通信信號模擬系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中的應(yīng)用

趙曉輝，余金澳

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.上海交通大學(xué)，上海200240)

0 引言

武器靶場承擔(dān)著繁重的實驗任務(wù)，參試設(shè)備和測試設(shè)備復(fù)雜多樣，設(shè)備之間存在互兼容性。發(fā)射信號頻率范圍寬，其中不乏大功率設(shè)備，直接和間接地在測試場形成背景信號，還有外來電子干擾，這些因素都構(gòu)成武器靶場的復(fù)雜電磁環(huán)境。在復(fù)雜電磁環(huán)境下，保證測試系統(tǒng)的正常工作，提高靶場試驗?zāi)芰κ秦酱芯康膯栴}。

因此，為了更好地驗證武器系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的性能指標(biāo)，提高武器系統(tǒng)研制效率，構(gòu)建能夠模擬和監(jiān)測特定區(qū)域背景電磁信號環(huán)境，模擬戰(zhàn)場密集、多變的電磁背景信號的復(fù)雜電磁環(huán)境，對武器靶場建設(shè)具有非常重要的現(xiàn)實意義［1-3］。

1 通信信號模擬系統(tǒng)的組成

通信信號模擬系統(tǒng)主要功能是模擬地面衛(wèi)星通信固定站信號和連續(xù)波雷達(dá)信號，用于構(gòu)建先進(jìn)的、具有可重構(gòu)能力的靶場電子環(huán)境模擬系統(tǒng)及信號模擬系統(tǒng)，不僅能提供多種頻譜和調(diào)制式樣的電磁波輻射源，用于構(gòu)建多頻段、多通道、多任務(wù)的通信模擬信號，還可以兼顧用于靶場復(fù)雜電磁環(huán)境模擬。

為了達(dá)到系統(tǒng)滿足多頻段、多功能使用，實現(xiàn)多頻段信號模擬和干擾/衛(wèi)通信號模擬、連續(xù)波雷達(dá)信號模擬等目的。系統(tǒng)設(shè)計中，采用基帶設(shè)備、中頻設(shè)備復(fù)用，不同頻段的射頻設(shè)備可同時使用的分布式體系結(jié)構(gòu)。為了有效地減少由于長距離的電纜傳輸造成的信號損耗，采用微波光端機(jī)傳輸微波信號。同時，兼顧多應(yīng)用場合，每個頻段的射頻設(shè)備均采用全頻段覆蓋設(shè)計，達(dá)到組合靈活、功能完善和性能優(yōu)越的目的。

通信信號模擬系統(tǒng)主要包括:天線伺服分系統(tǒng)、輻射源分系統(tǒng)、微波信號產(chǎn)生分系統(tǒng)、視頻中頻信號產(chǎn)生分系統(tǒng)和系統(tǒng)控制分系統(tǒng)等。

系統(tǒng)控制分系統(tǒng)主要完成整個通信靶標(biāo)工作狀態(tài)的控制與監(jiān)視，控制功能包括:通信信號模擬信號樣式、模擬信號頻率、天線指向角度和天線掃描狀態(tài)等參數(shù)的設(shè)定，進(jìn)行輻射源分系統(tǒng)發(fā)射機(jī)輸出信號的輻射時間控制、天線伺服控制等。監(jiān)視功能包括:通信靶標(biāo)信號狀態(tài)、天線狀態(tài)的顯示和記錄。

視頻中頻信號產(chǎn)生分系統(tǒng)接收系統(tǒng)控制分系統(tǒng)的指令，產(chǎn)生連續(xù)波寬帶雷達(dá)信號、各種調(diào)制形式的衛(wèi)通信號、偽隨機(jī)碼和白噪聲信號，并調(diào)制到中頻?？刂菩盘柗峙渚W(wǎng)絡(luò)向不同頻段的射頻單元提供信號，實現(xiàn)干擾/衛(wèi)星上行信號與雷達(dá)模擬信號的分配與射頻復(fù)用。

