袁興鵬，陳正寧

（91336部隊(duì) 河北 秦皇島 066326）

軟件無(wú)線電的核心思想是在構(gòu)建一個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化的通用硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，以研制出具有高度靈活性、開(kāi)放性的新一代無(wú)線電系統(tǒng)。軟件無(wú)線電的概念雖然是從軍事通信領(lǐng)域產(chǎn)生并迅速發(fā)展起來(lái)的，但是軟件無(wú)線電的這種新概念、新理論、新技術(shù)對(duì)于我們從事的雷達(dá)電子戰(zhàn)仿真這個(gè)領(lǐng)域具有極其重大的應(yīng)用價(jià)值。

雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展可以分為模擬和數(shù)字兩個(gè)階段。在數(shù)字階段，現(xiàn)階段基本發(fā)展方向是沿著將已有模擬接收機(jī)數(shù)字化，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及器件的飛速發(fā)展，逐步向?qū)拵?、超寬帶?shù)字接收機(jī)方向靠近?；谲浖o(wú)線電的雷達(dá)電子戰(zhàn)系的電概念就是在數(shù)字化階段提出來(lái)的，其思想就是把原來(lái)一些用硬件實(shí)現(xiàn)的功能盡可能地用軟件去完成，盡量減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理（A/D和D/A變換）盡量靠近天線，使雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)具有可編程、可擴(kuò)展及靈活性高的特點(diǎn)。

1 軟件無(wú)線電的基本原理

軟件無(wú)線電的基本思想是以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，從基于硬件、面向用途的專用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中解放出來(lái)。功能的軟件化實(shí)現(xiàn)勢(shì)必要求減少功能單一、靈活性差的硬件配置，尤其是減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理（A/D和D/A變換）盡量在射頻段。軟件無(wú)線電強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性和全面可編程性，通過(guò)軟件的更新改變硬件的配置結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多樣化的功能。軟件無(wú)線電采用標(biāo)準(zhǔn)的、高性能的開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu)，以便于硬件模塊的不斷升級(jí)和擴(kuò)展。理想的軟件無(wú)線電的組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Software radio system architecture

軟件無(wú)線電主要由天線、射頻前端、寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號(hào)處理器及各種軟件構(gòu)成。射頻前端在發(fā)射時(shí)主要完成上變頻、濾波、功率放大等功能，接收時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波、放大、下變頻功能。DSP實(shí)時(shí)信號(hào)處理模塊主要用來(lái)處理前端接收下來(lái)的信號(hào)或?qū)⒁獜墓Ψ虐l(fā)射出去的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、解調(diào)、類型識(shí)別以及進(jìn)行數(shù)字上下變頻、各種數(shù)字調(diào)制、數(shù)字濾波、編碼等等。

2 軟件化雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)功能需求分析

2.1 軟件化雷達(dá)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)主要功能是是：1）截獲射頻信號(hào)；2）從截獲到的信號(hào)中分離出雷達(dá)信號(hào)；3）測(cè)量所選信號(hào)的參數(shù)；4）引導(dǎo)雷達(dá)干擾設(shè)備實(shí)施干擾。現(xiàn)代雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)種類繁多，但總的說(shuō)來(lái)尚無(wú)一種系統(tǒng)能滿足電子偵察和干擾的所有要求。傳統(tǒng)的雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的接收機(jī)采用模擬方法實(shí)現(xiàn)，在接收過(guò)程中由于模擬器件的限制，極易導(dǎo)致信號(hào)的頻率和相位等方面的信息丟失，系統(tǒng)可變性差。常規(guī)接收機(jī)系在寬帶信號(hào)接收中都具有一定的局限性。系統(tǒng)適應(yīng)能力及反應(yīng)時(shí)闖無(wú)法滿足電子偵察要求。所以研究開(kāi)發(fā)工作頻段寬，接收適應(yīng)能力強(qiáng)，擴(kuò)展性好，系統(tǒng)可變性強(qiáng)，能夠適應(yīng)多種信號(hào)的偵察接收機(jī)，是電子戰(zhàn)發(fā)展的必然要求。

通信領(lǐng)域軟件無(wú)線電的成功應(yīng)用為電子偵察系統(tǒng)的發(fā)展提供了一種理想的模式軟件化的雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)。所謂軟件化雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)是指基于軟件無(wú)線電原理，利用可編程器件對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行分析識(shí)別、特征提取和參數(shù)測(cè)量，通過(guò)更改運(yùn)行于可編程器件上的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)偵察信號(hào)進(jìn)一步分析處理的電子戰(zhàn)偵察分析接收機(jī)，并將需要干擾的威脅目標(biāo)，通過(guò)信號(hào)生成系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生相應(yīng)的干擾信號(hào)。

