基于矢量信號(hào)源的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李文海 王洪春 劉 勇 文天柱

（海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）

1 引言

雷達(dá)告警設(shè)備主要由天線、接收機(jī)、處理器、顯示器和控制面板等組成。在實(shí)際的使用過程中，頻繁出現(xiàn)虛警、漏警、誤警等問題，嚴(yán)重干擾了指揮員對(duì)威脅態(tài)勢(shì)的正確判斷，導(dǎo)致對(duì)雷達(dá)告警設(shè)備產(chǎn)生了一定程度的不信任。現(xiàn)階段，雷達(dá)告警設(shè)備的檢測主要依靠模擬真實(shí)戰(zhàn)場環(huán)境下的雷達(dá)信號(hào)，然后通過空間輻射的方法將信號(hào)發(fā)送到告警天線陣或通過直接饋入方式將射頻信號(hào)送雷達(dá)告警接收機(jī)前端，以驗(yàn)證其實(shí)際作戰(zhàn)效能［1～3］。隨著各種新體制雷達(dá)相繼問世，平臺(tái)所處的信號(hào)環(huán)境日益復(fù)雜，急需一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，能夠仿真多種雷達(dá)信號(hào)的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，以達(dá)到驗(yàn)證雷達(dá)告警設(shè)備性能的目的。

測試所需能產(chǎn)生多種雷達(dá)信號(hào)的信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。現(xiàn)階段在該方面的研究主要存在以下三個(gè)方面的問題：1）雷達(dá)信號(hào)生成方面大多通過脈沖描述字（Pulse Description Word，PDW）描述信號(hào)方式，相對(duì)于該方式雖然能很大程度上減少存儲(chǔ)空間，但是PDW 一般只能描述脈間信號(hào)特征變化，產(chǎn)生的信號(hào)樣式和適用的硬件設(shè)備受限。2）系統(tǒng)一般內(nèi)置幾種雷達(dá)信號(hào)樣式可供選擇，不能自行擴(kuò)展和添加雷達(dá)信號(hào)樣式，功能升級(jí)困難。

SMW2000A 矢量信號(hào)源是羅德與施瓦茨公司推出的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，具有頻帶寬、信號(hào)樣式豐富、精度高和可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，能滿足產(chǎn)生各種復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)的需求。就設(shè)備本身而言，可以實(shí)現(xiàn)基帶IQ 數(shù)據(jù)生成，但是這些基帶IQ 數(shù)據(jù)只能是針對(duì)已有的幾種信號(hào)調(diào)制方式，與實(shí)際測試需求有一定差距。

為解決上述問題，利用Matlab軟件與矢量信號(hào)發(fā)生器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，前者負(fù)責(zé)生成復(fù)雜信號(hào)的基帶IQ 數(shù)據(jù)，后者實(shí)現(xiàn)基帶IQ 數(shù)據(jù)到射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)了雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)控制軟件，實(shí)現(xiàn)加載自定義雷達(dá)信號(hào)模型，生成所需IQ 波形，并控制矢量信號(hào)源進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)的回放。

2 雷達(dá)信號(hào)描述方法對(duì)比

2.1 IQ波形

經(jīng)典的I/Q 調(diào)制是采用相同的本振將I、Q 信號(hào)混頻，其中Q路信號(hào)本振回路中，放置一個(gè)90°移相器，如圖1所示。

圖1 I/Q調(diào)制原理圖

根據(jù)I/Q 調(diào)制原理，I支路和Q 支路信號(hào)可以表示為

其中，φm(t)為調(diào)制信號(hào)瞬時(shí)相位。根據(jù)I/Q調(diào)制原理，兩路信號(hào)經(jīng)過I/Q調(diào)制后的信號(hào)：

其中，Ec(t)為載波瞬時(shí)幅度，fc(t)為載波的瞬時(shí)頻率。

2.2 脈沖描述字

PDW 對(duì)每一個(gè)雷達(dá)脈沖的信號(hào)參數(shù)生成的數(shù)字化描述符。準(zhǔn)確的PDW 是雷達(dá)信號(hào)生成的基礎(chǔ)和前提。傳統(tǒng)的PDW 主要由脈沖的脈沖幅度（PA）、脈沖寬度（PW）、脈沖重復(fù)間隔（PRI）、載波頻率（RF）、到達(dá)方位（DOA）五個(gè)參數(shù)構(gòu)成。對(duì)于一般的雷達(dá)信號(hào)，首先將信號(hào)S(t)順序展開成脈沖序列：

