基于矢量信號源的雷達信號產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)計*

李文海 王洪春 劉 勇 文天柱

（海軍航空大學(xué) 煙臺 264001）

1 引言

雷達告警設(shè)備主要由天線、接收機、處理器、顯示器和控制面板等組成。在實際的使用過程中，頻繁出現(xiàn)虛警、漏警、誤警等問題，嚴(yán)重干擾了指揮員對威脅態(tài)勢的正確判斷，導(dǎo)致對雷達告警設(shè)備產(chǎn)生了一定程度的不信任。現(xiàn)階段，雷達告警設(shè)備的檢測主要依靠模擬真實戰(zhàn)場環(huán)境下的雷達信號，然后通過空間輻射的方法將信號發(fā)送到告警天線陣或通過直接饋入方式將射頻信號送雷達告警接收機前端，以驗證其實際作戰(zhàn)效能［1～3］。隨著各種新體制雷達相繼問世，平臺所處的信號環(huán)境日益復(fù)雜，急需一種相對經(jīng)濟、實用，能夠仿真多種雷達信號的雷達信號產(chǎn)生系統(tǒng)，以達到驗證雷達告警設(shè)備性能的目的。

測試所需能產(chǎn)生多種雷達信號的信號發(fā)生系統(tǒng)具有很高的實用價值?，F(xiàn)階段在該方面的研究主要存在以下三個方面的問題：1）雷達信號生成方面大多通過脈沖描述字（Pulse Description Word，PDW）描述信號方式，相對于該方式雖然能很大程度上減少存儲空間，但是PDW 一般只能描述脈間信號特征變化，產(chǎn)生的信號樣式和適用的硬件設(shè)備受限。2）系統(tǒng)一般內(nèi)置幾種雷達信號樣式可供選擇，不能自行擴展和添加雷達信號樣式，功能升級困難。

SMW2000A 矢量信號源是羅德與施瓦茨公司推出的數(shù)字調(diào)制信號發(fā)生器，具有頻帶寬、信號樣式豐富、精度高和可擴展等優(yōu)點，能滿足產(chǎn)生各種復(fù)雜雷達信號的需求。就設(shè)備本身而言，可以實現(xiàn)基帶IQ 數(shù)據(jù)生成，但是這些基帶IQ 數(shù)據(jù)只能是針對已有的幾種信號調(diào)制方式，與實際測試需求有一定差距。

為解決上述問題，利用Matlab軟件與矢量信號發(fā)生器，設(shè)計并實現(xiàn)了一種雷達信號產(chǎn)生系統(tǒng)，前者負(fù)責(zé)生成復(fù)雜信號的基帶IQ 數(shù)據(jù)，后者實現(xiàn)基帶IQ 數(shù)據(jù)到射頻信號的轉(zhuǎn)化。設(shè)計了雷達信號產(chǎn)生系統(tǒng)控制軟件，實現(xiàn)加載自定義雷達信號模型，生成所需IQ 波形，并控制矢量信號源進行雷達信號的回放。

2 雷達信號描述方法對比

2.1 IQ波形

經(jīng)典的I/Q 調(diào)制是采用相同的本振將I、Q 信號混頻，其中Q路信號本振回路中，放置一個90°移相器，如圖1所示。

圖1 I/Q調(diào)制原理圖

根據(jù)I/Q 調(diào)制原理，I支路和Q 支路信號可以表示為

其中，φm(t)為調(diào)制信號瞬時相位。根據(jù)I/Q調(diào)制原理，兩路信號經(jīng)過I/Q調(diào)制后的信號：

其中，Ec(t)為載波瞬時幅度，fc(t)為載波的瞬時頻率。

2.2 脈沖描述字

PDW 對每一個雷達脈沖的信號參數(shù)生成的數(shù)字化描述符。準(zhǔn)確的PDW 是雷達信號生成的基礎(chǔ)和前提。傳統(tǒng)的PDW 主要由脈沖的脈沖幅度（PA）、脈沖寬度（PW）、脈沖重復(fù)間隔（PRI）、載波頻率（RF）、到達方位（DOA）五個參數(shù)構(gòu)成。對于一般的雷達信號，首先將信號S(t)順序展開成脈沖序列：

