿真和實驗產生。

上位機軟件作為電子環境信號模擬設備的數字信號計算產生軟件部分,運行在CPCI主機板上,主要完成系統人機交互(系統顯控)、回放數字信號數據仿真生成、數據存儲、信號播放等功能,上位機軟件的功能設計如圖2所示。

圖2　電子模擬信號設備軟件結構圖Fig.2　Software Structure of the Simulator

上位機軟件的主要工作流程如下所示:

1) 由人機界面設置需要仿真模擬信號的參數；

2) 上位機計算產生仿真數字信號數據,形成數據文件；

3) 加載數字信號數據至NAND存儲板；

4) 最后選擇回放記錄,DAC板讀取存儲板數據,進行數模轉換輸出。

2硬件平臺構建

圖3　系統組成原理框圖Fig.3　Hardware Structure of the Simulator

環境信號綜合模擬儀組成及數據控制流關系如圖3。所有板卡集成在一個標準的CPCI機箱中,主機板完成設備人機交互、回放數字信號數據仿真生成、數據下載等功能;存儲板存儲仿真計算的或采集

的數字信號數據;DAC板完成DUC和數模轉換功能;時鐘時序板產生DAC回放時鐘、回放啟動、回放同步等時序信號;輔助數據接口板以串行接口或并行接口方式輸出與回放信號相關的輔助控制狀態信號,或接收用戶系統命令和參數控制[5]。

儀器硬件中的最主要兩個模塊是NAND存儲板和高速DAC回放板。經過系統參數論證,最終采購商業通用板卡R9-DRFM-D1200(雙通道1.2 G SPS DAC板)和R9-MEM-384G(NAND存儲板),完成硬件平臺搭建。

3軟件功能設計

3.1主要數據結構

數字信號計算和產生軟件是本儀器的核心功能程序,其回放信號數據文件生成流程圖如圖4所示。

圖4　回放信號數據文件生成流程圖Fig.4　Generation of Playing-Back Signal Data File

數據結構的合理設計是一個系統軟件算法高效實現的保證。數字信號計算和產生軟件是本設備的核心功能程序,與模擬儀器的基本功能和總體工作流程相對應的各階段數據結構如圖5所示。

圖5　數字信號計算產生軟件中的數據結構總體概況Fig.5　Data Structures in Digital Signal Calculation and Generation

以雷達輻射源為例,雷達通常發射的是脈沖序列信號,每個脈沖信號的發射時刻和波形參數都有可能快速變化,對于給定的仿真時間,不同的雷達參數使得其對應的脈沖信號到達時間[6-7](TOA，Time of Arrival)節點信息序列所包含脈沖個數是不能預知的,所以TOA結點信息序列的長度也是不能預知的;另一方面,多部雷達脈沖信號序列重合交疊又會帶來脈沖序列的交錯穿插,這就要求單部雷達的TOA信息序列具有靈活刪節、添加等特性。

模擬儀器選用了一維單向鏈表的結構表示TOA結點信息序列。單向鏈表中的每個結點包括兩個域,數據域存儲數據元素的信息;存儲指針域直接存儲后繼存放位置的地址[8-9]。一維單線鏈表的組成和基本操作示意圖如圖6所示。

圖6　單向鏈表示意圖Fig.6　Sketch of One-Way Linked List

采用一維單向鏈表構建TOA節點信息序列,避免了按照最大值開辟空間帶來的空間冗余的問題。當得到一部發射脈沖信號的雷達輻射源每一個對應的TOA信息節點,以一維單向鏈表結構形式鏈接起來后,即構成最終所需的雷達TOA節點信息序列TOA-List,并且很方便實現后面多輻射源脈沖信號序列的合并與拆分。對應的鏈表插入和刪除兩項基本操作如圖7所示。

a-在單向鏈表插入一個結點;b-在單向鏈表刪除一個結點圖7　單向鏈表插入和刪除操作示意圖(a) Insert Operation;(b) Delete OperationFig.7　Insert and Delete Operations of One Way Linked List

3.2基于固定幀長的波形數據文件產生

3.2.1疊加擴展脈沖的概念

當有多部發射脈沖信號的輻射源同時存在時,同一時刻可能出現多個脈沖的情形,即存在脈沖重疊情況。具體波形數據生成時,可以考慮把有重疊情況的若干個脈沖拼接成一個大的脈沖,按照“疊加擴展脈沖”進行處理。擴展脈沖的每一時刻數據是實際上疊加脈沖在同一時刻的疊加,起始時間(POS:Position of Start)為所有疊加脈沖前沿到達時間最小值,結束時間(POE:Position of End)所有疊加脈沖后沿到達時間最大值,疊加擴展脈沖的合成時間參量關系如圖8所示。