其中，S(n)是S(t)的第n個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖可由其PDW完整描述，且雷達(dá)脈沖與PDW一一對(duì)應(yīng)。

以脈沖描述字PDW 的形成建立雷達(dá)脈沖的模型，就是以PDW 的5 項(xiàng)參數(shù)建立他們相應(yīng)的模型。以頻率截變雷達(dá)為例，頻率捷變范圍為ΔRF時(shí)，其RF模型為

式中，RF為雷達(dá)脈沖載頻的中心頻率，Π(-1，1)為區(qū)間[-1，1] 內(nèi)均勻分布的獨(dú)立隨機(jī)數(shù)。

2.3 信號(hào)產(chǎn)生需求分析

I/Q 調(diào)制能夠非常方便地將獨(dú)立的信號(hào)分量合成到一個(gè)復(fù)合信號(hào)中，通過I 和Q 數(shù)據(jù)可以表示信號(hào)的大小和相位的任何變化，因此，通過IQ 波形可以描述任意信號(hào)波形和調(diào)制類型。PDW 對(duì)應(yīng)雷達(dá)信號(hào)的一個(gè)脈沖，一般只能描述雷達(dá)信號(hào)脈沖間的參數(shù)變化，對(duì)于復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)描述存在一定限制。盡管隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，PDW 的參數(shù)在不斷更新，增加了表征參數(shù)包括極化特征PC、信噪比、脈內(nèi)調(diào)制等，但是參數(shù)愈加復(fù)雜，控制難度較大。

矢量信號(hào)發(fā)生器通常支持通過IQ波形和PDW的兩種控制方式產(chǎn)生信號(hào)，其中PDW 方式只能使用設(shè)備內(nèi)置PDW 格式或者通過建立映射方式使用個(gè)性化的PDW，這樣的系統(tǒng)在產(chǎn)生信號(hào)樣式方面顯然也是不全面的。相比之下，使用IQ 波形描述基帶信號(hào)然后調(diào)制產(chǎn)生所需雷達(dá)信號(hào)的方式技術(shù)成熟，具有很強(qiáng)的通用性。

3 雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)主要基于R&S 的SMW200A 矢量信號(hào)源，硬件實(shí)現(xiàn)如圖2 所示。選用性能較好的計(jì)算機(jī)作為控制器，利用MATLAB完成基帶信號(hào)的計(jì)算和輸出，通過LAN 網(wǎng)絡(luò)寫入SWM200A 矢量信號(hào)源存儲(chǔ)器，信號(hào)源自動(dòng)讀取I/Q 數(shù)據(jù)文件模擬真實(shí)的雷達(dá)信號(hào)［6～8］。

圖2 系統(tǒng)硬件組成圖

系統(tǒng)工作流程如圖3 所示。首先讀取雷達(dá)發(fā)射信號(hào)模型，根據(jù)雷達(dá)信號(hào)樣式完成基帶或者中頻模擬信號(hào)的計(jì)算，得到相應(yīng)的I/Q數(shù)據(jù)，寫入波形文件；軟件加載波形文件，并將數(shù)據(jù)和控制指令送矢量信號(hào)源；信號(hào)源接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制指令播放輸出雷達(dá)信號(hào)［9］。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 控制軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 軟件界面設(shè)計(jì)

基于Matlab App Designer 開發(fā)雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的控制軟件，軟件界面分為波形文件生成、波形預(yù)覽和設(shè)備控制三個(gè)區(qū)域［10］，軟件交互界面如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制軟件界面

軟件的波形文件生成區(qū)用于選擇或者加載產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)類型，輸入波形參數(shù)并調(diào)用Matlab函數(shù)計(jì)算波形I/Q 數(shù)據(jù)后生成波形*.wav 文件。波形預(yù)覽區(qū)使用兩個(gè)坐標(biāo)區(qū)組件，分別顯示仿真的雷達(dá)基帶I/Q信號(hào)的時(shí)域和總體基帶信號(hào)的頻域波形。設(shè)備控制區(qū)主要完成矢量信號(hào)源的控制。

3.2.2 軟件功能設(shè)計(jì)

軟件功能實(shí)現(xiàn)主要依托于代碼的編寫。在App Designer 的代碼視圖中完成代碼的編輯工作，主要通過添加屬性、回調(diào)函數(shù)和其他函數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)軟件的各個(gè)功能［11］。軟件的具體工作流程如圖5所示。

