林沂杰，梁 晶，張坤峰

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇揚(yáng)州225101）

0 引 言

隨著雷達(dá)技術(shù)和電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，目前雷達(dá)信號(hào)仿真對(duì)信號(hào)的頻率、脈寬、功率、調(diào)制的控制要求越來(lái)越靈活，要求多個(gè)參數(shù)可以任意組合，對(duì)仿真的復(fù)雜度和仿真可信度提出了更高的要求。雷達(dá)信號(hào)半實(shí)物仿真，其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)任意波形產(chǎn)生器在適當(dāng)?shù)臅r(shí)域、頻域、空域產(chǎn)生被試裝備所需要的信號(hào)，對(duì)被試裝備的技戰(zhàn)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)、測(cè)試、評(píng)估。［1］

盡管成熟的商用任意波形產(chǎn)生器有其靈活的波形產(chǎn)生能力，但由于參數(shù)編輯復(fù)雜，波形文件過(guò)大，置頻時(shí)間長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足高密度仿真、多信號(hào)、復(fù)雜電磁環(huán)境半實(shí)物仿真的要求。

隨著雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真信號(hào)波形產(chǎn)生器具備了一定的任意波形產(chǎn)生功能，但大多功能比較單一，結(jié)構(gòu)形式多樣，接口繁多，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。通用雷達(dá)仿真基帶任意波形產(chǎn)生模塊就是專(zhuān)門(mén)針對(duì)雷達(dá)信號(hào)仿真的特點(diǎn)，如切換時(shí)間快、脈沖沿陡、波形調(diào)制復(fù)雜而設(shè)計(jì)的通用化模塊。

1 技術(shù)設(shè)計(jì)

通用雷達(dá)仿真基帶任意波形產(chǎn)生模塊將外圍總線接口電路、基帶波形編輯產(chǎn)生電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、開(kāi)關(guān)濾波組件、放大濾波組件、電源等集成在一個(gè)3U殼體內(nèi)。模塊和主機(jī)之間通過(guò)總線通信，與外圍系統(tǒng)通過(guò)自定義總線進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，所有功能電路、組件相對(duì)獨(dú)立，可以通過(guò)更換不同的電路或組件提升系統(tǒng)性能。模塊框圖見(jiàn)圖1。

（1）基帶波形編輯產(chǎn)生電路由一個(gè)FPGA與兩片DAC組成。在FPGA上通過(guò)編程的方式完成所有基帶數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生，通過(guò)DAC以及后端開(kāi)關(guān)濾波組件產(chǎn)生各種所需要的波形，外部接口通過(guò)高速接插件和其他組件相連。電路框圖見(jiàn)圖2，虛框部分表示可擴(kuò)展功能單元。

圖1 模塊設(shè)計(jì)框圖

圖2 基帶波形編輯產(chǎn)生電路圖

在本設(shè)計(jì)中要求2.4 GHz采樣率的DAC輸出0.1～1.1 GHz／1.3～2.3 GHz 的基帶射頻信號(hào)。 根據(jù)采樣定理，信號(hào)基于每一采樣域無(wú)限被復(fù)制。在理論上，2.4 GHz采樣率取第2采樣域的信號(hào)即可，DAC實(shí)際輸出1.3～2.3 GHz的基帶信號(hào)。但是如果不經(jīng)過(guò)特殊處理，信號(hào)在高采樣域功率和頻譜質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足實(shí)際要求。在變換采樣率的情況下，可以改善各個(gè)采樣域頻譜分量結(jié)構(gòu)。對(duì)于要求在第1、第2采樣域有較好的帶內(nèi)平坦度，可以使用“歸零”插值，此時(shí)采樣率提高1倍，但信號(hào)在整個(gè)采樣域內(nèi)的功率下降。要求是盡可能提高第2、第3、第4采樣域信號(hào)的功率，而抑制第1采樣率信號(hào)的功率，可以使用反向插值或混合插值的方式。反向插值也叫混頻插值，其本質(zhì)就是在采樣率提高1倍的情況下將和信號(hào)值相反的值插入序列中。這樣插入的序列和原始序列頻率是一致的，但頻譜分量在采樣域的分布是不一樣的。插值后的序列信號(hào)功率在第2、第3采樣域功率較高，尤其在第2采樣域功率達(dá)到最大。［2?3］

盡管反向插值在第3采樣域信號(hào)功率有明顯提高，但相對(duì)于第2采樣域仍有不足。若要求提高更高采樣域的信號(hào)功率，可以采用混合插值方式?；旌喜逯狄步猩漕l插值，其本質(zhì)是將原序列某一采樣點(diǎn)持續(xù)的時(shí)間分成多段（一般受DAC帶寬的限制，分成3段），第1段為原序列的值，第2段反向插值，第3段歸零插值，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜分量盡可能落在高采樣域，可以控制每一段的時(shí)間改變每一采樣域的頻譜分量結(jié)構(gòu)。 要實(shí)現(xiàn) 2.4 GHz采樣率的 DAC 輸出 1.3～2.3 GHz的基帶信號(hào)，實(shí)際上就是在100 MHz～1.1 GHz信號(hào)序列的基礎(chǔ)上進(jìn)行混合插值，改變采樣率，提高第3采樣域的信號(hào)，抑制其他采樣域的信號(hào)。

