基于軟件無線電的雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計研究

袁興鵬，陳正寧

（91336部隊 河北 秦皇島 066326）

軟件無線電的核心思想是在構(gòu)建一個具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化的通用硬件平臺基礎(chǔ)上，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等通過軟件編程來實現(xiàn)，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線電系統(tǒng)。軟件無線電的概念雖然是從軍事通信領(lǐng)域產(chǎn)生并迅速發(fā)展起來的，但是軟件無線電的這種新概念、新理論、新技術(shù)對于我們從事的雷達電子戰(zhàn)仿真這個領(lǐng)域具有極其重大的應(yīng)用價值。

雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展可以分為模擬和數(shù)字兩個階段。在數(shù)字階段，現(xiàn)階段基本發(fā)展方向是沿著將已有模擬接收機數(shù)字化，結(jié)合數(shù)字信號處理技術(shù)及器件的飛速發(fā)展，逐步向?qū)拵?、超寬帶?shù)字接收機方向靠近。基于軟件無線電的雷達電子戰(zhàn)系的電概念就是在數(shù)字化階段提出來的，其思想就是把原來一些用硬件實現(xiàn)的功能盡可能地用軟件去完成，盡量減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理（A/D和D/A變換）盡量靠近天線，使雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)具有可編程、可擴展及靈活性高的特點。

1 軟件無線電的基本原理

軟件無線電的基本思想是以一個通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，從基于硬件、面向用途的專用系統(tǒng)的設(shè)計方法中解放出來。功能的軟件化實現(xiàn)勢必要求減少功能單一、靈活性差的硬件配置，尤其是減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理（A/D和D/A變換）盡量在射頻段。軟件無線電強調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和全面可編程性，通過軟件的更新改變硬件的配置結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多樣化的功能。軟件無線電采用標(biāo)準(zhǔn)的、高性能的開放式總線結(jié)構(gòu)，以便于硬件模塊的不斷升級和擴展。理想的軟件無線電的組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 軟件無線電結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Software radio system architecture

軟件無線電主要由天線、射頻前端、寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號處理器及各種軟件構(gòu)成。射頻前端在發(fā)射時主要完成上變頻、濾波、功率放大等功能，接收時實現(xiàn)濾波、放大、下變頻功能。DSP實時信號處理模塊主要用來處理前端接收下來的信號或?qū)⒁獜墓Ψ虐l(fā)射出去的信號，對信號進行頻譜分析、解調(diào)、類型識別以及進行數(shù)字上下變頻、各種數(shù)字調(diào)制、數(shù)字濾波、編碼等等。

2 軟件化雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)功能需求分析

2.1 軟件化雷達電子系統(tǒng)設(shè)計需求分析

雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)主要功能是是：1）截獲射頻信號；2）從截獲到的信號中分離出雷達信號；3）測量所選信號的參數(shù)；4）引導(dǎo)雷達干擾設(shè)備實施干擾。現(xiàn)代雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)種類繁多，但總的說來尚無一種系統(tǒng)能滿足電子偵察和干擾的所有要求。傳統(tǒng)的雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)的接收機采用模擬方法實現(xiàn)，在接收過程中由于模擬器件的限制，極易導(dǎo)致信號的頻率和相位等方面的信息丟失，系統(tǒng)可變性差。常規(guī)接收機系在寬帶信號接收中都具有一定的局限性。系統(tǒng)適應(yīng)能力及反應(yīng)時闖無法滿足電子偵察要求。所以研究開發(fā)工作頻段寬，接收適應(yīng)能力強，擴展性好，系統(tǒng)可變性強，能夠適應(yīng)多種信號的偵察接收機，是電子戰(zhàn)發(fā)展的必然要求。

通信領(lǐng)域軟件無線電的成功應(yīng)用為電子偵察系統(tǒng)的發(fā)展提供了一種理想的模式軟件化的雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)。所謂軟件化雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)是指基于軟件無線電原理，利用可編程器件對目標(biāo)信號進行分析識別、特征提取和參數(shù)測量，通過更改運行于可編程器件上的軟件，實現(xiàn)對目標(biāo)偵察信號進一步分析處理的電子戰(zhàn)偵察分析接收機，并將需要干擾的威脅目標(biāo)，通過信號生成系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生相應(yīng)的干擾信號。

2.2 雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型的功能模塊化構(gòu)成

在進行具體的軟件無線電雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計時需要對系統(tǒng)進行功能建模，按典型的雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)來進行功能模塊劃分。功能模塊劃分在結(jié)構(gòu)上具有層次化，每一層模塊可以通過下層基本模塊構(gòu)建。根據(jù)雷達電子系統(tǒng)模塊化特點和層次化建模原則，將雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)分為雷達偵察和雷達干擾兩大模塊。

雷達偵察模塊主要由天線模塊（一般包括測頻、測向等部分）、接收機模塊、信號處理模塊（一般由預(yù)處理機和主處理機兩部分組成）、顯示操控模塊、記錄系統(tǒng)模塊；雷達干擾模塊主要由干擾控制計算機、干擾樣式控制模塊、功率管理模塊和發(fā)射天線陣模塊等部分組成。

