彭煒杰，張林讓?zhuān)?妍

(西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

基于VS2010的雷達(dá)信號(hào)自動(dòng)測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

彭煒杰，張林讓?zhuān)?妍

(西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

傳統(tǒng)方法對(duì)雷達(dá)信號(hào)分析與測(cè)試是通過(guò)示波器與頻譜儀聯(lián)合完成，耗費(fèi)巨大、操作復(fù)雜、功能單一，而且無(wú)法完整描繪復(fù)雜調(diào)制類(lèi)型雷達(dá)信號(hào)的所有特征。針對(duì)這些缺陷，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于VS2010的雷達(dá)信號(hào)自動(dòng)測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)和雷達(dá)收發(fā)性能的測(cè)試及全面分析。文中簡(jiǎn)述了軟件的總體設(shè)計(jì)及各功能的測(cè)試方法，并對(duì)軟件界面及其功能設(shè)計(jì)給出了具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，具有集成度高、通用性好和擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于對(duì)雷達(dá)信號(hào)和系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)量與評(píng)估。

VS2010；自動(dòng)測(cè)試；雷達(dá)性能分析；模塊化

傳統(tǒng)儀器對(duì)雷達(dá)信號(hào)的測(cè)試只能實(shí)現(xiàn)對(duì)其部分參數(shù)的測(cè)量。例如，示波器只能測(cè)量雷達(dá)信號(hào)的時(shí)域特征，頻譜儀則只能測(cè)量雷達(dá)信號(hào)的頻域特征[1-2]。因此，雷達(dá)信號(hào)自動(dòng)測(cè)試軟件是實(shí)現(xiàn)針對(duì)雷達(dá)信號(hào)的一鍵式自動(dòng)測(cè)試與分析。能方便地測(cè)量雷達(dá)信號(hào)的時(shí)域、頻域、調(diào)制域參數(shù)，評(píng)估信號(hào)質(zhì)量，并給出雷達(dá)收發(fā)信機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，方便雷達(dá)工程師對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試。

1 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件總體采用模塊化的設(shè)計(jì)思想[3]，將整個(gè)軟件設(shè)計(jì)為接口模塊、分析與測(cè)試模塊以及界面顯示模塊。整體軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件模塊構(gòu)成

(1)接口模塊。主要用于實(shí)現(xiàn)軟件與儀器之間的通信聯(lián)系，更能使多臺(tái)儀器和軟件協(xié)同工作，提高工作效率。LAN/GPIB接口用于軟件對(duì)外部?jī)x器進(jìn)行連接控制，并支持實(shí)時(shí)讀取信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析[4-5]。文件導(dǎo)入接口支持對(duì)*.csv、*.txt、*.mat等多種格式的雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行讀取分析。結(jié)果輸出接口用于對(duì)分析完成的數(shù)據(jù)及分析測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行保存，便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析對(duì)比；

(2)分析模塊。是軟件功能實(shí)現(xiàn)的主要部分。完成了對(duì)常用雷達(dá)信號(hào)在時(shí)域、頻域以及調(diào)制域的分析，并對(duì)測(cè)試得到的雷達(dá)收發(fā)信機(jī)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；

(3)界面顯示模塊。用于對(duì)軟件分析結(jié)果進(jìn)行顯示，主要的表現(xiàn)方式有波形圖和列表。軟件采用TeeChart ActiveX控件完成波形圖的繪制，Teechart控件提供了大量豐富、直觀的圖標(biāo)樣式，能夠滿(mǎn)足軟件圖形繪制的需求。采用MFC中的CListCtrl類(lèi)對(duì)列表進(jìn)行繪制[6]，可自由控制顏色、行高、字體大小和表格大小，使得圖表顯示結(jié)果清晰美觀。

2 軟件界面設(shè)計(jì)

為了體現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)自動(dòng)測(cè)試軟件一鍵式測(cè)量的特點(diǎn)，界面應(yīng)力求簡(jiǎn)潔、便于操作。通過(guò)下拉菜單按鈕，可對(duì)顯示圖表進(jìn)行修改，包括時(shí)域、頻域、調(diào)制域相關(guān)測(cè)試參數(shù)的調(diào)整。界面顯示采用1×1，1×2，1×3，…，3×2等8種窗口布局方式，通過(guò)繼承CMainFrame類(lèi)的AdjustDockingLayout函數(shù)來(lái)控制菜單欄和狀態(tài)欄，以及CPane類(lèi)對(duì)象發(fā)生改變時(shí)客戶(hù)區(qū)的排列布局[7]，實(shí)現(xiàn)了窗口布局多樣化。通過(guò)對(duì)雷達(dá)信號(hào)制式的選擇，軟件將自動(dòng)配置與之相應(yīng)的測(cè)試圖表并顯示。圖2給出了信號(hào)類(lèi)型為線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)時(shí)的圖表分析結(jié)果。

