高紅友，張 允，江友平

(中國船舶重工集團公司 第723研究所， 江蘇 揚州 225001)

現(xiàn)代戰(zhàn)場日益向“ 陸、海、空、天、電磁” 五維一體方向發(fā)展，電磁環(huán)境越來越復雜，電子系統(tǒng)裝備在如此復雜的電磁環(huán)境下保持工作成為關鍵。為了測試電子裝備的性能和技術指標，若通過外場或?qū)崙?zhàn)演習來測試電子裝備在復雜電磁環(huán)境下的工作性能，存在時間長、成本高、靈活性差等問題[1]。為彌補外場測試存在的問題，研制配套的模擬器成為必需。采用模擬器不僅節(jié)約成本，重要的是保密性好，可在內(nèi)場或外場近距離測試。而隨著電子技術的發(fā)展，電子裝備變得復雜，技術水平大幅度提高，相應對配套模擬器也就提出了更高的要求。為了適應這種要求，國內(nèi)一些相關科研院所相繼投入大量的人力和物力去研制能適應新需要新體制的模擬器[2-3]。本文結(jié)合工程實際設計一種多功能雷達信號環(huán)境模擬器，該模擬器除能模擬產(chǎn)生100MHz～2GHz雷達環(huán)境信號，還能分別模擬塔康信號和GPS信號，這為電子裝備的測試試驗提供了必要的手段。

1 模擬器性能指標

根據(jù)總體任務書要求，模擬器主要性能指標：

(1)頻率范圍：100MHz～2GHz，分兩段100～500MHz、0.5～2GHz；

(2)輸出功率：-10～30dBm；

(3)諧波抑制：≤-20dBc；

(4)雜散抑制：≤-30dBc；

(5)重頻：2μs～20ms(精度±0.1μs)；

(6)脈寬：50ns～1ms(精度±25ns)；

(7)信號類型：連續(xù)波、連續(xù)波調(diào)頻調(diào)相、常規(guī)脈沖、頻率捷變、頻率分集、重頻抖動、重頻參差、重頻滑變、脈沖壓縮等；

(8)工作模式：100MHz～2GHz頻段雷達信號、塔康應答器和機載塔康詢問機信號和GPS信號。

2 信號模擬

2.1 雷達信號

雷達信號模擬包括常規(guī)脈沖和連續(xù)波信號、調(diào)頻調(diào)相的脈沖和連續(xù)波信號及各種體制的脈沖和連續(xù)波雷達信號。在信號的模擬產(chǎn)生方法中，線性調(diào)頻信號應用最多，而線性調(diào)頻脈沖信號是目前雷達應用的主要信號形式，其復數(shù)表達式可寫成

(1)

信號的瞬時頻率可寫成

fi=f0+Kt

(2)

式中：K=B/T為頻率變化斜率，B為頻率變化范圍；f0為中心頻率。

圖1給出了線性調(diào)頻脈沖信號波形圖，波形在時域中為矩形包絡的信號，在脈沖內(nèi)載波頻率按線性規(guī)律變化，直線升高，線性調(diào)頻后信號波形由寬脈沖壓縮為窄脈沖。本文雷達信號模擬方法沿用了之前的成熟算法、數(shù)學模型及實現(xiàn)方法[4-6]。

圖1 線性調(diào)頻脈沖信號波形圖

2.2 塔康信號

塔康信號工作頻段為962～1213MHz，劃分為252個波道，其中包含126個編號從1X到126X的X模式波道和126個編號從1Y到126Y的Y模式波道。塔康信號主要包括塔康艦載信標臺信號及機載詢問臺信號[7]。

塔康信號的模擬主要依據(jù)固定的編碼格式及發(fā)送時序，由信號處理單元產(chǎn)生相應的脈沖序列，并控制衰減器進行15Hz及135Hz調(diào)幅的幅度控制，完成塔康信號的產(chǎn)生。

對于機載詢問臺信號的模擬，主要根據(jù)不同的工作模式其詢問信號和應答信號之間的時間延遲、脈沖對之間的間隔確定。機載詢問臺詢問脈沖對間隔X模式時為12μs，在Y模式時為36μs。塔康信標機接收到機載詢問臺詢問信號后，在固定的延遲時間后作出應答；延遲時間在X模式時為50μs，在Y模式時為56μs，示意圖如圖2所示。

圖2 機載詢問臺時延示意圖

塔康信號模擬產(chǎn)生按規(guī)律變化的脈沖串信號，其模擬通過信號處理單元，根據(jù)塔康信號編碼標準進行脈沖排隊，并控制射頻通道進行幅度和脈沖調(diào)制，即可完成塔康信號的產(chǎn)生。

