雷達模擬器信號在線測量系統設計與實現

周劍，姜傳飛，黃泳樟

（1.中國船舶集團有限公司第七二三研究所，揚州 225001；2.中國船舶工業電工電子設備環境與可靠性試驗檢測中心，揚州 225001）

引言

在電子信息裝備科研生產過程中，常常需要考核裝備在復雜電磁環境中的性能。通常用雷達信號模擬器構建所需的復雜電磁環境。雷達信號模擬器是一種特殊的微波信號源，用于模擬產生實際雷達信號，具有攜帶方便，研制成本相對較低的優點[1]。一般一臺模擬器可以產生至少二十部不同形式的雷達信號。雷達模擬器已經成為科研生產中必不可少的輔助設備，它的廣泛應用使得科研效率大幅提升，成本顯著降低[2]。

但是科研人員在利用雷達模擬器檢驗裝備性能時，經常出現裝備接收信號丟失或參數錯誤的情況。究竟是裝備自身的設計缺陷所致，還是雷達信號模擬器發出的信號有誤，原因難以排查，給科研人員造成了極大的困擾。為此，本文提出了一種在線測量雷達模擬器信號的方法。

1 測量原理

解決前述困擾的總體思路是，將雷達信號模擬器的輸出通過線纜輸入給示波器和頻譜儀，利用高精度通用儀表分析和測量得出雷達信號的時域和頻域參數，并以此作為信號參數的真值，繼而對裝備進行性能檢驗。如圖1 所示，在線測量系統由頻譜儀、示波器、交換機和測試計算機組成。頻譜儀、示波器通過網線經交換機連接至測試計算機。雷達模擬器產生的信號分別從射頻輸出口和視頻輸出口接入頻譜儀和示波器[3]。頻譜儀用于測量信號的頻域參數，示波器用于測量信號的時域參數。

圖1 在線測量系統組成圖

如圖2 所示，在裝備性能檢驗時，雷達模擬器產生的信號從射頻輸出口經功分器一分為二，一路通過天線輻射向空間輻射，另一路輸出給在線測量系統[4]。裝備接收機通過天線接收空間的雷達信號并計算出信號的所有參數。通過對比裝備接收機和本系統測得的信號參數，即可解決前述困擾科研人員的問題。

圖2 雷達模擬器在線測量原理圖

2 系統硬件設計

如圖3 所示，本系統所用的示波器和頻譜儀均為羅德施瓦茨（R&S）公司生產，型號分別為RTM2032 和FSV40，示波器的帶寬為500 MHz，采樣率為5 GSa/s，頻譜儀的頻率范圍為10 kHz~40 GHz。雷達信號模擬器為中國船舶集團有限公司第七二三研究所研制。示波器和頻譜儀用網線經網絡交換機和測試計算機相連，模擬器的射頻信號輸出口與頻譜儀相連，視頻信號輸出口與示波器相連。

圖3 在線測量系統組成照片

本系統所有儀表均經過計量且在計量有效期內，各儀表詳細信息見表1。

表1 系統主要設備一覽表

3 系統軟件設計

系統軟件采用LabView 語言編寫,利用SCPI 指令控制、操作頻譜儀和示波器，整個測量過程無需人工介入。LabView 是美國NI 公司專門為測試、測量及控制應用而設計開發的系統工程軟件，可以實現硬件I/O 和數據信息的快速訪問[5]。SCPI 指令，即可編程儀器標準命令（Standard Commands for Programmable Instruments），最初由美國惠普公司提出，于1990 年和IEEE488.2 協議一起面世，該協議對世界上各大儀器公司的儀器控制命令語法進行了規范和統一。SCPI 指令的總目標是節省自動測試儀器程序開發時間，保護儀器生產廠家和使用人員雙方的硬件和軟件投資，為儀器控制和數據利用提供廣泛兼容的編碼環境[6]。

軟件首先以TCP 方式（IP 地址和端口號）與示波器和頻譜儀建立連接，然后通過SCPI 指令實現儀表的初始化和參數設置。當模擬器產生雷達信號后，軟件開始進行參數測量，并將測量結果顯示在界面上，軟件流程圖如圖4 所示。其中信號參數的測量主要由如下SCPI 指令實現。

圖4 軟件流程圖

1）頻譜儀最大值點標記：CALC:MARK:MAX:AUTO

指令中可選ON 和OFF 兩個參數，缺省值為OFF。該指令用于開啟或關閉頻譜儀的最大值標記功能。

2）頻譜儀當前標記點頻率的測量：CALC:MARK:CONT:FREQ?

該指令返回當前標記的頻點的頻率值。

3）頻譜儀當前標記點功率的測量：CALC:MARK:Y?

該指令返回當前標記的頻點的Y 軸值。

4）示波器信號脈寬和周期的測量：MEAS:ARES?

指令中用于指定示波器的測量通道，該指令用于信號參數的快速測量，并按如下順序返回信號參數：PEAK, UPE, LPE, RMS, MEAN, PER, FREQ, RTIM ,FTIM。

利用程序設計常見的順序、判斷和循環結構將上述SCPI 指令進行組合，即可從頻譜儀和示波器讀回頻域和時域參數的測量結果。

4 實驗驗證

為了驗證本系統的有效性，在實驗室條件下按圖1搭建測試系統。給模擬器任意設置了一部雷達信號，具體參數見表2。

表2 模擬器信號參數設置表

軟件設置頻譜儀的中心頻率與模擬器載頻一致，帶寬BW 設為100 MHz，分辨率帶寬RBW 和視頻帶寬VBW 分別設為1 MHz 和10 kHz。在雷達模擬器信號輸出后運行系統軟件，軟件完成儀表參數設置后，界面上顯示系統測得的信號參數，如圖5 所示，結果如表3 所示。

表3 系統測量結果一覽表

圖5 軟件測試結果圖

從軟件運行結果可以看出，測得重復周期、脈寬、載頻和模擬器輸出信號的參數完全一致。慮及系統所用射頻電纜的插入損失（試驗前測得1.5 GHz 頻率的插入損失為0.75 dBm），信號幅度測量結果也和模擬器輸出信號幅度一致。實驗結果說明本系統可以實現雷達信號模擬器常用時域和頻域參數的同時測量，測量結果可以作為裝備性能檢驗的參照標準。

5 總結與展望

本文針對實際項目中科研設計人員遇到的問題和困擾，設計了一套雷達模擬器信號在線測量系統。該系統由硬件組成簡單，軟件流程清晰，整個測量過程可以一鍵完成，對測量人員自身水平依賴程度低，具備較強的實用性。經驗證，該系統可以同時在線測量雷達信號常用的時域（周期、脈寬、占空比）參數和頻域（載頻、幅度）參數。

但是雷達信號是一種特別復雜的脈沖信號，蘊含著大量時域和頻域信息。本系統還存在著許多不足之處，有待后續研究與開發。總結而言，還有如下兩方面問題需要解決：

1）不能測量出復雜雷達信號的所有參數，特別是信號的脈內參數，如捷變、參差、抖動等參數；

2）不能測量多部雷達同時發射情況下的各信號的參數。

上述兩個問題需要進行復雜的算法設計，并增加硬件通道數量。只有將上述兩個問題解決了，才能徹底解決本文最初提出的科研人員的困擾，助力科研生產質量和效率同步提升。