圖5 軟件工作流程圖

波形生成和波形預(yù)覽部分的重要函數(shù)有I/Q數(shù)據(jù)計(jì)算函數(shù)、波形文件生成函數(shù)以及加載信號(hào)模型時(shí)信號(hào)參數(shù)獲取函數(shù)等。

I/Q 數(shù)據(jù)計(jì)算函數(shù)是根據(jù)雷達(dá)信號(hào)特征，生成基帶的I/Q 信號(hào)仿真采樣值，并根據(jù)載頻自動(dòng)設(shè)置矢量信號(hào)源的載頻參數(shù)。I/Q數(shù)據(jù)計(jì)算最終的結(jié)果是一維I-data數(shù)組和Q-data數(shù)組，波形文件生成函數(shù)獲取該結(jié)果，將二者結(jié)合成數(shù)組I/Q-data，生成一個(gè)包含矢量信號(hào)源手冊(cè)中規(guī)定的所必須和可選的標(biāo)記的文件，即*.wav 波形文件。為了確保不發(fā)生削波失真，將所有I/Q 數(shù)據(jù)的峰值向量長度標(biāo)準(zhǔn)化為1.0，然后打開空的*.wav 波形文件，以二進(jìn)制方式寫入數(shù)據(jù)。

為增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性，軟件可以加載符合IEEE 1641 標(biāo)準(zhǔn)的XML 信號(hào)模型文件。為方便開發(fā)使用，在波形描述XML 文件的…模塊中添加基帶信號(hào)波形表達(dá)式。使用Matlab 自帶xmlread（）函數(shù)讀取XML 文件，通過…模塊內(nèi)容可以獲得信號(hào)模型接口，以此為依據(jù)在軟件界面自動(dòng)生成參數(shù)輸入框；讀取…中的基帶信號(hào)波形表達(dá)式用于生成IQ數(shù)據(jù)。

3.2.3 信號(hào)源控制模塊設(shè)計(jì)

Matlab 可以使用儀器控制工具箱直接連接到通用儀器，通過基于文本的SCPI 命令，將Matlab 中生成的數(shù)據(jù)發(fā)送到儀器，控制儀器和從儀器獲取數(shù)據(jù)［12～13］。該命令基于通用通信協(xié)議，如GPIB、VISA、TCP/IP和UDP，而無需額外編寫代碼。

SMW200A 可通過所有通用遠(yuǎn)程接口進(jìn)行控制，在本設(shè)計(jì)中使用儀器的TCP/IP 控制接口。控制基于Matlab 的儀器控制工具箱，以SCPI 指令形式通過LAN 總線發(fā)送至信號(hào)源，完成遠(yuǎn)程控制信號(hào)源產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)的任務(wù)［14］。信號(hào)源的控制模塊工作流程如圖6所示。

圖6 信號(hào)源控制模塊工作流程

首先，直接使用Matlab儀器控制工具箱中的函數(shù)OBJ=TCPIP（‘遠(yuǎn)程主機(jī)’，遠(yuǎn)程端口號(hào)）構(gòu)建TCP/IP 對(duì)象，通過fopen（OBJ）函數(shù)連接到遠(yuǎn)程主機(jī)，實(shí)現(xiàn)與儀器通信［15］。然后，使用SCPI 命令控制儀器在通道1播放信號(hào)，播放控制流程及命令如下：

Step1：使用：MMEM：DATA‘文件路徑/文件名，數(shù)據(jù)量’SCPI 命令將二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀取PC 文件到遠(yuǎn)程主機(jī)內(nèi)存；

Step2：使用：SOUR1：BB：ARB：WAV：SEL‘文件路徑/文件名’SCPI命令控制儀器加載文件；

Step3：使用：SOUR1：BB：ARB：STAT ON 命令打開調(diào)制開關(guān)；

Step4：使用：OUTP1：STAT ON 命令控制通道1輸出信號(hào)。

SWM200A可以直接顯示每個(gè)參數(shù)設(shè)置的SCPI命令，并以圖形方式突出顯示儀器預(yù)設(shè)狀態(tài)的所有修改，并有一個(gè)內(nèi)置的SCPI 宏記錄器，帶有代碼生成器，可以記錄所有手動(dòng)操作步驟，并生成帶有遠(yuǎn)程命令序列的文件。因此，對(duì)于部分未知SCPI 控制命令的操作，可以通過手動(dòng)操作后查看自動(dòng)生成的命令代碼的方式，這有助于最小化測試自動(dòng)化所需要的時(shí)間。

