任黎麗 徐海燕

(上海精密計(jì)量測試研究所，上海 201109)

1 引 言

在間斷半主動(dòng)系統(tǒng)中，制導(dǎo)站中的跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)在照射期間采用了間斷照射技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)照射能力。制導(dǎo)站的照射雷達(dá)、目標(biāo)和導(dǎo)彈構(gòu)成了無線電尋的系統(tǒng)的三要素[1]。照射期間按照一定程序給每發(fā)導(dǎo)彈發(fā)送識(shí)別碼與指令信號(hào)，該信號(hào)的特點(diǎn)是調(diào)制信號(hào)波形復(fù)雜、定時(shí)精確、傳輸誤碼率低，導(dǎo)引頭直波接收機(jī)從直波信號(hào)中提取約定的識(shí)別碼與指令信息[2]。因此，這種復(fù)雜調(diào)制信號(hào)的仿真是制導(dǎo)末段間斷半主動(dòng)導(dǎo)引頭體制研究的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的基于FPGA的編程的方法具有效率低、擴(kuò)展性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室已有的信號(hào)源在微波波段可以產(chǎn)生一些簡單的脈沖信號(hào)，但是不能滿足導(dǎo)引頭實(shí)驗(yàn)測試需要，需要外部加載所需的脈沖信號(hào)，這種信號(hào)可以通過仿真軟件模擬；目前的任意波形發(fā)生器不僅能產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波等規(guī)則波形，而且可以通過上位機(jī)或下位機(jī)編輯，產(chǎn)生真正意義上的任意波形[3]。因此，研究基于實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)儀器儀表和仿真技術(shù)來產(chǎn)生這種復(fù)雜信號(hào)的方法具有重要意義。

基于MATLAB的間斷照射雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)可以應(yīng)用于制導(dǎo)末段間斷半主動(dòng)導(dǎo)引頭體制研究。MATLAB是用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互環(huán)境[4]。對(duì)于越復(fù)雜的波形，定義描述過程就越困難，對(duì)高度復(fù)雜并需要全部細(xì)節(jié)的波形，要求波形存儲(chǔ)器的長度足夠長。在MATLAB編程時(shí)，復(fù)雜的副載波調(diào)制信號(hào)必須按時(shí)間段分別定義，并按序列串聯(lián)起來，這些分別定義的波形文件可組成波形庫，方便調(diào)用。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，我們用計(jì)算機(jī)軟件編程的方式來模擬雷達(dá)信號(hào)模型，建立MATLAB數(shù)學(xué)模型，得到一個(gè)周期的仿真波形，利用所建立信號(hào)的數(shù)學(xué)模型生成雷達(dá)信號(hào)波形數(shù)據(jù)。本文介紹了模擬該信號(hào)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

2 間斷照射雷達(dá)信號(hào)特點(diǎn)

復(fù)雜間斷照射雷達(dá)信號(hào)是一個(gè)周期性的、間斷輻射的連續(xù)波信號(hào)，在間斷輻射的持續(xù)輻射階段，該信號(hào)是一個(gè)疊加了多個(gè)副載波信號(hào)的復(fù)合調(diào)制形式。信號(hào)形式為[5]

(1)

式中：K——開關(guān)信號(hào)；f0——載波頻率；fi——副載頻；ai——位信息(0或1)；A(t)——平滑振幅包絡(luò)線；β0——相位調(diào)制指數(shù)。

副載波信號(hào)由i個(gè)副載波頻率信號(hào)組合的信號(hào)形式，其出現(xiàn)的情況也是突變的，由ai決定，而且副載波調(diào)制幅度也是時(shí)變的，由β0決定，導(dǎo)致在頻域上來看副載波的頻率是跳頻、幅度是跳變的形式，間斷輻射射頻信號(hào)的載波與副載波的幅度比也是變化的，因此形成的修正指令信號(hào)非常復(fù)雜。該信號(hào)的時(shí)序圖如圖1所示。

圖1 間斷照射信號(hào)時(shí)序圖Fig.1 Sequence diagram for intermittent illumination signal

圖1中，TI為照射期持續(xù)寬度，Tr為照射周期(Tr>>TI)。照射器在照射時(shí)間TI內(nèi)輻射含有無線電修正指令的調(diào)制信號(hào)，在Tr-TI這段時(shí)間內(nèi)不含有任何指令信息[6]。當(dāng)傳送的信息碼各位均為1時(shí)，在照射時(shí)間TI內(nèi)，副載波頻率調(diào)制信號(hào)形式為

m(t)=β0A(t)cos2πfit

(2)