中頻信號進(jìn)入微波信號產(chǎn)生分系統(tǒng)后，進(jìn)行上變頻及濾波、放大處理，產(chǎn)生要求頻段的微波信號，送入輻射源分系統(tǒng)。輻射源分系統(tǒng)對低功率微波信號采用光纖傳輸，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、增益調(diào)節(jié)，最后轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行功率放大后，送入天線分系統(tǒng)，向空間輻射出去。天線分系統(tǒng)分別配置2種類型天線及相應(yīng)天線基座，用于輻射干擾/衛(wèi)通信號和連續(xù)波雷達(dá)信號。

2 通信信號模擬系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)途徑

通信信號模擬系統(tǒng)具備傳統(tǒng)的軟件無線電信號模擬器的功能，能夠模擬地面衛(wèi)星通信固定站信號，模擬連續(xù)波雷達(dá)信號，提供多種頻譜和調(diào)制樣式的電磁波。為了兼顧生成復(fù)雜電磁環(huán)境，在產(chǎn)生多體制、多頻率和多模式的無線電信號基礎(chǔ)上，還要模擬各種信號產(chǎn)生、持續(xù)和結(jié)束的時間變化，控制不同時間各信號的幅度變化;更要模擬各信號不同時間不同覆蓋的空間變化等。做到在時間、空間和頻率三維立體實現(xiàn)無線電信號的模擬。將軟總線分布式控制、軟件無線電信號模擬器技術(shù)和寬頻段低雜散射頻技術(shù)相結(jié)合，是構(gòu)建時間—空間—頻率多維體制復(fù)雜電子環(huán)境模擬的一種可行解決途徑。

2.1 數(shù)字基帶信號產(chǎn)生技術(shù)

為了達(dá)到在一個設(shè)備中實現(xiàn)多體制、多模式、多信號和多功能的信號模擬與產(chǎn)生，實現(xiàn)信號的頻率覆蓋模擬，通信信號模擬系統(tǒng)采用軟件無線電技術(shù)，構(gòu)造一個具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議等用軟件來完成，選用不同軟件模塊就可以實現(xiàn)不同的功能，而且軟件可以升級更新，其硬件也可以像計算機(jī)一樣不斷地升級換代。對于不斷增加的信號體制或模式只要增加一個新的軟件模塊即可。充分利用軟件無線電技術(shù)的靈活性、集中性的特點(diǎn)，將一個開放的硬件平臺，通過軟件編程與下載，使同一平臺具備多種功能、多種體制的能力［4，5］。

作為靶標(biāo)使用的通信系統(tǒng)，能滿足各種頻率及其組合頻率信號產(chǎn)生的要求，考慮到A/D轉(zhuǎn)換器工作帶寬、采樣速率的能力，采用軟件無線電技術(shù)在中頻直接數(shù)字化的方式，組成框圖如圖1所示。

圖1 視頻中頻信號產(chǎn)生單元組成

數(shù)字中頻產(chǎn)生單元主要采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA、DDS和高動態(tài)寬帶DA等組成。產(chǎn)生中頻頻率;數(shù)字基帶模塊由信源數(shù)據(jù)產(chǎn)生子模塊、DSP處理子模塊、FPGA處理子模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換子模塊、CAN總線控制子模塊、動態(tài)加載子模塊和時鐘子模塊組成。

由信源數(shù)據(jù)產(chǎn)生子模塊接收由控制模塊轉(zhuǎn)發(fā)的控制信息，根據(jù)控制信息產(chǎn)生相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)由CAN總線傳送至CAN總線控制模塊，再發(fā)至DSP處理子模塊，形成依據(jù)劇情而定的數(shù)字基帶信號，F(xiàn)PGA處理子模塊將數(shù)字基帶信號變至中頻數(shù)字信號，傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換子模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換形成模擬中頻信號送出。

2.2 軟總線實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)

為了將各種不同類型、不同屬性的設(shè)備連接組成一個開放的系統(tǒng)，通信信號模擬系統(tǒng)采用軟總線技術(shù)。將各功能模塊通過標(biāo)準(zhǔn)的軟總線接口掛接在總線上，同時將一些通用的或者專用的功能模塊封裝起來，最終組成一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)。各功能模塊之間以一個公共的接口互相連接，做到各模塊的即插即用、無縫集成。各模塊接口規(guī)范是一致的，通信的復(fù)雜度大大降低。

