一種基于AV1443矢量信號源的雷達信號發生系統設計方法

劉舉 劉志林 費曰振 郝露華

摘? 要：基于虛擬儀器技術，提出了一種通用的模擬雷達信號發生系統，使用Python語言設計控制程序控制AV1443矢量信號源，利用MATLAB仿真各類雷達信號得到相應的數據后，通過LAN網絡將信號寫入AV1443信號源中進行播放，實現雷達信號的產生，并通過一個具體示例展示該雷達信號發生系統的應用。該設計形式對于雷達信號模擬器模塊化設計具有很好的借鑒意義。

關鍵詞：虛擬儀器;雷達信號模擬;矢量信號源;復合調制

Abstract：Based on the virtual instrument technology，a general analog radar signal generating system is proposed. The control program is designed with Python language to control the AV1443 vector signal source. After simulating various radar signals with MATLAB，the corresponding data is obtained，and the signal is written into the AV1443 signal source through LAN network for playback，so as to realize the generation of radar signal with a specific example shows the application of the radar signal generating system. This design form has a good reference for the modular design of radar signal simulator.

Keywords：virtual instrument;radar signal simulation;vector signal source;composite modulation

0? 引? 言

現如今，雷達對抗裝備在現代戰爭中是奪取戰爭勝利的關鍵因素之一，各國不斷地投入資金和人力來研究、制造各種性能更加先進的雷達及雷達對抗裝備。隨著技術的不斷發展，雷達及雷達對抗裝備普遍具有工作頻帶寬、信號樣式復雜和信號處理方法先進等特點，它們在戰場中成體系的運用和對抗使得戰場電磁環境日益復雜。在電子對抗中，雷達經常會作為輻射源使用，而不同的對抗環境對輻射源的要求差別較大，因此，一套能適應多種對抗環境的雷達信號發生系統具有很高的實用價值。本套系統的主要儀器AV1443矢量信號源由中國電子科技集團公司第四十一研究所提供，具有頻帶寬、信號樣式豐富、精度高和可擴展等優點，能滿足產生各種復雜雷達信號的需求。本單位根據實際對抗需要，設計了一套遠控軟件，使其能夠產生所需的雷達信號，從而應用于多個對抗場景中。

1? 設計原理

首先對需要產生的雷達脈沖信號進行編碼，“1”表示高電平，“0”表示低電平，根據典型雷達信號樣式，可設定每位編碼代表脈寬為0.05 μs。信號樣式編碼后，利用計算機程序計算出相應的I/Q數據，然后經過Simulink仿真、重采樣和濾波后，輸入到AV1443矢量信號源，其D/A模塊將數字信號轉換為I/Q兩路基帶模擬信號輸出，其I/Q調制模塊則對I/Q兩路基帶信號進行正交載波的調制，將信號中心頻率搬移至所需頻段，最后輸出雷達信號[1，2]。

在系統構成上，利用脈沖信號源、AV1443矢量信號發生器作為硬件平臺，利用標準的I/O函數庫NI-VISA作為控制接口，基于Python 3.7語言的進行控制軟件開發，由控制軟件調用MATLAB仿真計算得到的外部I/Q數據，通過LAN網絡寫入AV1443矢量信號源的I/Q存儲器，由信號源發出真實的雷達信號。

1.1? 系統硬件結構設計

基于AV1443矢量信號源的雷達信號發生系統連接圖如圖1所示。用一臺性能較好的臺式機作為雷達基帶信號的產生器，利用MATLAB強大的計算功能和Simulink仿真模塊，完成基帶或中頻模擬信號的計算和輸出，送入AV1443矢量信號源后經過載頻調制后輸出射頻信號。其主要的工作過程如下：在工控機控制界面上設置雷達信號的相關參數，通過網絡傳輸給信號仿真機，信號仿真機通過對相應參數進行計算，得到基帶信號I/Q數據后，通知工控機數據計算完成，工控機通過調用信號仿真機的計算結果，將結果寫入AV1443矢量信號源，待結果寫入完成后，工控機調用程控播放功能，結合脈沖發生器的控制，使AV1443矢量信號源產生射頻輸出信號。

