基于DSP 與FPGA 的LPI 輻射源信號仿真系統(tǒng)

劉冬利，蘭 慧

(海軍大連艦艇學(xué)院 信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018)

0 引 言

在對艦艇電子偵察設(shè)備進行性能測試時，需要提供逼真、多頻段、多樣式的LPI 輻射源信號環(huán)境。依賴仿真技術(shù)提供復(fù)雜多變的輻射源信號環(huán)境，因其成本低、重復(fù)性好的優(yōu)點而廣受關(guān)注。現(xiàn)有的LPI 輻射源信號仿真多采用信號級仿真，利用軟件仿真方式，將信號從中頻注入艦艇電子偵察設(shè)備。由于此方法產(chǎn)生的輻射源信號單一，無法在射頻端對艦艇電子偵察設(shè)備性能進行測試，且在仿真過程只考慮了輻射源雷達天線的增益，而忽略天線波束掃描對輻射源信號功率帶來的影響，導(dǎo)致無法模擬輻射源信號的動態(tài)變化過程，信號逼真度不夠，影響了檢測的全面性和真實性。因此，本文基于DSP 與FPGA 技術(shù)，采用半實物仿真的方法，設(shè)計了能夠靈活產(chǎn)生多種調(diào)制樣式的LPI 輻射源信號仿真系統(tǒng)。

1 LPI 輻射源信號仿真系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于系統(tǒng)要快速產(chǎn)生多種樣式輻射源信號，運算量大，實時處理能力要求高，具備一定的靈活性和通用性，因此采用Ti 公司的TMS320C6678型DSP 芯片，該芯片具有高性能體系結(jié)構(gòu)，具有高運算精度、低功耗、低電壓的特點，能對功率進行動態(tài)管理，再搭載ALTERA 公司的FPGA 芯片，以及AD 公司的AD9129 芯片共同組成寬帶DDS 電路，控制并生成多種調(diào)制樣式的基帶信號。

圖1 系統(tǒng)硬件模塊化框圖Fig.1 Block diagram of system hardware

1.1 主控單元

主控單元主要實現(xiàn)系統(tǒng)工作模式設(shè)置、參數(shù)配置、運行控制及工作狀態(tài)監(jiān)控等功能，為用戶提供友好的人機交互界面，通過人機交互界面設(shè)置輻射源信號參數(shù)，包括輻射源類型、信號調(diào)制樣式、工作頻率等參數(shù)。通過PCIE 總線將信號參數(shù)傳送到輻射源信號產(chǎn)生單元，控制輻射源信號的生成。

1.2 輻射源信號產(chǎn)生單元

輻射源信號產(chǎn)生單元主要由DSP、FPGA、高速D/A 以及存儲電路構(gòu)成，主要完成基帶信號的生成，如圖2 所示。

圖2 輻射源信號產(chǎn)生單元組成框圖Fig.2 Block diagram of radar emitter signals generation unit

DSP 接收主控單元傳送來的信號描述參數(shù)，生成脈沖控制字，然后將脈沖控制字發(fā)送到SDRAM 進行存儲。除此之外，DSP 還完成配置時鐘芯片、配置數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片及自檢等任務(wù)。FPGA 主要負責(zé)邏輯組合、時序控制，在上一個脈沖信號的脈沖重復(fù)間隔時間到來時，從RAM 中讀取脈沖控制字，并利用DDS模塊產(chǎn)生帶寬大于300 MHz 的基帶信號，包括常規(guī)脈沖、重頻參差、線性調(diào)頻、相位編碼、脈間頻率捷變、脈組頻率捷變等基帶信號，然后通過高速D/A 轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號。在脈沖信號產(chǎn)生后，F(xiàn)PGA 將發(fā)送下一次中斷給DSP。FPGA 還根據(jù)脈沖描述字，計算生成本振頻率控制碼、功放碼和衰減控制碼，控制輻射源信號的上變頻和功率放大。