圖8　疊加擴展脈沖示意圖Fig.8　Diagram of Superimposed Extended Pulse

按照上述思路生成疊加擴展脈沖的波形數據后一次下載,可以簡化數據產生流程,也可以在設備脈沖存儲時,大大降低對存儲空間的需求。

3.2.2固定長度的波形數據產生

為了盡量縮短生成數據所需要的時間,保證較快的運行速度,波形緩存應該存放在內存中。但對于脈沖流密度及輻射源脈沖參數非常復雜的模擬場景中,存在疊加脈沖時間持續時長甚至超過內存容量的情況。當出現如圖9所示的疊加擴展脈沖寬度很大時,可能因為無法開辟相應大小的內存空間,導致無法生成數據。

圖9　疊加擴展脈沖超出最大內存空間限制Fig.9　Extended Pulse with a Length Exceeding Maximum Memory

為解決有限的內存空間資源與較長疊加擴展脈沖之間的矛盾,引入了固定長度的波形數據產生幀概念,通過分幀處理實現超長疊加擴展脈沖的產生。分幀處理就是當疊加擴展脈沖的長度超過設置的波形數據產生幀的幀長Tc時,將疊加擴展脈沖按Tc長度進行分段截斷,在內存中按照設定幀長Tc大小開辟緩存空間,對應得到一幀的數據后,將其下載存儲后再進行下一幀數據的產生處理,直到整個疊加擴展脈沖處理完畢,實現過程示意如圖10所示。

圖10　分幀處理的方法Fig.10　Framing Processing Method

因為分段幀長Tc可根據能開辟的內存空間的大小適當選取,所以可以在保證運行速度的情況下減小對內存的需求。

3.2.3連續波形的產生

上述脈沖存儲波形數據產生思路和具體方法可以很容易將其修改適用于連續波形數據的產生,主要考慮以下幾個問題:

1) 每一幀都是固定幀長的數據產生過程;

2) 每一幀的POS，POE數值與可能存在的輻射源脈沖信號無關,只與當前幀與仿真起始時刻相對時間有關。

如模擬場景設置中包含有連續波信號(如通信信號)時,只要不斷按照當前幀頭對應的POS時刻和固定幀長Tc,分別調用相應的連續波信號波形產生函數來實現,最后將具體生成的波形數據與已經完成的數據緩存幀中的脈沖信號進行疊加,完成這一幀數據合成即可。

圖11　通信信號波形數據文件產生圖示Fig.11　Data File Generation of Communication Signal

3.3軟件界面設計

系統主控界面主要包括存儲寫入、數據擦除、壞塊查詢、數據回讀、數據回放、網絡設置6個部分,場景設置功能和輻射源管理功能是2項主要功能[10]。

3.3.1場景設置功能

該功能設置雷達輻射源、通信輻射源,疊加噪聲源的參數信息,并最終生成數據文件,該文件用來存入存儲板。場景設置控制界面分為左右2個大區域,左邊是場景設置及查詢功能區,包括場景總體參數設置,雷達輻射源設置,通信輻射源設置,信息數據圖示,場景查詢5個子界面;右邊是場景數據生成的控制命令和狀態顯示區。

3.3.2輻射源集管理

輻射源集是指用于描述雷達輻射源和通信輻射源的功能、特性等參數的集合。輻射源集可作為場景設置中輻射源的備選庫,也可以將場景中新設置的輻射源加入到輻射源集。具體操作包括對輻射源集中所有的輻射源提供查詢和刪除功能。

4功能測試驗證

測試系統用于測量環境信號綜合模擬儀的功能和指標,環境信號綜合模擬儀的輸出信號接入帶有數字示波器,可以讀取產生波形的時頻域參數并記錄,與設置值進行比較以判斷信號產生是否正確;也可以利用示波器進行波形采集并存儲成文件[11]。

4.1脈沖跨處理幀長測試

設置脈沖寬度大于設定處理幀長的一種脈沖波形,生成相應回放信號數據文件,下載后進行回放。在示波器上單次觸發模式觀測產生信號波形內部是否連續、正確。如果回放脈沖信號分幀處理后與數字產生脈沖波形一致,則脈沖寬度跨處理幀長的實現正確。