1.2? 控制軟件的設計

系統的軟件組成如圖2所示。基于Python語言的軟件開發環境配置的Python版本號為3.7。開發工具有Anaconda3、PyQt5、PyCharm、NI-VISA1800、NI-VXI1600，其中Anaconda3是集成工具包，PyQt5是圖像界面開發工具包，PyCharm是一款Python集成開發工具，NI-VISA1800是美國國家儀器公司開發的一種屏蔽了底層硬件異質性的標準的I/O函數庫。在開發過程中，可以充分利用Python語言簡潔易懂、圖形化用戶界面編寫容易的特點進行用戶界面的開發。Simulink是MATLAB中一種可視化仿真工具，利用其操作簡單、功能強大的特點，可實現動態建模、仿真和分析，本系統中Simulink就用于基帶信號的建模和計算，最終得到我們需要的中頻數據。

1.3? 基于驅動程序的信號源控制模塊設計

信號源的I/O函數庫是實現儀器功能的控制函數和參數的集合，信號源在出廠時附帶了相應的驅動程序。為兼顧控制軟件的通用性，本系統采用一種標準化的NI-VISA函數庫作為系統的驅動程序。遠控軟件建立在信號源驅動程序之上，用戶通過主控軟件設置信號參數，參數通過調用I/O函數庫的指令形式發送至信號源，完成遠程控制信號源產生雷達信號的任務[2]。本系統軟件控制的流程如圖3所示。

系統軟件的主要功能是初始化儀器、生成并讀取波形文件以及對相參、時鐘、輸出功率、觸發源、中心頻率等參數的設置。其中，波形回放功能在任意波的產生中起著至關重要的作用，它能通過調用波形發生器驅動程序的函數，對txt和WAV等格式的波形文件進行回放。因此，用戶只需編輯波形文件的數據，然后通過波形回放功能即可產生所需的任意波。

2? 對一種復合調制雷達信號的模擬與分析

利用本文設計的雷達信號產生系統可以生成復合調制信號，對該復合調制信號模型進行Simulink仿真后，可以將得到的信號數據送入AV1443矢量信號發生器進行播放，向外發射真實的復合調制信號，為進一步研究這類雷達信號特性提供真實場景。

以常見的線性調頻信號和相位編碼信號為例，來研究這兩種信號復合調制后的信號特性。線性調頻信號的復數表達式為：

由仿真結果可以看出，無論是在時域上還是頻域上，復合調制信號都結合了兩種單一調制信號的優點。

線性調頻信號的帶寬較大，進行脈壓處理后有較大的輸出旁瓣，但其匹配濾波器對回波信號的多普勒頻移不敏感，因此線性調頻信號主要適用于多普勒頻率變化范圍較大且對旁瓣要求不高的場合;相位編碼信號則具有很強的時延和多普勒分辨能力，且較容易實現波形捷變，但當回波信號的多普勒頻移與匹配濾波器失諧時，無法實現脈沖壓縮的功能，因此相位編碼信號主要適用于目標多普勒頻率變化不大的場合[3]。復合調制信號將會綜合兩者的優點，在多普勒頻移較大的時候仍然具有較強的旁瓣抑制能力，這樣就能提升雷達探測目標信號的能力。

3? 結? 論

本文設計了基于AV1443矢量信號源的雷達信號產生系統，該系統與通常的雷達信號系統相比主要有以下幾個優點：

一是通用性，該系統能根據用戶需要設置信號的輸出功率、中心頻率和調制方式等參數，且能實現全頻帶帶寬覆蓋。

二是能通過軟件定義系統功能，系統升級更加方便，容易集成其他功能模塊（如功放、發射分系統等）到系統中，擴充系統功能。

三是在雷達研發和試驗階段的測試中能有效利用矢量信號源，降低了開發成本。

參考文獻：

[1] 徐梅.基于儀表的多通道雷達信號模擬器研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[2] 張艷艷.雷達相位編碼信號的研究和應用 [D].西安：西安交通大學，2007.

[3] 皇甫堪，陳建文，樓生強.現代數字信號處理 [M].北京：電子工業出版社，2003.

作者簡介：劉舉（1994—），男，漢族，湖北仙桃人，技術人員，助理工程師，學士學位，本科，研究方向：雷達對抗。