其中，S(n)是S(t)的第n個脈沖，每個脈沖可由其PDW完整描述，且雷達脈沖與PDW一一對應(yīng)。

以脈沖描述字PDW 的形成建立雷達脈沖的模型，就是以PDW 的5 項參數(shù)建立他們相應(yīng)的模型。以頻率截變雷達為例，頻率捷變范圍為ΔRF時，其RF模型為

式中，RF為雷達脈沖載頻的中心頻率，Π(-1，1)為區(qū)間[-1，1] 內(nèi)均勻分布的獨立隨機數(shù)。

2.3 信號產(chǎn)生需求分析

I/Q 調(diào)制能夠非常方便地將獨立的信號分量合成到一個復(fù)合信號中，通過I 和Q 數(shù)據(jù)可以表示信號的大小和相位的任何變化，因此，通過IQ 波形可以描述任意信號波形和調(diào)制類型。PDW 對應(yīng)雷達信號的一個脈沖，一般只能描述雷達信號脈沖間的參數(shù)變化，對于復(fù)雜雷達信號描述存在一定限制。盡管隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，PDW 的參數(shù)在不斷更新，增加了表征參數(shù)包括極化特征PC、信噪比、脈內(nèi)調(diào)制等，但是參數(shù)愈加復(fù)雜，控制難度較大。

矢量信號發(fā)生器通常支持通過IQ波形和PDW的兩種控制方式產(chǎn)生信號，其中PDW 方式只能使用設(shè)備內(nèi)置PDW 格式或者通過建立映射方式使用個性化的PDW，這樣的系統(tǒng)在產(chǎn)生信號樣式方面顯然也是不全面的。相比之下，使用IQ 波形描述基帶信號然后調(diào)制產(chǎn)生所需雷達信號的方式技術(shù)成熟，具有很強的通用性。

3 雷達信號產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計原理

系統(tǒng)主要基于R&S 的SMW200A 矢量信號源，硬件實現(xiàn)如圖2 所示。選用性能較好的計算機作為控制器，利用MATLAB完成基帶信號的計算和輸出，通過LAN 網(wǎng)絡(luò)寫入SWM200A 矢量信號源存儲器，信號源自動讀取I/Q 數(shù)據(jù)文件模擬真實的雷達信號［6～8］。

圖2 系統(tǒng)硬件組成圖

系統(tǒng)工作流程如圖3 所示。首先讀取雷達發(fā)射信號模型，根據(jù)雷達信號樣式完成基帶或者中頻模擬信號的計算，得到相應(yīng)的I/Q數(shù)據(jù)，寫入波形文件；軟件加載波形文件，并將數(shù)據(jù)和控制指令送矢量信號源；信號源接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制指令播放輸出雷達信號［9］。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 控制軟件設(shè)計

3.2.1 軟件界面設(shè)計

基于Matlab App Designer 開發(fā)雷達信號產(chǎn)生系統(tǒng)的控制軟件，軟件界面分為波形文件生成、波形預(yù)覽和設(shè)備控制三個區(qū)域［10］，軟件交互界面如圖4所示。

圖4 設(shè)計系統(tǒng)控制軟件界面

軟件的波形文件生成區(qū)用于選擇或者加載產(chǎn)生雷達信號類型，輸入波形參數(shù)并調(diào)用Matlab函數(shù)計算波形I/Q 數(shù)據(jù)后生成波形*.wav 文件。波形預(yù)覽區(qū)使用兩個坐標(biāo)區(qū)組件，分別顯示仿真的雷達基帶I/Q信號的時域和總體基帶信號的頻域波形。設(shè)備控制區(qū)主要完成矢量信號源的控制。

3.2.2 軟件功能設(shè)計

軟件功能實現(xiàn)主要依托于代碼的編寫。在App Designer 的代碼視圖中完成代碼的編輯工作，主要通過添加屬性、回調(diào)函數(shù)和其他函數(shù)的方法實現(xiàn)軟件的各個功能［11］。軟件的具體工作流程如圖5所示。