同時，各模塊可位于不同的系統(tǒng)平臺，通過各自的適配器向軟總線發(fā)出請求，軟總線對其進(jìn)行解釋并確定接收方的位置，向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送消息，完成通信并實現(xiàn)互操作。當(dāng)系統(tǒng)需要增加功能和設(shè)備時只需設(shè)計不同的適配器就能最大限度地使用已有的軟件實現(xiàn)系統(tǒng)集成。通過CORBA中間件，應(yīng)用軟件協(xié)議進(jìn)行數(shù)字傳輸、交換與控制。可以將空間分布的各個單體有機(jī)地聯(lián)系成一個總體，方便實現(xiàn)信號的空間分布模擬［6-11］。

軟件可分為:監(jiān)控軟件、劇情編輯軟件、劇情模型庫管理軟件、信號模型庫管理軟件、數(shù)據(jù)交互平臺(軟總線中間件)、接口代理和驅(qū)動模型庫軟件等部分，軟件組成如圖2所示。

圖2 軟件組成

2.3 寬頻段低雜散射頻技術(shù)實現(xiàn)頻域覆蓋

采用軟件無線電技術(shù)產(chǎn)生中頻信號，構(gòu)建了開放的硬件平臺，受技術(shù)和成本的限制，在生成微波信號仍需要采用傳統(tǒng)的上變頻方案。通信信號模擬系統(tǒng)模擬衛(wèi)通信號和連續(xù)波雷達(dá)信號，還兼顧靶場復(fù)雜電磁環(huán)境模擬，因此頻率覆蓋為L、S、C、X和Ku，每個頻率均為全頻段范圍。

變頻單元由頻率源、混頻器和濾波器、功率控制等單元組成，完成中頻調(diào)制信號到所要求高頻射頻信號的頻譜搬移。由于各頻段的上變頻器均是全頻段設(shè)計要求，因此低雜散輸出是變頻鏈路設(shè)計的難點(diǎn)。為了抑制交調(diào)信號，保證低雜散設(shè)計，上變頻器采用多次變頻及分段濾波放大的方案［12］。

作為通信靶標(biāo)的發(fā)射機(jī)，要求頻率范圍寬、雜散抑制高、頻段平坦度好，發(fā)射機(jī)還具有功率保護(hù)和溫度保護(hù)等功能，防止天線被摧毀或波導(dǎo)故障時的反射功率燒毀發(fā)射機(jī)。因此對功率放大器的設(shè)計提出了較高的要求?？紤]到靶標(biāo)工作頻率范圍寬，可結(jié)合固態(tài)發(fā)射機(jī)和行波管發(fā)射機(jī)綜合考慮。

2.4 典型應(yīng)用

2.4.1 在復(fù)雜電磁環(huán)境模擬中的應(yīng)用

復(fù)雜電磁環(huán)境需要模擬的信號源主要包括:電子對抗模擬源、雷達(dá)信號模擬源、通信信號模擬源和光電信號模擬源等。每一類型的模擬源又由不同類型的電磁輻射源生成，組成圖如圖3所示。各個信號模擬源產(chǎn)生的信號要達(dá)到在空域上縱橫交錯、在時域上持續(xù)不斷、在頻域上密集重疊、在效能上隨機(jī)多變的效果，才能達(dá)到構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境的目的。

通信信號模擬系統(tǒng)的主要功能是模擬地面衛(wèi)星通信固定站信號，兼顧模擬連續(xù)波雷達(dá)信號，提供多種頻譜和調(diào)制樣式的電磁波。從圖3可以看出通信信號和雷達(dá)信號是復(fù)雜電磁環(huán)境輻射源信號模擬的重要部分。因此，通信信號模擬系統(tǒng)的建設(shè)是復(fù)雜電磁環(huán)境建設(shè)的重要基礎(chǔ)。結(jié)合其他信號模擬設(shè)備的使用，共同在復(fù)雜電磁環(huán)境建設(shè)中發(fā)揮作用。