2.2 雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型的功能模塊化構(gòu)成

在進(jìn)行具體的軟件無(wú)線電雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能建模，按典型的雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行功能模塊劃分。功能模塊劃分在結(jié)構(gòu)上具有層次化，每一層模塊可以通過(guò)下層基本模塊構(gòu)建。根據(jù)雷達(dá)電子系統(tǒng)模塊化特點(diǎn)和層次化建模原則，將雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)分為雷達(dá)偵察和雷達(dá)干擾兩大模塊。

雷達(dá)偵察模塊主要由天線模塊（一般包括測(cè)頻、測(cè)向等部分）、接收機(jī)模塊、信號(hào)處理模塊（一般由預(yù)處理機(jī)和主處理機(jī)兩部分組成）、顯示操控模塊、記錄系統(tǒng)模塊；雷達(dá)干擾模塊主要由干擾控制計(jì)算機(jī)、干擾樣式控制模塊、功率管理模塊和發(fā)射天線陣模塊等部分組成。

上面將雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的軟件化進(jìn)行了模塊化分析，其模塊的具體功能結(jié)構(gòu)組成以及模塊間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 電子戰(zhàn)系統(tǒng)的軟件化功能模型圖Fig.2 Function model diagram of EW system

3 軟件無(wú)線電雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 軟件化雷達(dá)偵察系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件化雷達(dá)偵察系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指基于軟件無(wú)線電原理而實(shí)現(xiàn)的用于對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行分析識(shí)別、特征提取和參數(shù)測(cè)量的電子戰(zhàn)雷達(dá)接收機(jī)。這種接收機(jī)是一種多頻段、多模式、多功能的電子戰(zhàn)雷達(dá)接收機(jī)。這種接收機(jī)對(duì)波形的適應(yīng)性要求更高，對(duì)信號(hào)分析處理的功能要求更強(qiáng)，而且頻帶要求更寬。接收機(jī)模擬各種體制雷達(dá)接收機(jī)的工作原理，信號(hào)處理單元完成對(duì)各種雷達(dá)信號(hào)處理模式的仿真，以及各種抗干擾技術(shù)的工作原理。

這種電子戰(zhàn)雷達(dá)接收機(jī)由可以覆蓋幾乎整個(gè)無(wú)線電頻段。但目前還不能采用射頻直接采樣技術(shù)來(lái)對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，因此，必須借助模擬處理技術(shù)把寬帶信號(hào)變換為適合于A/D采樣的中頻信號(hào)，然后進(jìn)行采樣數(shù)字化，其構(gòu)成如圖3所示。

圖3 軟件化電子戰(zhàn)雷達(dá)接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software radio structure diagram of electronic warfare radar receiver

模擬前端變換電路是為了適應(yīng)寬頻段變換的要求而設(shè)置的模擬信號(hào)處理環(huán)節(jié)。模擬處理環(huán)節(jié)還設(shè)置了多個(gè)通道以對(duì)應(yīng)不同的頻段。信號(hào)前端電路經(jīng)過(guò)濾波、放大和混頻，被變換成中頻信號(hào)。中頻信號(hào)分兩級(jí)，一中頻信號(hào)的中頻頻率將根據(jù)不同的頻率值，以能較好地滿足互調(diào)抑制、中頻抑制、鏡像抑制等要求。不同的一中頻信號(hào)再經(jīng)過(guò)中頻變換為系統(tǒng)的二中頻信號(hào)。二中頻信號(hào)被放大到足夠電平后，送到高速A/D進(jìn)行采樣數(shù)字化，高速A／D數(shù)據(jù)再送到后續(xù)的正交數(shù)字下變頻單元，進(jìn)行正交變換和采樣率變換，得到與信號(hào)帶寬相適應(yīng)的正交低速率數(shù)字信號(hào)，以便于后續(xù)的DSP進(jìn)行目標(biāo)信號(hào)特征提取與分析識(shí)別和參數(shù)測(cè)量。同時(shí)該組成方式也可對(duì)電子戰(zhàn)雷達(dá)偵察機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)仿真，根據(jù)軟件加載的不同實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分選，信號(hào)的特征分析及“指紋”提取。

3.2 軟件化雷達(dá)干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件化雷達(dá)干擾系統(tǒng)就是采用軟件實(shí)現(xiàn)各種干擾樣式的形成以及干擾信號(hào)整個(gè)產(chǎn)生過(guò)程。開(kāi)放式的硬件平臺(tái)只涉及發(fā)射信號(hào)的載頻特征，發(fā)射信號(hào)的內(nèi)部特征完全有不同的軟件來(lái)定義。這樣的干擾樣式可控，完全適應(yīng)了目標(biāo)信號(hào)變化。其系統(tǒng)組成與軟件化電子戰(zhàn)信號(hào)環(huán)境模擬器的相似。其原理圖如圖4所示。