式中：β0——相位調(diào)制指數(shù)；τd——副載波包絡(luò)周期；fi——副載波頻率。

可以看出，調(diào)制信號(hào)中包含經(jīng)過幅度調(diào)制的副載波信息和副載波包絡(luò)等信息。根據(jù)調(diào)制信號(hào)特點(diǎn)，同一時(shí)刻，信號(hào)頻譜上同時(shí)存在多個(gè)副載頻，而且同一副載頻會(huì)在不同時(shí)間出現(xiàn)在信號(hào)頻譜上。因此，從頻域上看，信號(hào)非常復(fù)雜。對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)，關(guān)鍵點(diǎn)是如何獲取復(fù)合調(diào)制的基帶信號(hào)，這種復(fù)雜調(diào)制信號(hào)含副載波頻率fi、副載波包絡(luò)周期τd以及相位調(diào)制指數(shù)β0及編碼信息等。

3 復(fù)雜間斷照射雷達(dá)信號(hào)的設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)方案

本文利用任意波形產(chǎn)生器的直接內(nèi)存操作編輯法產(chǎn)生波形。該方法是一種更利于產(chǎn)生復(fù)雜信號(hào)的方法。它利用外部開發(fā)的程序?qū)Σㄐ螖?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，然后將數(shù)據(jù)通過外部高速接口傳送到任意波形發(fā)生器的波形存儲(chǔ)器或目錄存儲(chǔ)器中，并將兩路波形通過不同通道輸出。

具體實(shí)現(xiàn)過程為：通過MATLAB軟件對(duì)副載頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行仿真，按照時(shí)序要求對(duì)碼信息進(jìn)行排列，建立MATLAB數(shù)學(xué)模型，得到一個(gè)周期的仿真波形。通過Keysight公司的波形編輯軟件33503A將MATLAB仿真產(chǎn)生的副載波調(diào)制信號(hào)和脈沖開關(guān)信號(hào)分別加載到任意波形發(fā)生器33500B的通道1和通道2，將通道1輸出的副載波信號(hào)加載到微波信號(hào)源E8257D上進(jìn)行相位調(diào)制，將通道2輸出的脈沖開關(guān)信號(hào)加載到微波信號(hào)源E8257D上進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而輸出一個(gè)復(fù)雜的間斷照射雷達(dá)信號(hào)。具體波形產(chǎn)生方案如圖2所示。

就其體例來說，批評(píng)本每章回前必有總評(píng)，皆以其極深研幾之工夫，承上啟下?！端疂G傳》奇文每有尋常處，讀者通覽皆取其大概，不得要領(lǐng)。鮑鵬山在隱于不言、細(xì)入無間的碎片化生活中，將水滸人物舉手投足，謔笑與沉默中的人性與道德解剖在塵囂的手術(shù)臺(tái)上。

圖2 復(fù)雜間斷照射雷達(dá)信號(hào)波形產(chǎn)生方案框圖Fig.2 Waveform generation scheme of complex intermittent irradiation Radar signal

需要注意的是，將產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)下載到任意波形發(fā)生器的波形存儲(chǔ)器中后，需要將兩個(gè)通道的任意波形設(shè)置為同步觸發(fā)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)復(fù)雜調(diào)制基帶信號(hào)的仿真，包括消隱脈沖信號(hào)和副載波調(diào)制信號(hào)的仿真。其中副載波調(diào)制信號(hào)包括振幅包絡(luò)信號(hào)、地址碼調(diào)制信號(hào)、信息碼調(diào)制信號(hào)、一個(gè)單元的副載波調(diào)制信號(hào)以及完整周期的無線電修正指令信號(hào)仿真。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為Windows7操作系統(tǒng)，仿真平臺(tái)為MATLAB7.0及以上，對(duì)于不同的照射頻率，信號(hào)產(chǎn)生過程示意圖如圖3所示。

圖3 基帶復(fù)雜調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生示意框圖Fig.3 Schematic diagram of base-band complex modulation signal generation

圖3中，通過對(duì)不同時(shí)序高低電平的控制，產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)；通過將副載波信號(hào)與位信息乘積后求和，并進(jìn)行包絡(luò)調(diào)制，得到含識(shí)別碼和指令信息的副載波調(diào)制信號(hào)。

基帶信號(hào)生成以后，要將基帶信號(hào)調(diào)制到雷達(dá)工作的頻段上，具體復(fù)雜間斷照射雷達(dá)信號(hào)的仿真流程如圖4所示。

圖4 復(fù)雜間斷照射雷達(dá)信號(hào)仿真流程框圖Fig.4 Simulation procedure of complex intermittent illumination radar

1)脈沖信號(hào)和副載波調(diào)制信號(hào)仿真

使用MATLAB軟件仿真產(chǎn)生一個(gè)副載波調(diào)制信號(hào)和一個(gè)脈沖信號(hào)，然后使用“csvwrite”函數(shù)把波形保存成CSV文件；