1.3 標頻電路

標頻電路由高穩(wěn)定/低相噪100 MHz 晶振、分路器、諧波產(chǎn)生器、濾波器及放大器組成，為系統(tǒng)提供頻率源基準信號和系統(tǒng)時鐘信號。晶振選用相位噪聲為?150 dBc/Hz@1 kHz、穩(wěn)定度為10?7量級的高性能100 MHz 晶振。晶振輸出信號通過分路器后分為兩路，一路送往上變頻電路做為上變頻本振單元的基準信號，另一路通過諧波產(chǎn)生器，產(chǎn)生1 GHz 的時鐘信號作為系統(tǒng)時鐘信號。

1.4 本振及上變頻電路

本振及上變頻電路由PPL 頻率合成器、混頻器、開關(guān)濾波器組和匹配放大器組成。PLL 頻率合成器接收標頻電路提供的100 MHz 基準信號，在頻率控制碼的控制下倍頻產(chǎn)生混頻器所需的本振信號。基帶信號通過濾波放大器濾除掉雜散頻率分量后在混頻器與本振信號進行混頻。由于基帶信號的中心頻率只有1.25 GHz，而變頻后的信號要求覆蓋2 GHz，為提高信號質(zhì)量，在混頻器后采用開關(guān)濾波器組的方式進行濾波處理，匹配放大器將射頻信號放大至高功率放大模塊所需的輸入功率電平。

1.5 高功率放大模塊

高功率放大模塊由放大器、程控衰減器、推動放大器和功率放大器組成。高功率放大模塊主要對射頻信號進行功率放大。程控衰減器由6 bit 程控衰減器來實現(xiàn)，衰減步進為0.5 dB，總衰減量達31.5 dB，根據(jù)衰減控制碼控制射頻信號的輸出功率，實現(xiàn)天線掃描調(diào)制。考慮設(shè)備小型化和電路性質(zhì)，功率放大器采用GaAs 寬帶MMIC 固態(tài)功放實現(xiàn)，輸出功率Po≥ 40 dBm。固態(tài)功放設(shè)計有電源調(diào)制功能，受功放碼控制，當(dāng)有信號輸入時才提供電源，從而減小固態(tài)功放的加電時間，降低固態(tài)功放的工作占空比。

2 LPI 輻射源信號仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 信號波形模型

2.1.1 固定載頻信號

固定載頻信號的載頻在一個脈沖重復(fù)周期內(nèi)保持不變，其數(shù)學(xué)表達式為：

2.1.2 線性調(diào)頻信號

線性調(diào)頻信號具有大時寬帶寬積，具備良好的距離分辨力和較遠探測距離。信號載頻隨時間可以做正斜率線性增大和負斜率線性減小。其數(shù)學(xué)表達式為：

2.1.3 相位編碼信號

相位編碼信號是將大時寬脈沖劃分為數(shù)個窄子脈沖，每個子脈沖有相同的時間寬度且子脈沖間載頻的相位按一定規(guī)律進行調(diào)制，其數(shù)學(xué)表達式為：

其中： φ(t) 為相位調(diào)制函數(shù)； a (t)為幅度調(diào)制函數(shù)；f0為載頻。相位編碼信號一般分為二相編碼和多相編碼，本系統(tǒng)選取最常用的二相編碼進行研究。二相編碼指 φ (t)取 值只 能為0 或 者π。

2.2 PA 模型

輻射源在運動的過程中，艦艇電子偵察設(shè)備接收到的輻射源信號功率不是固定不變，而是隨著輻射源與艦艇電子偵察設(shè)備的相對位置及輻射源雷達天線掃描而發(fā)生變化。因此，要模擬真實的輻射源信號，需要對輻射源信號功率建立精確的數(shù)學(xué)模型。

2.2.1 距離模型

輻射源在運動過程，輻射源與艦艇電子偵察設(shè)備間的距離 R (t)隨著時間變化，其數(shù)學(xué)表達式為：

其中： R0為輻射源與艦艇電子偵察設(shè)備的初始距離；v為輻射源的運動速度。

2.2.2 天線方向圖模型

LPI 輻射源主要采用單脈沖體制，天線和波束用于發(fā)現(xiàn)、觀察和跟蹤目標，因此在對天線方向圖進行模擬時，只考慮和波束。采用與和波束形狀相似的辛克函數(shù)來模擬，其數(shù)學(xué)表達式為：