圖5 軟件工作流程圖

波形生成和波形預(yù)覽部分的重要函數(shù)有I/Q數(shù)據(jù)計算函數(shù)、波形文件生成函數(shù)以及加載信號模型時信號參數(shù)獲取函數(shù)等。

I/Q 數(shù)據(jù)計算函數(shù)是根據(jù)雷達信號特征，生成基帶的I/Q 信號仿真采樣值，并根據(jù)載頻自動設(shè)置矢量信號源的載頻參數(shù)。I/Q數(shù)據(jù)計算最終的結(jié)果是一維I-data數(shù)組和Q-data數(shù)組，波形文件生成函數(shù)獲取該結(jié)果，將二者結(jié)合成數(shù)組I/Q-data，生成一個包含矢量信號源手冊中規(guī)定的所必須和可選的標(biāo)記的文件，即*.wav 波形文件。為了確保不發(fā)生削波失真，將所有I/Q 數(shù)據(jù)的峰值向量長度標(biāo)準(zhǔn)化為1.0，然后打開空的*.wav 波形文件，以二進制方式寫入數(shù)據(jù)。

為增強系統(tǒng)的通用性，軟件可以加載符合IEEE 1641 標(biāo)準(zhǔn)的XML 信號模型文件。為方便開發(fā)使用，在波形描述XML 文件的…模塊中添加基帶信號波形表達式。使用Matlab 自帶xmlread（）函數(shù)讀取XML 文件，通過…模塊內(nèi)容可以獲得信號模型接口，以此為依據(jù)在軟件界面自動生成參數(shù)輸入框；讀取…中的基帶信號波形表達式用于生成IQ數(shù)據(jù)。

3.2.3 信號源控制模塊設(shè)計

Matlab 可以使用儀器控制工具箱直接連接到通用儀器，通過基于文本的SCPI 命令，將Matlab 中生成的數(shù)據(jù)發(fā)送到儀器，控制儀器和從儀器獲取數(shù)據(jù)［12～13］。該命令基于通用通信協(xié)議，如GPIB、VISA、TCP/IP和UDP，而無需額外編寫代碼。

SMW200A 可通過所有通用遠程接口進行控制，在本設(shè)計中使用儀器的TCP/IP 控制接口?？刂苹贛atlab 的儀器控制工具箱，以SCPI 指令形式通過LAN 總線發(fā)送至信號源，完成遠程控制信號源產(chǎn)生雷達信號的任務(wù)［14］。信號源的控制模塊工作流程如圖6所示。

圖6 信號源控制模塊工作流程

首先，直接使用Matlab儀器控制工具箱中的函數(shù)OBJ=TCPIP（‘遠程主機’，遠程端口號）構(gòu)建TCP/IP 對象，通過fopen（OBJ）函數(shù)連接到遠程主機，實現(xiàn)與儀器通信［15］。然后，使用SCPI 命令控制儀器在通道1播放信號，播放控制流程及命令如下：

Step1：使用：MMEM：DATA‘文件路徑/文件名，數(shù)據(jù)量’SCPI 命令將二進制數(shù)據(jù)讀取PC 文件到遠程主機內(nèi)存；

Step2：使用：SOUR1：BB：ARB：WAV：SEL‘文件路徑/文件名’SCPI命令控制儀器加載文件；

Step3：使用：SOUR1：BB：ARB：STAT ON 命令打開調(diào)制開關(guān)；

Step4：使用：OUTP1：STAT ON 命令控制通道1輸出信號。

SWM200A可以直接顯示每個參數(shù)設(shè)置的SCPI命令，并以圖形方式突出顯示儀器預(yù)設(shè)狀態(tài)的所有修改，并有一個內(nèi)置的SCPI 宏記錄器，帶有代碼生成器，可以記錄所有手動操作步驟，并生成帶有遠程命令序列的文件。因此，對于部分未知SCPI 控制命令的操作，可以通過手動操作后查看自動生成的命令代碼的方式，這有助于最小化測試自動化所需要的時間。