上面將雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)的軟件化進行了模塊化分析，其模塊的具體功能結(jié)構(gòu)組成以及模塊間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 電子戰(zhàn)系統(tǒng)的軟件化功能模型圖Fig.2 Function model diagram of EW system

3 軟件無線電雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 軟件化雷達偵察系統(tǒng)設(shè)計

軟件化雷達偵察系統(tǒng)設(shè)計是指基于軟件無線電原理而實現(xiàn)的用于對目標(biāo)信號進行分析識別、特征提取和參數(shù)測量的電子戰(zhàn)雷達接收機。這種接收機是一種多頻段、多模式、多功能的電子戰(zhàn)雷達接收機。這種接收機對波形的適應(yīng)性要求更高，對信號分析處理的功能要求更強，而且頻帶要求更寬。接收機模擬各種體制雷達接收機的工作原理，信號處理單元完成對各種雷達信號處理模式的仿真，以及各種抗干擾技術(shù)的工作原理。

這種電子戰(zhàn)雷達接收機由可以覆蓋幾乎整個無線電頻段。但目前還不能采用射頻直接采樣技術(shù)來對射頻信號進行數(shù)字化，因此，必須借助模擬處理技術(shù)把寬帶信號變換為適合于A/D采樣的中頻信號，然后進行采樣數(shù)字化，其構(gòu)成如圖3所示。

圖3 軟件化電子戰(zhàn)雷達接收機結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software radio structure diagram of electronic warfare radar receiver

模擬前端變換電路是為了適應(yīng)寬頻段變換的要求而設(shè)置的模擬信號處理環(huán)節(jié)。模擬處理環(huán)節(jié)還設(shè)置了多個通道以對應(yīng)不同的頻段。信號前端電路經(jīng)過濾波、放大和混頻，被變換成中頻信號。中頻信號分兩級，一中頻信號的中頻頻率將根據(jù)不同的頻率值，以能較好地滿足互調(diào)抑制、中頻抑制、鏡像抑制等要求。不同的一中頻信號再經(jīng)過中頻變換為系統(tǒng)的二中頻信號。二中頻信號被放大到足夠電平后，送到高速A/D進行采樣數(shù)字化，高速A／D數(shù)據(jù)再送到后續(xù)的正交數(shù)字下變頻單元，進行正交變換和采樣率變換，得到與信號帶寬相適應(yīng)的正交低速率數(shù)字信號，以便于后續(xù)的DSP進行目標(biāo)信號特征提取與分析識別和參數(shù)測量。同時該組成方式也可對電子戰(zhàn)雷達偵察機進行準(zhǔn)實時仿真，根據(jù)軟件加載的不同實現(xiàn)信號的分選，信號的特征分析及“指紋”提取。

3.2 軟件化雷達干擾系統(tǒng)設(shè)計

軟件化雷達干擾系統(tǒng)就是采用軟件實現(xiàn)各種干擾樣式的形成以及干擾信號整個產(chǎn)生過程。開放式的硬件平臺只涉及發(fā)射信號的載頻特征，發(fā)射信號的內(nèi)部特征完全有不同的軟件來定義。這樣的干擾樣式可控，完全適應(yīng)了目標(biāo)信號變化。其系統(tǒng)組成與軟件化電子戰(zhàn)信號環(huán)境模擬器的相似。其原理圖如圖4所示。

圖4 軟件化干擾發(fā)射機的結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Software radio structure diagram of jamming transmitter

4 雷達電子戰(zhàn)軟件無線系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于雷達導(dǎo)引頭設(shè)計受到一些軟硬件技術(shù)水平的制約。需要進行研究的主要關(guān)鍵技術(shù)有：高速A/D及D/A技術(shù)、高速并行DSP技術(shù)、系統(tǒng)建模技術(shù)等。

4.1 寬帶/多頻段天線與RF模塊

現(xiàn)代雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)，工作頻段越來越寬，低截獲雷達威脅越來越多，因此，需要實現(xiàn)寬帶高靈敏度偵收是雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)中亟待解決的問題。寬帶/多頻段天線與RF模塊是軟件無線電不可替代的硬件出入口。軟件無線電要求天線能覆蓋所有頻段，能用程序控制方法對其功能及參數(shù)進行設(shè)置?？刹捎弥悄芑炀€技術(shù)。 智能天線也稱自適應(yīng)陣列天線，由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)、波束形成算法3部分組成。它通過滿足某種準(zhǔn)則算法調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位，進而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，來達到增強所需信號，抑制干擾信號的目的。

射頻部分包括預(yù)放大和功率輸出兩部分。射頻發(fā)射機和接收機，由通用平臺和多個射頻發(fā)射機模塊組成，其工作頻帶應(yīng)足夠?qū)?，并采用?shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)置，對每種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)能夠多載波工作。發(fā)射機包括多只高功率放大器，要求具有高線性。

4.2 高速數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換技術(shù)