表1　跨幀處理測試用基本參數列表

將示波器保持的部分數據導出到Matlab中分析。

兩個脈沖之間PRT為0.02 μs,信號載頻為50 MHz .從圖12中可以看出,示波器采樣得到的信號

圖12　脈沖跨處理幀長Matlab分析Fig.12　Matlab analysis of framing processing results

自440 μs處開始有效。在3 440 μs處達到數據處理幀長,觀測3 440 μs處的數據,檢測信號拼接完整。示波器與MATLAB分析得到的PRT與PW分別為5 000 μs,4 000 μs .脈內載頻信息為50 MHz .在處理幀長分開兩幀數據處,數據拼接完整。

4.2疊加噪聲的雷達通信同時發射信號測試

該測試主要體現在連續存儲模式下,雷達信號和通信信號同時存在且疊加噪聲時,能否正確進行疊加生成相應的波形,噪聲是否能連續疊加在產生的信號中[12]。

雷達信號設置一部雷達單個波形,通信信號設置一部通信,參數按照下表所列測試參數。

將噪聲功率設置為-20 dBm .然后生成相應回放信號數據文件,下載后進行回放。在示波器上觀測產生信號,并將相應信號保存為數據文件,利用Matlab分析信號。

從圖13-a可以看出脈寬為10 μs,PRT為50 μs；13-b可以看出載波周期為0.02 μs,載頻為50 MHz；圖13-c中的115.1～116.1 μs是雷達信號關閉期間,此時只存在ASK與噪聲,可以看到純噪聲與疊加噪聲的通信信號;此時每個ASK信號含有2的整數倍個正弦載波,基帶寬度如圖0.08 μs,則載波周期0.04 μs,載波頻率為25 MHz .圖13-d中的98.3～98.9 μs是雷達信號發射期間,此時存在雷達、ASK與噪聲,可以看到雷達信號加噪聲,雷達與ASK疊加噪聲信號。回放信號的相應參數與設置一致,噪聲能夠連續疊加在產生的信號中,功能實現正確。

表2　疊加噪聲的雷達與通信信號同時發射測試結果記錄

5結束語

針對教學和科研中對復雜電磁信號環境模擬儀器的需求,通過各類信號的建模、鏈表構建脈沖序列解決多部輻射源脈沖流交錯產生問題、固定幀長處理方式解決了大容量緩存空間開辟等難點,設計實現了一款基于計算和實時回放的電磁環境信號綜合模擬儀。通過測試證明了開發儀器功能的正確性,并且在軟硬件方面均具有較好的可擴展性。完成的綜合模擬儀可以在信號處理課程實驗中用于各類實際信號的模擬和演示,增強學生對各類電磁信號時頻特征的感性認識;在電磁環境監測分析等科研項目中用于各類不同信號密度要求的測試信號產生,支持研制設備的功能調試和性能測試。

a-雷達脈寬與PRT觀測;b-雷達載頻觀測;c-疊加觀測;d-疊加觀測圖13　疊加噪聲的雷達通信同時發射信號的Matlab分析Fig.13　Matlab analysis of transmitted radar & communication signal(Noise Added)

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(編輯：劉笑達)

Design and Implementation of General-Purpose Environmental Signal Simulation Device

YANG Jing,ZHANG Qinqyuan,HUANG Zhen

(SchoolofInformationandElectronics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081，China)

Abstract:Modern electromagnetic signal environment has some common features,such as complex and variable, multiple types, fast transition in waveform and frequencies. Aimed at all the key problems above, this paper designs and implements one kind of general-purpose environmental signal simulation device by using the architecture of computation in advance and playback in real time applications. The given test results show that the device can function properly in corresponding signal generation and has good expansibility in both hardware and software aspects.It can meet the requirements for environmental signal simulation in teaching and researching.

Key words:electromagnetic environment;signal simulation;overlapped pulses;fixed length frame

文章編號:1007-9432(2016)02-0200-07

*收稿日期：2015-08-21

基金項目：國家自然科學基金資助項目：空間監視網傳感器高效調度關鍵技術研究(61401024)

作者簡介：楊靜(1977-)，女，山西五臺人，博士，實驗師，主要從事信號與信息處理研究，(E-mail)yang_jing@bit.edu.cn

中圖分類號:TP301

文獻標識碼:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.02.015