楊博盛

(1.解放軍91404部隊,河北 秦皇島 066001；2.解放軍91336部隊，河北 秦皇島 066326)

0 引 言

當(dāng)今世界信息化變革和軍事發(fā)展迅速，復(fù)雜電磁環(huán)境日益成為人們關(guān)注的焦點，尤其是在軍事領(lǐng)域[1]。隨著各種電子信息裝備釋放的高密度、高強度、多頻譜、多體制的電磁波的不斷增加，電磁空間也成為一個重要的戰(zhàn)場空間，現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境已由海、陸、空、天的四維戰(zhàn)場空間發(fā)展成了海、陸、空、天、電磁五維戰(zhàn)場空間，構(gòu)成了現(xiàn)代戰(zhàn)場的實際戰(zhàn)區(qū)復(fù)雜電磁環(huán)境[2]。由于空間電磁設(shè)備的不斷擴張，戰(zhàn)場環(huán)境發(fā)生了重大改變，迫使信息化戰(zhàn)場從傳統(tǒng)的奪取制空權(quán)轉(zhuǎn)換為制電磁權(quán)[2]，作為信息戰(zhàn)中的電子戰(zhàn)裝備必須適應(yīng)日益復(fù)雜的電磁環(huán)境。

復(fù)雜電磁信號環(huán)境是存在于給定場所的所有電磁活動和現(xiàn)象的總和，也是電磁空間的一種具體表現(xiàn)形式，體現(xiàn)了電子系統(tǒng)或電子裝備在執(zhí)行規(guī)定任務(wù)時遇到的各種電磁輻射強度在頻域、時域、空域內(nèi)的分布態(tài)勢。對戰(zhàn)場電磁環(huán)境最本質(zhì)的特性描述就是復(fù)雜性，描述了電磁環(huán)境在一定的戰(zhàn)場時域、空域范圍內(nèi)，自然電磁現(xiàn)象、人為電磁輻射、敵我雙方激烈對抗等綜合作用所形成的電磁環(huán)境的信號密集性、體制繁雜性、動態(tài)多變性、對抗激烈性等復(fù)雜特性。電磁活動和現(xiàn)象包括自然電磁現(xiàn)象、民用電磁現(xiàn)象、敵對雙方的電磁應(yīng)用和反電磁應(yīng)用活動，涉及雷達(dá)、電子對抗、通信、導(dǎo)航、定位等，這些綜合形成了電子戰(zhàn)裝備面臨的復(fù)雜、密集、動態(tài)的電磁環(huán)境和電子威脅。

復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬器的核心任務(wù)就是在實驗室、試驗場、電子靶場等場所為電子戰(zhàn)裝備提供試驗所需的復(fù)雜電磁信號環(huán)境和電子威脅信號，以考核電子戰(zhàn)裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)能力和雷達(dá)威脅識別能力，已成為電子戰(zhàn)裝備提供試驗必不可少的重要試驗配試設(shè)備。

1 系統(tǒng)組成

復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬器的技術(shù)基礎(chǔ)為半實物仿真技術(shù)。半實物仿真技術(shù)又稱硬件在回路[3-4]，它是將數(shù)學(xué)模型、實體模擬和物理設(shè)備聯(lián)系在一起，是計算機技術(shù)與物理效應(yīng)仿真相結(jié)合的產(chǎn)物[5]。復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬器通過半實物仿真技術(shù)，構(gòu)建了集雷達(dá)威脅信號、通信信號、塔康信號、敵我識別信號、數(shù)據(jù)鏈信號模擬于一體的半實物仿真系統(tǒng)，主要由顯示控制計算機、基帶信號產(chǎn)生單元、微波射頻系統(tǒng)、功放天線單元等組成，其系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。

圖1 復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬器系統(tǒng)組成原理框圖

2 運行原理

根據(jù)電子戰(zhàn)裝備調(diào)試、試驗、訓(xùn)練、演練需求，通常要求復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬器具備雷達(dá)威脅信號、通信信號、塔康信號、敵我識別信號、數(shù)據(jù)鏈信號等電磁信號模擬能力。