其中： k 為比例系數(shù)； θ為艦艇電子偵察設(shè)備與輻射源雷達天線波束軸的夾角； θ0為天線零功率波束寬度。

輻射源在跟蹤狀態(tài)時，天線波束正對艦艇電子偵察設(shè)備，此時 F(θ)=1；在搜索狀態(tài)時，天線波束在一定范圍內(nèi)進行掃描， F(θ)為一變化值。當(dāng)艦艇電子偵察設(shè)備在天線主波束照射范圍內(nèi)，艦艇電子偵察設(shè)備接收到的是天線主瓣輻射的信號，而其他時刻接收的是副瓣輻射的信號。從而當(dāng)輻射源工作在搜索狀態(tài)時，在一個天線掃描周期內(nèi)，天線的方向圖函數(shù)可以分段表示為如下形式：

其中： θmax為 波束掃描的最大張角； ω為天線波束水平掃描速度； Q為第一副瓣電平。

2.2.3 信號幅度衰減模型

根據(jù)偵察作用距離方程，在艦艇電子偵察設(shè)備處接收到的輻射源信號功率密度為：

其中： Pd為輻射源雷達發(fā)射功率； Gd為輻射源雷達天線增益； F(θ)為 歸一化天線方向圖函數(shù)； L為電磁波大氣傳播衰減損耗。

則輻射源信號的總衰減值為：

其中： Ps為系統(tǒng)射頻輸出信號的最大有效功率； Gs為系統(tǒng)輻射天線的增益； R模為系統(tǒng)與艦艇電子偵察設(shè)備的距離。A定由輻射源信號仿真初始值決定，其值在信號生成過程中不會發(fā)生變化，因此只需計算天線方向圖 F(θ)和輻射源與艦艇電子偵察設(shè)備的相對位置 R(t) ，將 AdB轉(zhuǎn)化為6 bit 衰減控制碼就可以控制信號輸出功率，從而動態(tài)模擬出輻射源運動過程，大大減少系統(tǒng)運算量，提高了實時性。

3 試驗與仿真結(jié)果

以某艦載輻射源信號為例，對基于DSP 與FPGA 的LPI 輻射源信號仿真系統(tǒng)進行性能測試，信號參數(shù)如表1 所示，測試結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

用頻譜分析儀和示波器對系統(tǒng)產(chǎn)生信號進行測量，測得信號中心頻率為9.50 GHz，帶寬為10 MHz，信號的重復(fù)周期為500 μs，測量結(jié)果與設(shè)置的信號參數(shù)一致，系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射源信號滿足指標要求，驗證了方案的可行性。

表1 某艦載輻射源信號參數(shù)列表Tab.1 Parameter of an shipborne radar emitter signal

圖3 線性調(diào)頻信號頻譜圖Fig.3 Spectrum of LFM signal

圖4 線性調(diào)頻信號脈沖寬度時域圖Fig.4 Time domain plot of LFM signal

以某艦載反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達信號參數(shù)為例，對輻射源信號的逼真度進行仿真比較。信號參數(shù)如表2所示，比較結(jié)果如圖5 所示。

可以看出，系統(tǒng)產(chǎn)生的反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)輻射源信號能夠模擬出反艦導(dǎo)彈搜索目標和跟蹤目標過程中信號功率的變化，對輻射源信號進行動態(tài)模擬，信號逼真度高，為艦艇電子偵察設(shè)備識別信號行為特征性能檢測提供高逼真度的信號環(huán)境。

表2 某艦載反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達參數(shù)列表Tab.2 Parameter of an antiship missle radar emitter signal

圖5 某艦載反艦導(dǎo)彈輻射源信號功率動態(tài)變化對比Fig.5 Comparison of radar emitter signal power

4 結(jié) 語

本文基于DSP 與FPGA 技術(shù)，設(shè)計LPI 輻射源信號仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)采用硬件與軟件結(jié)合的方式生成不同平臺不同調(diào)制形式的LPI 射頻輻射源信號，動態(tài)模擬輻射源搜索目標和跟蹤目標的運動過程。相較于傳統(tǒng)LPI 輻射源信號仿真系統(tǒng)，本系統(tǒng)模擬的LPI 輻射源信號逼真度高，設(shè)備運算快，實時性高，效費比低，能夠為艦艇電子偵察設(shè)備性能及功能檢測提供可靠的輻射源信號環(huán)境。