同時塔康信號的模擬樣式參照《GJB 914-1990塔康系統(tǒng)信號要求和測試方法》、《GJB 2784-1996 塔康機載設備通用規(guī)范》和《GJB 1946-1994 塔康地面設備通用規(guī)范》等文件要求進行設計。

2.3 GPS信號

GPS衛(wèi)星向地球用戶發(fā)送的信號由兩個頻率分量L1和L2組成，L1的中心頻率為1575.42MHz，L2的中心頻率為1227.6MHz。L1和L2均是已調(diào)波，其調(diào)制波是衛(wèi)星導航電文D碼和偽隨機噪聲碼C/A碼、P碼。D碼為一個50bps的導航電文數(shù)據(jù)流，包含多個數(shù)據(jù)幀；C/A碼是一種10級寄存器的Gold碼，碼序列長度為1023，碼時鐘為1.023MHz，碼周期為1ms；而P碼時鐘10.23MHz，碼長度大于37周。在載波L1上調(diào)制D碼、C/A碼和P碼，載波L2只調(diào)制D碼和P碼。

本模擬器通過使用高性能FPGA+DDS來產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的L1和L2兩路信號，即在FPGA中用線性反饋移位寄存器產(chǎn)生兩個相關的偽隨機序列m序列碼，進行異或，產(chǎn)生C/A碼所需的Gold碼。P碼在FPGA中用兩個12位寬的隨機序列產(chǎn)生，或者直接生成一個偽隨機序列作為P碼，然后將D碼與C/A碼或P碼進行異或產(chǎn)生擴頻信號，再用此擴頻信號序列控制DDS產(chǎn)生PSK調(diào)制信號，混頻至L1或L2形成射頻信號發(fā)射出去，詳細內(nèi)容可參見有關文獻[8-10]。

3 硬件設計

模擬器由顯示控制單元、信號處理單元、信號產(chǎn)生單元、頻率合成器、射頻通道單元、功放單元和天線輻射單元等組成，其系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 模擬器系統(tǒng)原理框圖

3.1 顯示控制單元

顯控單元是模擬器的重要組成部分和控制核心，主要任務是實時控制模擬器的運行；為用戶提供友好的人機交互界面；通過人機界面編輯輻射源威脅數(shù)據(jù)由；控制計算機(PC104)形成初始化戰(zhàn)情報文；控制輻射源的運行狀態(tài)和模式切換的實時運行報文；通過串口傳送給信號處理單元，實現(xiàn)雷達數(shù)據(jù)庫管理、模擬器自檢、試驗戰(zhàn)情設置、設備運行控制、設備狀態(tài)及試驗數(shù)據(jù)顯示和通信等功能。其工作原理如圖4所示。

圖4 顯控單元工作原理框圖

3.2 信號處理單元

信號處理單元主要是一塊以多個超大規(guī)模FPGA為核心具有高速數(shù)字運算能力和高速數(shù)字I/O接口的高集成度控制電路模塊。其作為顯示控制單元的具體執(zhí)行機構(gòu)，接收顯示控制單元發(fā)送的戰(zhàn)情數(shù)據(jù)和控制命令；實時控制信號產(chǎn)生單元、射頻通道單元等硬件，完成對射頻信號的頻率、脈寬、重頻以及幅度等多種形式調(diào)制信號的實時解算；以及多個脈沖的時序排隊等功能，生成雷達脈沖描述字控制流，控制每一個脈沖的出現(xiàn)時間、頻率、脈內(nèi)調(diào)制、脈寬、幅度，原理框圖如圖5所示。

圖5 信號處理單元FPGA功能框圖

3.3 信號產(chǎn)生單元

信號產(chǎn)生單元是本模擬器的核心單元，主要由控制電路、兩套DDS模塊(DDS1、DDS2)以及混頻濾波器件組成，原理框圖如圖6所示。

圖6 信號產(chǎn)生單元原理框圖

由于本模擬器可用于塔康信號、GPS信號以及0.1～2GHz雷達信號的產(chǎn)生，對頻率精度要求較高，故選用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)。利用DDS來實現(xiàn)精細頻率步跳，并通過和一組以高穩(wěn)定度晶振為參考頻率的標準頻源組成的粗精頻率步跳的點頻進行混頻、濾波及放大生成各頻段的信號。為了兼顧GPS雙載波信號產(chǎn)生，信號產(chǎn)生單元的輸出為2路，其中一路(DDS1)輸出頻段為0.1～2GHz，可分別模擬產(chǎn)生塔康信號、GPS信號的L1載波信號(1227.6MHz)以及0.1～2GHz雷達信號；另一路(DDS2)模擬輸出GPS的L2載波信號(1575.42 MHz)。