雷達(dá)信號模擬時，通過顯示控制單元的人機界面設(shè)置輻射源類型，輻射源數(shù)量，載頻、重頻、脈寬、脈內(nèi)調(diào)制等輻射源參數(shù)，天線掃描等參數(shù)和輻射源開啟時刻、模式切換時刻、關(guān)閉時刻等動態(tài)特征進行設(shè)置，生成初始戰(zhàn)情數(shù)據(jù)，發(fā)送給基帶信號產(chǎn)生單元。基帶信號產(chǎn)生單元通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)構(gòu)建具有調(diào)頻調(diào)相功能的寬帶直接數(shù)字合成器(DDS)，根據(jù)收到的初始戰(zhàn)情數(shù)據(jù)，在每個仿真周期內(nèi)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，解算出輻射源的脈沖描述字(PDW)，包括每個輻射源的到達(dá)時間(TOA)、頻率(RF)、脈寬(PW)、脈幅(PA)及脈內(nèi)調(diào)制信息，并根據(jù)脈沖丟失準(zhǔn)則進行脈沖排隊，完成多個脈沖的時序排隊，生成所有雷達(dá)輻射源的脈沖描述字(PDW)數(shù)據(jù)流，控制寬帶DDS，模擬產(chǎn)生各種體制雷達(dá)輻射源信號的中頻基帶信號。雷達(dá)脈沖描述字控制流主要是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?；鶐盘柈a(chǎn)生單元產(chǎn)生的各種體制雷達(dá)威脅輻射源中頻基帶信號經(jīng)微波射頻系統(tǒng)完成上變頻和幅度控制，從而生成各種體制雷達(dá)威脅輻射源射頻信號。各種體制雷達(dá)威脅輻射源射頻信號通過射頻電纜注入被試電子戰(zhàn)裝備，或經(jīng)過功放、天線單元輻射至被試電子戰(zhàn)裝備。

通信信號模擬時，通過顯示控制單元的人機界面設(shè)置通信信號參數(shù)，包括調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、調(diào)相(PM)、單邊帶(SSB)、雙邊帶(DSB)、殘留邊帶(VSB)、連續(xù)波(CW)等模擬體制通信信號參數(shù)和幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)、幅相鍵控(APK)、正交相移鍵控(QPSK)、正交頻移差異多路技術(shù)(OFDM)等數(shù)字體制通信信號參數(shù)，發(fā)送給基帶信號產(chǎn)生單元，在基帶信號產(chǎn)生單元中完成調(diào)制映射、多速率內(nèi)插濾波、多相濾波、正交上變頻等處理，生成各種體制通信信號的基帶信號。各種體制通信信號的基帶信號經(jīng)微波射頻系統(tǒng)完成上變頻和幅度調(diào)制，從而生成各種體制通信信號。

對塔康(TACAN)信號的模擬包括基本編碼(X工作模式、Y工作模式)、基準(zhǔn)編碼(主基準(zhǔn)脈沖群、輔基準(zhǔn)脈沖群)、識別編碼(識別脈沖、平衡脈沖)、應(yīng)答狀態(tài)。塔康信號脈沖序列的發(fā)射優(yōu)先次序為主基準(zhǔn)脈沖群、輔助基準(zhǔn)脈沖群，其次是識別脈沖和平衡脈沖，最后是回答脈沖和填充脈沖。塔康信號模擬時，主要根據(jù)塔康信標(biāo)各種信號的格式及編碼格式進行脈沖排隊，并控制幅度控制器進行幅度調(diào)制，實現(xiàn)塔康信號的產(chǎn)生。

敵我識別(IFF)信號MARK X工作頻率為詢問信號1 030 MHz、應(yīng)答信號1 090 MHz，其工作模式有1、2、3/A、C、模式4(仿)、S模式等工作模式。模式1、2為軍用識別詢問，模式3/A(簡稱A模式)為兼用軍用識別和民用識別詢問，模式B只用于民用識別，模式C用于高度詢問；模式D為備用詢問模式，常用A、C兩種模式。其詢問信號的形式通常由3脈沖(分別為P1，P2，P3)詢問體制確定。即不同詢問信號的模式由脈沖P1與脈沖P3之間的不同間隔確定。P1和P2間隔在任何模式都是2 μs±0.15 μs，其中P1-P3模式詢問脈沖，詢問波束主瓣輻射。P2為旁瓣抑制脈沖(控制脈沖，抑制副瓣方向上應(yīng)答機的應(yīng)答)控制波束輻射。對MARK XII、MARK系列的碼型也可以在獲得碼型后進行升級擴展。IFF信號的產(chǎn)生原理與塔康信號產(chǎn)生原理類似。

3 模型體系

復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬器屬雷達(dá)與電子戰(zhàn)模擬仿真領(lǐng)域的核心設(shè)備，其實現(xiàn)離不開完備、逼真的仿真模型，其仿真模型體系如圖2所示。

圖2 復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬器仿真模型體系

4 設(shè)計與實現(xiàn)

復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬器包括顯示控制計算機、基帶信號產(chǎn)生單元、上變頻單元、頻率合成器、射頻通道單元、功放天線單元等組成部分。其中，基帶信號產(chǎn)生單元設(shè)計和微波射頻系統(tǒng)設(shè)計是模擬器實現(xiàn)的兩大關(guān)鍵。