2)數(shù)據(jù)導(dǎo)入波形編輯軟件33503A

33503A BenchLink Waveform Builder Pro軟件是適用于脈沖/函數(shù)/任意波形發(fā)生器的全功能波形生成軟件，可充分結(jié)合Keysight 33500B系列波形發(fā)生器的信號(hào)生成能力，快速生成定制的波形[7]；

打開波形編輯軟件33503A，設(shè)置文件的時(shí)間長度length和采樣頻率sam與MATLAB仿真的基帶數(shù)據(jù)相匹配，將生成的兩個(gè)CSV文件分別加載到軟件33503A中?？梢詫⒎謩e加載好的兩個(gè)波形文件另存為.barb格式的文件，方便以后直接調(diào)用。

3)波形導(dǎo)入任意波形發(fā)生器33522B

使用33522B可以利用USB、LAN等標(biāo)準(zhǔn)接口連接到PC，結(jié)合MATLAB環(huán)境創(chuàng)建的波形，并將其下載到任意波形發(fā)生器中[8]。利用33503A軟件的communication功能，掃描儀器并確認(rèn)連接成功后，將33503A軟件中的波形分別導(dǎo)入到任意波形發(fā)生器33522B的通道1和通道2中。通過【Parameters】和【Syn】功能鍵設(shè)置兩路輸出信號(hào)同步觸發(fā)；

4)通過信號(hào)源E8257D調(diào)制到載波上

將微波信號(hào)源E8257D設(shè)置為外部相位調(diào)制，任意波發(fā)生器輸出的副載波信號(hào)加載到微波信號(hào)源E8257D上進(jìn)行相位調(diào)制；將微波信號(hào)源E8257D設(shè)置為外脈沖調(diào)制，將任意波形發(fā)生器脈沖信號(hào)輸出端連接到E8257D的脈沖輸入端。

設(shè)置微波信號(hào)源的載波頻率和輸出信號(hào)功率，將射頻開關(guān)打開，微波信號(hào)源將輸出一個(gè)復(fù)雜的間斷照射雷達(dá)信號(hào)。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)過程：選用keysight公司的E8257D微波信號(hào)源和33522B任意波形發(fā)生器兩臺(tái)通用信號(hào)產(chǎn)生器，結(jié)合MATLAB軟件模擬實(shí)際雷達(dá)信號(hào)。

1)使用MATLAB軟件仿真產(chǎn)生一個(gè)脈沖開關(guān)信號(hào)如圖5所示，然后把波形保存成CSV文件；

圖5 脈沖開關(guān)信號(hào)波形圖Fig.5 Pulse switching signal

2)使用MATLAB軟件仿真產(chǎn)生一個(gè)副載波調(diào)制信號(hào)如圖6所示，然后把波形保存成CSV文件；

圖6 副載波調(diào)制信號(hào)圖Fig.6 Sub-carrier modulation signal

3)在33503A中打開保存好的CSV文件，軟件界面如圖7(a)和圖7(b)所示，然后把文件另存為.barb文件，就可以在33503A中打開了；

圖7 33503A軟件界面圖Fig.7 33503A software interface

4)將計(jì)算機(jī)與任意波形發(fā)生器33522B通過LAN口的以太網(wǎng)相連，把生成的.barb文件通過33503A軟件發(fā)送到任意波形發(fā)生器33522B的存儲(chǔ)器，屏幕上會(huì)出現(xiàn)存儲(chǔ)的文件，表明波形導(dǎo)入成功；

5)將計(jì)算機(jī)與任意波形發(fā)生器33522B本系統(tǒng)仿真產(chǎn)生的間斷照射雷達(dá)信號(hào)，經(jīng)過微波混頻和頻譜分析下變頻，并通過Labview軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，可以得到并恢復(fù)仿真信號(hào)的信息，恢復(fù)的基帶仿真信號(hào)如圖8所示，經(jīng)過驗(yàn)證，調(diào)制參數(shù)等性能能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖8 仿真信號(hào)數(shù)據(jù)驗(yàn)證圖Fig.8 Validation diagram based on simulated signal data

5 結(jié)束語

本文介紹了間斷照射雷達(dá)信號(hào)仿真實(shí)現(xiàn)的手段，利用MATLAB軟件強(qiáng)大的數(shù)學(xué)功能，通過分段函數(shù)編寫所需的脈沖開關(guān)信號(hào)和副載波調(diào)制信號(hào)，利用波形編輯軟件，結(jié)合任意波形發(fā)生器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能和微波信號(hào)源的脈沖調(diào)制和相位調(diào)制功能，從而輸出所需的復(fù)雜間斷照射雷達(dá)信號(hào)。這種方式組成簡單，性能參數(shù)可變，比較靈活，根據(jù)要求可重復(fù)加載，成本較低，可為測試系統(tǒng)的開發(fā)和性能測試發(fā)揮重要作用。