3.4 射頻通道單元、功放單元和天線輻射單元

射頻通道單元主要包括程控衰減器、放大器和調(diào)制器。程控衰減器用于對輸出信號幅度進行控制，動態(tài)范圍≥60dB，可承受功率≥0.5W；放大器對傳輸信號進行放大，補償通道功率損耗；調(diào)制器為單刀單擲開關，隔離度設計可達到80dB，開關速度小于15ns，用于對信號進行脈沖調(diào)制。為減少結(jié)構(gòu)空間，射頻通道單元與信號產(chǎn)生單元設計為一個模塊。功放單元為0.1～0.5GHz、0.5～2GHz兩個頻段低噪聲放大器，增益為27±1dB，1dB壓縮點為31dBm。天線輻射單元為0.1～0.5GHz、0.5～2GHz兩個頻段對數(shù)周期天線，波束寬度為60°，增益分別為6dB、9dB。

4 試驗測試

按照信號模擬方法和硬件設計思路，本著通用化、系列化、模塊(組合)化的設計原則研制出一套多功能雷達信號模擬器，選用成熟的商業(yè)標準4U機箱，外形美觀大方，如圖7所示。

模擬器可在開放環(huán)境或微波暗室中使用，進行注入式或輻射式信號模擬。根據(jù)不同試驗任務需要對模擬器進行信號參數(shù)設置，分別實現(xiàn)雷達信號、塔康信號和GPS等復雜電磁信號的模擬，圖8給出了頻譜儀測出的模擬器產(chǎn)生的塔康信號、GPS信號和雷達信號波形頻譜圖。

圖7 模擬器機箱外觀圖

圖8 信號波形頻譜示意圖

從圖8可看出，模擬器產(chǎn)生的信號是理想可用的，達到了信號樣式設計要求。目前已應用到某系統(tǒng)保障中，架設便攜，使用方便，適合外場和內(nèi)場試驗，利用頻譜儀和示波器對模擬器輸出信號質(zhì)量進行測試，如表1所示。

表1 信號質(zhì)量測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明該設計模擬器性能指標達到要求，滿足系統(tǒng)特定指標試驗需要。

5 結(jié)束語

在現(xiàn)代信息化條件下，電子信息化裝備密集部署形成了復雜多變的電磁環(huán)境，如何構(gòu)建電子系統(tǒng)裝備試驗條件下的背景信號、目標信號和干擾信號，模擬器是必然的試驗手段。本文研制的模擬器可針對性設置一些典型雷達信號，還可進行塔康信號和GPS信號模擬，為一些電子裝備的試驗形成了逼真的背景信號，對提升和考核電子系統(tǒng)裝備的作戰(zhàn)效能做了提前的準備，目前已有多套不同型號和體制的雷達信號模擬器得到應用，在電子系統(tǒng)裝備測試試驗中發(fā)揮了重要的作用。

[1] 張志敏，劉璘.雷達電磁環(huán)境仿真分析[J].艦船電子對抗，2008，31(2):60-63.

[2] 蒙潔，汪連棟，王國良，等.雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)電磁環(huán)境仿真[J].計算機仿真，2004，21(12)：21-24.

[3] 包亞先，陳曉東.雷達信號環(huán)境模擬器[J].現(xiàn)代雷達，2003，25(12)：8-10，31.

[4] 高紅友，梁晶，孔令峰.一種雷達信號模擬器的設計與工程實現(xiàn)[A].雷達與電子對抗一體化及仿真技術學術交流會論文集[C].揚州：艦船電子對抗編輯部，2010：212-214，268.

[5] 吳順君，梅曉春.雷達信號處理和數(shù)據(jù)處理技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：103-146,14-85.

[6] 弋穩(wěn).雷達接收機技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：180-186.

[7] 袁仁清，楊云志，王焱濱.TACAN信號處理的MATLAB仿真技術分析[J].電訊技術，2007，47(1)：196-198.

[8] 劉基余.GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法[M].北京：科學出版社，2003：103-146.

[9] 阮芳，潘成勝.基于FPGA的GPS C/A碼仿真器的設計與實現(xiàn)[J].沈陽理工大學學報，2008，27(2)：1-5.

[10]范志良，劉光斌.多通道GPS衛(wèi)星信號仿真器設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與應用，2009，45(18)：78-80.