4.1 基帶信號產(chǎn)生單元設(shè)計

基帶信號產(chǎn)生單元是一種通用的任意波形產(chǎn)生器模塊，是專門針對雷達(dá)信號仿真的特點(如切換時間快、脈沖沿陡、波形調(diào)制復(fù)雜)而設(shè)計的通用化模塊，利用模塊強大的軟件波形編輯和系統(tǒng)升級功能，滿足了高密度、多信號、復(fù)雜電磁環(huán)境仿真的要求[6]。基帶信號產(chǎn)生單元采用高性能FPGA和高速DAC構(gòu)建具有調(diào)頻調(diào)相功能的寬帶DDS，采用高性能數(shù)字信號處理器(DSP)和高性能FPGA構(gòu)成信號產(chǎn)生控制器，主要完成信號的時間、頻率、相位、幅度等任意調(diào)制，從而實現(xiàn)了任意波形的產(chǎn)生，具有信號瞬時帶寬寬、信號響應(yīng)速度快、能夠適應(yīng)目前及將來數(shù)字雷達(dá)技術(shù)發(fā)展需求的優(yōu)點?；鶐盘柈a(chǎn)生單元的DSP是信號解算和控制的實時解算核心，負(fù)責(zé)戰(zhàn)情的實時解算、模式切換的實時控制，生成信號脈沖描述字?jǐn)?shù)據(jù)流，采用TI公司的2片TMS320C-C6678信號處理器，是一款支持浮點運算和定點運算的高性能八核信號處理器，每核心主頻1.0 GHz/1.25 GHz，單核可達(dá)40 GMACS和20 GFLOPS，每核心32 kBL1P、32 kBL1D、512 kBL2，4 MB多核共享內(nèi)存，支持直接存儲器存取(DMA)傳輸，支持千兆以太網(wǎng)?；鶐盘柈a(chǎn)生單元的高性能FPGA用于完成與上級控制系統(tǒng)通信、與DSP通信、基帶調(diào)制信號、各微波的實時控制等。FPGA采用Xilinx V6系列芯片，該芯片具有241 152個邏輯單元、3 650個分布式隨機存儲器(RAM)、768個數(shù)字信號處理單元、2個PCI總線擴展(PCIE)接口、4個網(wǎng)絡(luò)接口以及最多可提供20個GTX高速接口和600根數(shù)字IO，可配置成TTL或者低壓差分信號(LVDS)電平形式，該FPGA具有串行、串行外設(shè)接口(SPI)、字節(jié)外設(shè)接口(BPI)等多種配置方式，以及豐富的時鐘資源?；鶐盘柈a(chǎn)生單元的高性能DAC選用AD9739轉(zhuǎn)換芯片，該DAC芯片是一款14 bit高性能DAC，提供高達(dá)2 500 MSPS的采樣速率，支持多個奈奎斯特頻率的基帶多音信號產(chǎn)生，可產(chǎn)生帶寬高達(dá)1 GHz的低噪聲、低交調(diào)失真的高質(zhì)量寬帶信號，無雜散動態(tài)范圍可達(dá)60 dBc@2 GSPS，同時帶有雙端口LVDS接口?；鶐盘柈a(chǎn)生單元的組成原理框圖如圖3所示。

圖3 基帶信號產(chǎn)生單元的組成原理框圖

4.2 微波射頻系統(tǒng)設(shè)計

微波射頻系統(tǒng)主要功能是對基帶產(chǎn)生單元生成的中頻基帶信號進行上變頻、幅度調(diào)制，模擬產(chǎn)生各種體制雷達(dá)威脅信號、各種體制通信信號、塔康信號、敵我識別信號、數(shù)據(jù)鏈信號的射頻信號，微波射頻系統(tǒng)組成原理框圖如圖4所示。

圖4 微波射頻系統(tǒng)組成原理框圖

4.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬軟件采用VC++和微軟VS工具開發(fā)，采用Windows操作系統(tǒng)，符合標(biāo)準(zhǔn)Windows設(shè)計風(fēng)格。復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬軟件的主要任務(wù)是完成模擬器系統(tǒng)的綜合操控、運行控制、綜合顯示，進行模擬器的軟硬件初始化、戰(zhàn)情的設(shè)置與運行，戰(zhàn)情解算與分解、態(tài)勢和狀態(tài)的顯示，實時控制硬件系統(tǒng)完成雷達(dá)威脅信號、通信信號、塔康信號、敵我識別信號、數(shù)據(jù)鏈信號的模擬，以及保障模擬器各組成部分之間的信息通信和密切配合。復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬軟件流程設(shè)計如圖5所示，人機界面設(shè)計如圖6、圖7、圖8所示。

圖5 復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬軟件流程

圖6 綜合控制人機界面

圖7 通信模擬人機界面

圖8 雷達(dá)威脅信號模擬人機界面

5 結(jié)束語

復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬器屬雷達(dá)與電子戰(zhàn)模擬仿真領(lǐng)域的核心設(shè)備，采用半實物仿真技術(shù)，是電子戰(zhàn)裝備提供試驗必不可少的重要試驗配試設(shè)備，具備雷達(dá)威脅信號、通信信號、塔康信號、敵我識別信號、數(shù)據(jù)鏈信號等電磁信號模擬能力。本文闡述了復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬器的系統(tǒng)組成、運行原理、模型體系、系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，以期作為復(fù)雜電磁威脅信號環(huán)境模擬器研制的參考。