圖2 線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)分析

3 軟件功能實(shí)現(xiàn)

軟件功能主要是完成對(duì)雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)寬帶調(diào)頻信號(hào)各種參數(shù)的測(cè)量、對(duì)發(fā)射系統(tǒng)信號(hào)頻率穩(wěn)定度的測(cè)量、對(duì)雷達(dá)收發(fā)信機(jī)之間直流泄露信號(hào)參數(shù)和直流抑制性能等系統(tǒng)性能參數(shù)的測(cè)量。

3.1 雷達(dá)信號(hào)參數(shù)測(cè)試

信號(hào)參數(shù)分析：包括對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域以及調(diào)制域分析3個(gè)方面。軟件讀取由頻譜儀采集的雷達(dá)收發(fā)通道輸出的I、Q路信號(hào)，然后通過(guò)選擇不同的功能按鈕對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。

對(duì)于時(shí)域分析功能的實(shí)現(xiàn)，首先采用平滑估計(jì)法[8]計(jì)算出信號(hào)包絡(luò)，再根據(jù)包絡(luò)估算出信號(hào)各分段內(nèi)的幅值，從而估算出信號(hào)時(shí)域各參數(shù)，測(cè)量流程如圖3所示。

圖3 信號(hào)時(shí)域參數(shù)測(cè)量流程

對(duì)于頻域分析功能的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)用FFTW庫(kù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換得到信號(hào)幅頻特性。軟件分析流程如圖4所示。

圖4 信號(hào)頻域參數(shù)測(cè)量流程

對(duì)于時(shí)頻分析功能，軟件主要采用相位差分法[9]、短時(shí)傅里葉變換以及Gabor變換[10]等方法對(duì)不同類(lèi)型的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行分析。結(jié)果以全景圖、三維圖、曲線(xiàn)或表格的形式顯示出來(lái)，分析流程如圖5所示。

圖5 信號(hào)調(diào)制域參數(shù)測(cè)量流程

3.2 雷達(dá)收發(fā)信機(jī)性能參數(shù)分析

(1)接收機(jī)鏡頻抑制性能測(cè)量。

在雷達(dá)接收回波信號(hào)的過(guò)程中，接收信號(hào)除了包含期望頻率的信號(hào)外，接收機(jī)通道還會(huì)產(chǎn)生鏡頻和諧波信號(hào)。非期望信號(hào)作為干擾信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)匹配聚焦，影響頻域相位噪聲測(cè)量。因此鏡頻分量的抑制能力是影響雷達(dá)接收機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)[11]。

設(shè)雷達(dá)接收機(jī)通道輸出的中頻回波信號(hào)模型如式(1)所示，其中，fd為多普勒頻率。則經(jīng)過(guò)數(shù)字混頻后輸出的I/Q路信號(hào)可分別用式(2)[12]和式(3)[12]表示，其中，Δ表示I/Q路通道的幅度不一致性，δ表示為相位不正交性

s(t)=cos2π(f0+fd)t

(1)

sI(n)=cos2π(f0+fd)nΔt×cos2πf0nΔt

(2)

sQ(n)=-cos[2π(f0+fd)nΔt](1+Δ)×sin(2πf0nΔt+δ)

(3)

軟件對(duì)I/Q路信號(hào)進(jìn)行讀取，通過(guò)濾波器并合成復(fù)信號(hào)后各頻點(diǎn)幅值可用式(4)和式(5)表示，其中，Afd是零中頻回波信號(hào)幅值；A-fd是鏡頻信號(hào)幅值；γ是濾波器阻帶衰減。則鏡頻抑制性能可用鏡頻抑制比衡量，鏡頻抑制比即鏡頻信號(hào)與回波信號(hào)幅值之比，計(jì)算方法如式(6)所示

(4)

(5)

(6)