圖4 軟件化干擾發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Software radio structure diagram of jamming transmitter

4 雷達(dá)電子戰(zhàn)軟件無(wú)線系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

將軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)受到一些軟硬件技術(shù)水平的制約。需要進(jìn)行研究的主要關(guān)鍵技術(shù)有：高速A/D及D/A技術(shù)、高速并行DSP技術(shù)、系統(tǒng)建模技術(shù)等。

4.1 寬帶/多頻段天線與RF模塊

現(xiàn)代雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)，工作頻段越來(lái)越寬，低截獲雷達(dá)威脅越來(lái)越多，因此，需要實(shí)現(xiàn)寬帶高靈敏度偵收是雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)中亟待解決的問(wèn)題。寬帶/多頻段天線與RF模塊是軟件無(wú)線電不可替代的硬件出入口。軟件無(wú)線電要求天線能覆蓋所有頻段，能用程序控制方法對(duì)其功能及參數(shù)進(jìn)行設(shè)置?？刹捎弥悄芑炀€技術(shù)。 智能天線也稱自適應(yīng)陣列天線，由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)、波束形成算法3部分組成。它通過(guò)滿足某種準(zhǔn)則算法調(diào)節(jié)各陣元信號(hào)的加權(quán)幅度和相位，進(jìn)而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，來(lái)達(dá)到增強(qiáng)所需信號(hào)，抑制干擾信號(hào)的目的。

射頻部分包括預(yù)放大和功率輸出兩部分。射頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，由通用平臺(tái)和多個(gè)射頻發(fā)射機(jī)模塊組成，其工作頻帶應(yīng)足夠?qū)挘⒉捎脭?shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)置，對(duì)每種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)能夠多載波工作。發(fā)射機(jī)包括多只高功率放大器，要求具有高線性。

4.2 高速數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換技術(shù)

數(shù)字化是軟件無(wú)線電的基礎(chǔ)，模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò)采樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)才能用軟件進(jìn)行處理。軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)是將A/D和D/A盡量靠近射頻前段。A/D和D/A器件在軟件無(wú)線電中的位置非常關(guān)鍵，它直接反映了軟件無(wú)線電系統(tǒng)的軟件化可操作程度。為減少模擬環(huán)節(jié)及適應(yīng)錯(cuò)綜復(fù)雜的電磁環(huán)境，要求A/D器件具有較高的采樣頻率、較高的工作速度、較寬的工作帶寬和較大的動(dòng)態(tài)范圍。在設(shè)計(jì)無(wú)線電系統(tǒng)時(shí)，選擇模數(shù)器件依據(jù)的性能指標(biāo)有：信噪比、轉(zhuǎn)換靈敏度、無(wú)散雜動(dòng)態(tài)范圍、非線性誤差、互調(diào)失真、全功率模擬輸入帶寬等。

A/D器件性能的局限及采樣時(shí)引入的頻譜混迭、量化誤差等，會(huì)對(duì)軟件無(wú)線電臺(tái)的性能產(chǎn)生不良影響，但這種影響尚缺乏定量分析。軟件雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)要求A/D和D/A盡量靠近射頻，靠近射頻采樣要求A/D具有很高的采樣速率。雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)一般要求很高的動(dòng)態(tài)范圍，所以A/D變換器必須具有較多的位數(shù)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，擬采用DR公司的DR PMC/XMC AD變換和數(shù)字下變頻器模塊。該模塊內(nèi)部集成了高精度、高速AD采樣和數(shù)字下變頻器，采用PMC/XMC形式，具有4路通道數(shù)處理能力，14位的采樣位數(shù)，最大采樣率125 MHz，可以滿足單通道的高速采集的應(yīng)用。在既有單片ADC技術(shù)的基礎(chǔ)上，要進(jìn)一步提高其采樣速率和工作帶寬，目前主要有兩種方案：基于時(shí)間交替采樣的并行多路ADC技術(shù)和基于子帶劃分的并行多路ADC技術(shù)。

4.3 高速并行DSP技術(shù)

雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)信號(hào)處理的主要任務(wù)對(duì)輸入的實(shí)時(shí)PDW信號(hào)流進(jìn)行輻射源分選、參數(shù)估計(jì)、輻射源識(shí)別、威脅程度判別和作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)判別等。DSP是軟件無(wú)線電必需的基本器件，是其靈魂和核心所在。系統(tǒng)在射頻或中頻（IF）對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，通過(guò)軟件編程靈活地實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字濾波、直接數(shù)字頻率合成、數(shù)字上下變頻、調(diào)制解調(diào)、差錯(cuò)編碼、信令控制、信源編碼及加解密功能。接收時(shí)，來(lái)自天線的信號(hào)經(jīng)過(guò)RF處理和變換，由寬帶A/D數(shù)字化，然后通過(guò)可編程DSP模塊進(jìn)行所需的各種信號(hào)處理，處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)送至多功能用戶終端。發(fā)送時(shí)，通過(guò)類似接收信號(hào)處理流程的逆過(guò)程將數(shù)據(jù)通過(guò)天線發(fā)射出去?？梢?jiàn)，軟件無(wú)線電的靈活性、開(kāi)放性、兼容性等特點(diǎn)主要是通過(guò)以數(shù)字信號(hào)處理為中心的通用硬件平臺(tái)及DSP軟件實(shí)現(xiàn)的。