任意波形發(fā)生器其核心要求波形任意可編程，具體表現(xiàn)在頻率調(diào)制、相位調(diào)制、幅度調(diào)制、脈沖沿形狀調(diào)制等方面，而用于仿真的任意波形發(fā)生器主要體現(xiàn)在頻率調(diào)制、相位調(diào)制、以及部分幅度調(diào)制。當(dāng)然在要求苛刻的場(chǎng)合要求脈沖沿形狀調(diào)制，由于脈沖沿形狀的調(diào)制還需采用額外的硬件和采用特殊的方式，在此不作進(jìn)一步分析和敘述。

無(wú)論是頻率調(diào)制、相位調(diào)制、幅度調(diào)制都是信號(hào)基于時(shí)間的函數(shù)。在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，可以取1 000個(gè)點(diǎn)，即每種調(diào)制樣式離散成一個(gè)1 000點(diǎn)的序列，預(yù)先通過(guò)加載的方式加載到FPGA的內(nèi)存中，根據(jù)不同的調(diào)制周期控制每一點(diǎn)持續(xù)的時(shí)間，即可獲得所期望的波形。所以，波形的設(shè)計(jì)都是基于自定義方式的。

（2）時(shí)鐘產(chǎn)生電路主要由晶振、開(kāi)關(guān)、功分器、放大器和諧波發(fā)生器等組成，其電路原理框圖如圖3所示，其主要功能為DDS及信號(hào)控制模塊提供時(shí)鐘信號(hào)和本振信號(hào)。

時(shí)鐘產(chǎn)生電路信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程：對(duì)外部時(shí)鐘或內(nèi)部晶振放大功分3路，第1路取其諧波信號(hào)200 MHz，再經(jīng)放大器和諧波發(fā)生器產(chǎn)生2.4和3.2 GHz本振信號(hào)；第2路取100 MHz，為系統(tǒng)提供參考信號(hào)；在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到其他本振信號(hào)的使用，第3路為預(yù)留通道，方便以后擴(kuò)展，見(jiàn)圖3中虛線部分。

（3）開(kāi)關(guān)濾波組件主要由開(kāi)關(guān)、放大器和帶通濾波器等組成，其原理框圖如圖4所示，其主要功能為DDS及信號(hào)控制模塊產(chǎn)生的基帶射頻信號(hào)2～3 GHz或 1.3～2.3 GHz進(jìn)行濾波。

基帶射頻信號(hào) 1.3～2.3 GHz 即是 2.4 GHz 采樣率，基帶信號(hào)100～1 100 MHz取第3采樣域的信號(hào)。在此過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生第2采樣域的信號(hào)1.3～2.3 GHz和第4采樣域的信號(hào) 2.5～3.5 GHz。 因此，先經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波。為了滿(mǎn)足調(diào)頻帶寬50 MHz要求，這里選取 1.275～2.325 GHz帶通濾波器。

基帶射頻信號(hào)2～3 GHz濾波器組選取可參考1.3～2.3 GHz基帶射頻信號(hào)。

圖3 時(shí)鐘產(chǎn)生電路原理框圖

圖4 開(kāi)關(guān)濾波組件原理框圖

（4）放大濾波組件主要由放大器、低通濾波器和開(kāi)關(guān)等組成，其原理框圖如圖5所示，其主要功能為開(kāi)關(guān)濾波組件輸出的信號(hào)進(jìn)行放大濾波。

圖5 放大濾波組件原理框圖

對(duì)開(kāi)關(guān)濾波組件輸出信號(hào)先進(jìn)行放大，彌補(bǔ)后端低通濾波器和開(kāi)關(guān)插損，再利用低通濾波器對(duì)放大信號(hào)諧波進(jìn)行濾除，即可確保輸出信號(hào)滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

（5）外圍總線接口電路主要負(fù)責(zé)與外部通信，通過(guò)接插件和基帶波形編輯產(chǎn)生電路互聯(lián)。

2 測(cè)試結(jié)果

圖6～8給出了頻譜儀測(cè)出的雷達(dá)仿真基帶任意波形產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相信號(hào)。從圖中可看出，產(chǎn)生的信號(hào)是理想可用的，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。圖6中，橫軸為1.36 GHz的掃頻帶寬，縱軸為每格10 dBm的幅度。圖7中，橫軸為1.02 GHz的掃頻帶寬，縱軸為每格10 dBm的幅度。圖8中，橫軸為10 MHz的掃頻帶寬，縱軸為每格10 dBm的幅度。

圖6 帶寬1 GHz、調(diào)幅深度40 dBc的調(diào)頻加調(diào)幅信號(hào)

圖7 帶寬1 GHz的線性調(diào)頻信號(hào)

圖8 7位巴克碼調(diào)相信號(hào)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用通用雷達(dá)仿真基帶任意波形產(chǎn)生模塊，利用其強(qiáng)大的軟件編輯和系統(tǒng)升級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)基帶內(nèi)的頻率、脈寬、功率、調(diào)制等任意可編程，參數(shù)切換時(shí)間優(yōu)于商用任意波形發(fā)生器、形成標(biāo)準(zhǔn)模塊。該模塊應(yīng)用于雷達(dá)信號(hào)仿真，可以適應(yīng)大多數(shù)雷達(dá)信號(hào)仿真的需求，并可以逐步推廣到其他領(lǐng)域。