(2)發(fā)射機(jī)頻率穩(wěn)定度分析。

頻率源內(nèi)部噪聲對(duì)振蕩信號(hào)的頻率和相位均會(huì)產(chǎn)生調(diào)制，使輸出信號(hào)的頻率或相位產(chǎn)生起伏[13]。這種由噪聲調(diào)制造成的頻率和相位的隨機(jī)起伏稱(chēng)為頻率穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度，實(shí)為頻率不穩(wěn)定度。測(cè)量由被測(cè)頻率源內(nèi)部噪聲調(diào)相、調(diào)頻造成的輸出信號(hào)噪聲邊帶，即為頻域相位噪聲測(cè)量，式(7)給出了單邊帶相位噪聲的計(jì)算方法，其中，Pm為偏離載頻的一個(gè)相位調(diào)制帶的平均功率；Pc是載波功率；Bn是測(cè)量系統(tǒng)的等效噪聲分析帶寬

(7)

通常，相位噪聲的測(cè)量方法有3種：直接頻譜儀法、相位檢波器法和鑒相器法[14]。采用直接頻譜儀法結(jié)合測(cè)試軟件測(cè)量相位噪聲的流程如圖6所示。通過(guò)軟件中的頻譜儀參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，可對(duì)頻譜儀中心頻率進(jìn)行調(diào)諧，顯示距離中心頻率不同頻率值處的相位噪聲大小值。

圖6 相位噪聲測(cè)量流程

(3)直流抑制性能分析。

對(duì)于連續(xù)波體制雷達(dá)，當(dāng)發(fā)射機(jī)通道和接收機(jī)通道無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全物理隔離，在發(fā)射信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)泄露，即接收機(jī)通道中會(huì)產(chǎn)生來(lái)自發(fā)射通道的發(fā)射信號(hào)。泄露信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)混頻器射頻口與本振信號(hào)混頻，當(dāng)差拍頻率為0時(shí)產(chǎn)生直流信號(hào)。疊加在基帶信號(hào)上的直流信號(hào)會(huì)對(duì)基帶信號(hào)產(chǎn)生干擾，因此對(duì)直流抑制能力的分析是考察雷達(dá)性能的一個(gè)重要途徑[15]。

直流抑制性能的測(cè)試及分析過(guò)程如圖7所示。點(diǎn)擊軟件界面上的測(cè)試模式選擇按鈕，首先選擇發(fā)射機(jī)通道為測(cè)量通道，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并分析，得到發(fā)射信號(hào)幅值A(chǔ)1。然后將測(cè)試通道切換為接收機(jī)通道，對(duì)接收機(jī)零中頻處采集到的信號(hào)進(jìn)行分析，得到泄露信號(hào)幅值A(chǔ)2，則通道間直流抑制性能可通過(guò)式(8)計(jì)算。

(8)

圖7 直流抑制性能測(cè)量流程

4 結(jié)束語(yǔ)

本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)信號(hào)參數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)性能測(cè)試提出了準(zhǔn)確、高效的測(cè)試方法，測(cè)試軟件在VS2010平臺(tái)上完成了對(duì)于雷達(dá)信號(hào)參數(shù)和雷達(dá)收發(fā)信機(jī)性能參數(shù)的測(cè)量，操作簡(jiǎn)單、功能全面、界面簡(jiǎn)潔美觀，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)試方法操作復(fù)雜、功能單一等方面的缺陷，可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)信號(hào)分析和雷達(dá)系統(tǒng)性能測(cè)試等領(lǐng)域。

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Design of Radar Signal Auto Test Software Based on VS2010

PENG Weijie，ZHANG Linrang，MENG Yan

(National Key Laboratory of Science And Technology on Radar Signal Processing,Xidian University,Xi’an,710071,China)

The traditional analysis and measurement of radar signal is based on the combination of oscilloscope and spectrometer，resulting in a high cost,complicated operation and single function,which can not have a comprehensive description of complex modulated radar signals. In order to remedy this disadvantages,a radar signal auto measurement software is designed and developed based on VS2010 platform,this software can not only analyze and measure the radar signal but also evaluate the performance of radar transmitter and receiver. The software is designed in to several module,and having advantages of high integration level,universality and expansibility,could be applied into the measurement and evaluate of radar system.

VS2010;autotest;evaluate radar performance;modularization

TN957.51;TP391

A

1007-7820(2017)11-021-04

2016- 12- 14

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目 (2012YQ20022405)

彭煒杰(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：針對(duì)多種雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行多域聯(lián)合分析。張林讓(1966-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：自適應(yīng)信號(hào)處理等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.006