目前的DSP無(wú)論在功能上還是在性能上，都不能滿足無(wú)線電的要求，很難用單片DSP直接處理寬帶射頻或中頻信號(hào)，可以先采用數(shù)字變頻技術(shù)對(duì)寬帶射頻或中頻信號(hào)進(jìn)行處理，然后再用DSP完成各種信號(hào)處理功能。數(shù)字變頻的組成與模擬變頻組成類似，包括數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器和低通濾波器三部分，所不同的是數(shù)字變頻采用正交混頻。數(shù)字變頻具有載頻和數(shù)字濾波器系數(shù)可編程性、不存在非線性失真、頻響特性好及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

軟件雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的DSP要求具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量大，即對(duì)信號(hào)的處理時(shí)間不能超過(guò)預(yù)定的幀周期。由于很大一部分模擬電路由軟件實(shí)現(xiàn)，DSP必須采用較為復(fù)雜的算法，具有極高的運(yùn)算速度。使用單處理器結(jié)構(gòu)很難滿足要求。雷達(dá)偵察系統(tǒng)是多通道結(jié)構(gòu)本身就是并行的，非常適合并行處理。采用通用的高性能POWER PC處理器組成的處理板，該處理器板由MOTOROLA公司生產(chǎn)，型號(hào)為MVME6100。該處理器具備板載的雙通道PMC接口，接口標(biāo)準(zhǔn)為PCI－X，64 bits/66，100 MHz。數(shù)字信號(hào)處理芯片具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和非常高的運(yùn)算速度，并可以方便地構(gòu)成多種高性能的多處理器并行系統(tǒng)，解決軟件雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的信號(hào)處理難題。

4.4 數(shù)字仿真模型計(jì)算技術(shù)

模型是仿真的基礎(chǔ)，對(duì)于雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的仿真來(lái)說(shuō)，首先就要對(duì)雷達(dá)偵察系統(tǒng)和雷達(dá)干擾系統(tǒng)進(jìn)行模型分析。雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的建模，以真實(shí)的雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)為背景，以已有的電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行層次化、模塊化處理，建立系統(tǒng)的、功能明確的和通用的模塊化模型。電子戰(zhàn)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型采用分層結(jié)構(gòu)，主要包括系統(tǒng)模型、基本單元模型。系統(tǒng)模型是雷達(dá)電子戰(zhàn)虛擬樣機(jī)的骨架，屬于電子戰(zhàn)虛擬樣機(jī)模型的頂層，系統(tǒng)模型的建立決定了系統(tǒng)的工作機(jī)理。

通過(guò)對(duì)軟件化雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型的分析，系統(tǒng)的基本單元模型主要有以下幾類：

1）顯示控制模型：文本單元模型、波形單元模型、文件單元模型、I/O單元模型以及操作臺(tái)控制單元模型等；

2）信號(hào)處理模型：D/A轉(zhuǎn)換模型、A/D轉(zhuǎn)換模型、時(shí)域頻域變換模型以及參數(shù)分選模型等；

3）微波射頻模型：濾波器模型、開(kāi)關(guān)模型、本振源模型以及波導(dǎo)傳輸模型等；

4）功率模塊模型：放大器模型、衰減器模型以及功率管理模型等；

5）天線模型：波束控制模型、天線掃描模型以及天線極化方式模型等。

雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的大部分功能模型由軟件完成。系統(tǒng)需要多同時(shí)到達(dá)信號(hào)情況下的快速信號(hào)檢測(cè)、分離、調(diào)制類型識(shí)別和參數(shù)估計(jì)。目前，基于原子分解和EM算法、高階統(tǒng)計(jì)量、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)信號(hào)處理和時(shí)頻分析的方法性能良好，但運(yùn)算量很大，不易實(shí)時(shí)處理。因此，需要研究快速的算法解決這一問(wèn)題。軟件算法設(shè)計(jì)和驗(yàn)證在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和升級(jí)改進(jìn)中占據(jù)了非常重要的地位，整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性很大程度上取決于軟件算法的性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

將軟件無(wú)線電[12]思想引入到雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，使用系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、易于維護(hù)升級(jí)、抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，隨著硬件性能提高以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)水平的發(fā)展，新一代先進(jìn)采用軟件無(wú)線電技術(shù)的雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。

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