4 復(fù)雜調(diào)制雷達(dá)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

相位編碼信號(hào)具有很強(qiáng)的時(shí)延和多普勒分辨能力，且較容易實(shí)現(xiàn)波形捷變，但缺點(diǎn)是對(duì)多普勒敏感，只能應(yīng)用于多普勒頻率范圍較窄的場合。同樣作為脈沖壓縮雷達(dá)的常用信號(hào)，線性調(diào)頻信號(hào)具有對(duì)多普勒頻移不敏感的特性［16］。下面通過本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，產(chǎn)生線性調(diào)頻相位編碼雷達(dá)信號(hào)，進(jìn)行系統(tǒng)的功能驗(yàn)證。

一般相位編碼信號(hào)的復(fù)包絡(luò)可以寫成：

式中，P為碼長，Tp是子脈沖寬度，cn是第n個(gè)碼的取值（1 或者-1），v(t) 表示子脈沖函數(shù)，

線性調(diào)頻信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)式為

式中，Tl為線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)寬，f0表示信號(hào)的載頻，k為線性調(diào)頻信號(hào)變化的斜率。

取信號(hào)的脈寬Tτ=Tl=PTp，則在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)相位編碼-線性調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式為

編碼信號(hào)選用13 位Barker 碼，即cn= {1，1，1，1，1，-1，-1，1，1，-1，1，-1，1}。首先設(shè)置較小的線性調(diào)頻帶寬（B=5MHz），使用Matlab進(jìn)行仿真，得到線性調(diào)頻-相位編碼復(fù)合調(diào)制信號(hào)的時(shí)頻圖，如圖7和圖8和所示。

圖7 線性調(diào)頻-相位編碼信號(hào)時(shí)域圖

圖8 線性調(diào)頻-相位編碼信號(hào)頻域圖

線性調(diào)頻信號(hào)和相位編碼信號(hào)都是廣泛應(yīng)用的脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)類型。線性調(diào)頻信號(hào)帶寬較大，進(jìn)行脈壓處理后有較大輸出旁瓣，但其匹配濾波器對(duì)回波信號(hào)的多普勒頻移不敏感；相位編碼信號(hào)則具有很強(qiáng)的時(shí)延和多普勒分辨能力，且較容易實(shí)現(xiàn)波形捷變，但相位編碼信號(hào)對(duì)多普勒敏感，當(dāng)回波信號(hào)存在多普勒頻移時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響脈壓性能，故只能應(yīng)用于多普勒頻率范圍較窄的場合。使用線性調(diào)頻-相位編碼混合調(diào)制之后的信號(hào)會(huì)同時(shí)具有兩種信號(hào)類型的優(yōu)點(diǎn)，有效提高雷達(dá)探測目標(biāo)的能力。

軟件加載上述雷達(dá)信號(hào)模型XML 描述文件，自動(dòng)生成參數(shù)輸入接口。設(shè)置信號(hào)參數(shù)后，生成波形文件，送SMW200A矢量信號(hào)源進(jìn)行信號(hào)播放，輸出真實(shí)的線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)信號(hào)，作為雷達(dá)告警設(shè)備檢測的電磁環(huán)境場景。實(shí)驗(yàn)中，在軟件界面設(shè)置信號(hào)參數(shù)后生成波形文件和波形時(shí)域和頻域的仿真結(jié)果，如圖9所示。

圖9 波形參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果軟件界面

實(shí)驗(yàn)中設(shè)備實(shí)際連接如圖10 所示。計(jì)算機(jī)通過計(jì)算產(chǎn)生波形IQ 數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件和控制命令通過LAN 總線送矢量信號(hào)發(fā)生器，矢量信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行波形回放，波形送頻譜儀進(jìn)行結(jié)果測量，得到最終的頻譜測量結(jié)果，測量結(jié)果與仿真結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，通過手動(dòng)輸入?yún)?shù)，矢量信號(hào)源在雷達(dá)信號(hào)控制軟件的控制之下，成功產(chǎn)生預(yù)想的實(shí)際雷達(dá)信號(hào)，該雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于Matlab 和矢量信號(hào)發(fā)生器的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)、仿真并模擬多種雷達(dá)信號(hào)，并且可以模擬采用新技術(shù)的雷達(dá)信號(hào)，可以達(dá)到驗(yàn)證機(jī)載雷達(dá)告警設(shè)備性能的目的，與通常的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)相比更具通用性，具有很強(qiáng)的應(yīng)用和實(shí)用價(jià)值。