4 復(fù)雜調(diào)制雷達信號的實現(xiàn)

相位編碼信號具有很強的時延和多普勒分辨能力，且較容易實現(xiàn)波形捷變，但缺點是對多普勒敏感，只能應(yīng)用于多普勒頻率范圍較窄的場合。同樣作為脈沖壓縮雷達的常用信號，線性調(diào)頻信號具有對多普勒頻移不敏感的特性［16］。下面通過本文設(shè)計的雷達信號產(chǎn)生系統(tǒng)，產(chǎn)生線性調(diào)頻相位編碼雷達信號，進行系統(tǒng)的功能驗證。

一般相位編碼信號的復(fù)包絡(luò)可以寫成：

式中，P為碼長，Tp是子脈沖寬度，cn是第n個碼的取值（1 或者-1），v(t) 表示子脈沖函數(shù)，

線性調(diào)頻信號的復(fù)數(shù)表達式為

式中，Tl為線性調(diào)頻信號的時寬，f0表示信號的載頻，k為線性調(diào)頻信號變化的斜率。

取信號的脈寬Tτ=Tl=PTp，則在脈沖持續(xù)時間內(nèi)相位編碼-線性調(diào)頻信號的表達式為

編碼信號選用13 位Barker 碼，即cn= {1，1，1，1，1，-1，-1，1，1，-1，1，-1，1}。首先設(shè)置較小的線性調(diào)頻帶寬（B=5MHz），使用Matlab進行仿真，得到線性調(diào)頻-相位編碼復(fù)合調(diào)制信號的時頻圖，如圖7和圖8和所示。

圖7 線性調(diào)頻-相位編碼信號時域圖

圖8 線性調(diào)頻-相位編碼信號頻域圖

線性調(diào)頻信號和相位編碼信號都是廣泛應(yīng)用的脈沖壓縮雷達信號類型。線性調(diào)頻信號帶寬較大，進行脈壓處理后有較大輸出旁瓣，但其匹配濾波器對回波信號的多普勒頻移不敏感；相位編碼信號則具有很強的時延和多普勒分辨能力，且較容易實現(xiàn)波形捷變，但相位編碼信號對多普勒敏感，當(dāng)回波信號存在多普勒頻移時，會嚴(yán)重影響脈壓性能，故只能應(yīng)用于多普勒頻率范圍較窄的場合。使用線性調(diào)頻-相位編碼混合調(diào)制之后的信號會同時具有兩種信號類型的優(yōu)點，有效提高雷達探測目標(biāo)的能力。

軟件加載上述雷達信號模型XML 描述文件，自動生成參數(shù)輸入接口。設(shè)置信號參數(shù)后，生成波形文件，送SMW200A矢量信號源進行信號播放，輸出真實的線性調(diào)頻脈沖雷達信號，作為雷達告警設(shè)備檢測的電磁環(huán)境場景。實驗中，在軟件界面設(shè)置信號參數(shù)后生成波形文件和波形時域和頻域的仿真結(jié)果，如圖9所示。

圖9 波形參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果軟件界面

實驗中設(shè)備實際連接如圖10 所示。計算機通過計算產(chǎn)生波形IQ 數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件和控制命令通過LAN 總線送矢量信號發(fā)生器，矢量信號發(fā)生器進行波形回放，波形送頻譜儀進行結(jié)果測量，得到最終的頻譜測量結(jié)果，測量結(jié)果與仿真結(jié)果一致。實驗結(jié)果說明，通過手動輸入?yún)?shù)，矢量信號源在雷達信號控制軟件的控制之下，成功產(chǎn)生預(yù)想的實際雷達信號，該雷達信號產(chǎn)生系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

圖10 實驗設(shè)備連接圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計了基于Matlab 和矢量信號發(fā)生器的雷達信號產(chǎn)生系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶需求設(shè)計、仿真并模擬多種雷達信號，并且可以模擬采用新技術(shù)的雷達信號，可以達到驗證機載雷達告警設(shè)備性能的目的，與通常的雷達信號產(chǎn)生系統(tǒng)相比更具通用性，具有很強的應(yīng)用和實用價值。