圖3 復(fù)雜電磁環(huán)境信號模擬源組成

2.4.2 在靶場試驗和建設(shè)中的應(yīng)用

通信信號模擬系統(tǒng)已在靶場試驗中多次使用，試驗結(jié)果表明系統(tǒng)滿足技術(shù)要求，為復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建打下良好基礎(chǔ)。

通信信號模擬系統(tǒng)在實際布站使用時，可以單獨(dú)使用單一頻段的設(shè)備，也可組合使用幾個頻段的設(shè)備?？梢援a(chǎn)生單一干擾/衛(wèi)通信號模擬、連續(xù)波雷達(dá)信號模擬，也可產(chǎn)生這些信號的組合信號。從布站距離上，可將各頻段的輻射源系統(tǒng)、天線與信號產(chǎn)生設(shè)備間隔幾千米布站，各個獨(dú)立設(shè)備在物理距離上可以相距較遠(yuǎn)。

通信信號模擬系統(tǒng)還充分考慮到擴(kuò)展應(yīng)用，預(yù)留了擴(kuò)展接口，可以直接將靶場現(xiàn)有的通信和雷達(dá)設(shè)備接入進(jìn)來，進(jìn)行集中控制，作為復(fù)雜電磁環(huán)境信號產(chǎn)生的真實模擬源，既解決了各個獨(dú)立系統(tǒng)的煙囪式結(jié)構(gòu)，還可以將一些退役的通信和雷達(dá)設(shè)備變廢為寶，進(jìn)行集中統(tǒng)一控制，在復(fù)雜電磁環(huán)境模擬中發(fā)揮作用。

3 結(jié)束語

通信信號模擬系統(tǒng)為靶場測試試驗提供了衛(wèi)星通信信號和連續(xù)波雷達(dá)模擬信號，同時采用軟件無線電技術(shù)、軟總線技術(shù)和寬頻段低雜散射頻技術(shù)，在時域、空域和頻譜特性域(頻率、幅度、調(diào)制方式和功率等)等方面到達(dá)可控動態(tài)變化的要求，對于靶場復(fù)雜電磁環(huán)境模擬提供了技術(shù)基礎(chǔ)。該系統(tǒng)已經(jīng)在靶場試驗中多次使用，滿足試驗要求，下一步還可在頻段擴(kuò)展、雷達(dá)誘餌等方面進(jìn)一步做工作。

［1］ 李宗利.面向發(fā)射任務(wù)的復(fù)雜電磁環(huán)境及應(yīng)用研究［D］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2009:6-12.

［2］ 湯 軍.戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境頻譜管理仿真技術(shù)［J］.無線電工程，2010，40(10):46-49.

［3］ 葛 堯，韓春生.何四華.基于無線電體制的多功能智能靶標(biāo)設(shè)計［J］.艦船電子工程，2012(9):130-131.

［4］ 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［5］ 高躍清.中頻采樣在軟件無線電中的應(yīng)用［J］.無線電通信技術(shù)，2001，27(6):47-48.

［6］ 張 焱，周文碩，趙華敏.基于軟總線的電子靶場測控體系架構(gòu)研究［J］.中國傳媒大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2011(6):31-37.

［7］ 靳建彬，王元?dú)J，陳 源.測控系統(tǒng)中軟總線平臺設(shè)計與實現(xiàn)［J］.無線電工程，2010，40(11):4-6.

［8］ 張 怡.一種基于軟總線的插件技術(shù)［J］.艦船電子工程，2012(3):89-91.

［9］ 朱其亮，鄭 斌.CORBA原理及應(yīng)用［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2001.

［10］顏建平，張 焱，陳路路.軟總線技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究［J］.無線電工程，2008，38(11):61-64.

［11］王浩波，郭金鵬.星載環(huán)境下可重構(gòu)技術(shù)分析［J］.無線電工程，2012，42(1):40-42.

［12］黃慧燕，苗留成，趙曉輝.L頻段低雜散寬帶上變頻器［P］.中國:201220593209.x，2012.