數(shù)字化是軟件無線電的基礎(chǔ)，模擬信號必須經(jīng)過采樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號才能用軟件進行處理。軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的一個重要特點是將A/D和D/A盡量靠近射頻前段。A/D和D/A器件在軟件無線電中的位置非常關(guān)鍵，它直接反映了軟件無線電系統(tǒng)的軟件化可操作程度。為減少模擬環(huán)節(jié)及適應(yīng)錯綜復(fù)雜的電磁環(huán)境，要求A/D器件具有較高的采樣頻率、較高的工作速度、較寬的工作帶寬和較大的動態(tài)范圍。在設(shè)計無線電系統(tǒng)時，選擇模數(shù)器件依據(jù)的性能指標(biāo)有：信噪比、轉(zhuǎn)換靈敏度、無散雜動態(tài)范圍、非線性誤差、互調(diào)失真、全功率模擬輸入帶寬等。

A/D器件性能的局限及采樣時引入的頻譜混迭、量化誤差等，會對軟件無線電臺的性能產(chǎn)生不良影響，但這種影響尚缺乏定量分析。軟件雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)要求A/D和D/A盡量靠近射頻，靠近射頻采樣要求A/D具有很高的采樣速率。雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)一般要求很高的動態(tài)范圍，所以A/D變換器必須具有較多的位數(shù)。在系統(tǒng)設(shè)計中，擬采用DR公司的DR PMC/XMC AD變換和數(shù)字下變頻器模塊。該模塊內(nèi)部集成了高精度、高速AD采樣和數(shù)字下變頻器，采用PMC/XMC形式，具有4路通道數(shù)處理能力，14位的采樣位數(shù)，最大采樣率125 MHz，可以滿足單通道的高速采集的應(yīng)用。在既有單片ADC技術(shù)的基礎(chǔ)上，要進一步提高其采樣速率和工作帶寬，目前主要有兩種方案：基于時間交替采樣的并行多路ADC技術(shù)和基于子帶劃分的并行多路ADC技術(shù)。

4.3 高速并行DSP技術(shù)

雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)信號處理的主要任務(wù)對輸入的實時PDW信號流進行輻射源分選、參數(shù)估計、輻射源識別、威脅程度判別和作戰(zhàn)態(tài)勢判別等。DSP是軟件無線電必需的基本器件，是其靈魂和核心所在。系統(tǒng)在射頻或中頻（IF）對接收信號進行數(shù)字化處理，通過軟件編程靈活地實現(xiàn)寬帶數(shù)字濾波、直接數(shù)字頻率合成、數(shù)字上下變頻、調(diào)制解調(diào)、差錯編碼、信令控制、信源編碼及加解密功能。接收時，來自天線的信號經(jīng)過RF處理和變換，由寬帶A/D數(shù)字化，然后通過可編程DSP模塊進行所需的各種信號處理，處理后的數(shù)據(jù)信號送至多功能用戶終端。發(fā)送時，通過類似接收信號處理流程的逆過程將數(shù)據(jù)通過天線發(fā)射出去?？梢?，軟件無線電的靈活性、開放性、兼容性等特點主要是通過以數(shù)字信號處理為中心的通用硬件平臺及DSP軟件實現(xiàn)的。

目前的DSP無論在功能上還是在性能上，都不能滿足無線電的要求，很難用單片DSP直接處理寬帶射頻或中頻信號，可以先采用數(shù)字變頻技術(shù)對寬帶射頻或中頻信號進行處理，然后再用DSP完成各種信號處理功能。數(shù)字變頻的組成與模擬變頻組成類似，包括數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器和低通濾波器三部分，所不同的是數(shù)字變頻采用正交混頻。數(shù)字變頻具有載頻和數(shù)字濾波器系數(shù)可編程性、不存在非線性失真、頻響特性好及造價低等優(yōu)點。

軟件雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)的DSP要求具有很強的實時性、數(shù)據(jù)量大，即對信號的處理時間不能超過預(yù)定的幀周期。由于很大一部分模擬電路由軟件實現(xiàn)，DSP必須采用較為復(fù)雜的算法，具有極高的運算速度。使用單處理器結(jié)構(gòu)很難滿足要求。雷達偵察系統(tǒng)是多通道結(jié)構(gòu)本身就是并行的，非常適合并行處理。采用通用的高性能POWER PC處理器組成的處理板，該處理器板由MOTOROLA公司生產(chǎn)，型號為MVME6100。該處理器具備板載的雙通道PMC接口，接口標(biāo)準(zhǔn)為PCI－X，64 bits/66，100 MHz。數(shù)字信號處理芯片具有很強的數(shù)據(jù)處理能力和非常高的運算速度，并可以方便地構(gòu)成多種高性能的多處理器并行系統(tǒng)，解決軟件雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)的信號處理難題。

4.4 數(shù)字仿真模型計算技術(shù)

模型是仿真的基礎(chǔ)，對于雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)的仿真來說，首先就要對雷達偵察系統(tǒng)和雷達干擾系統(tǒng)進行模型分析。雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)的建模，以真實的雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)為背景，以已有的電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上對模型進行層次化、模塊化處理，建立系統(tǒng)的、功能明確的和通用的模塊化模型。電子戰(zhàn)系統(tǒng)虛擬樣機模型采用分層結(jié)構(gòu)，主要包括系統(tǒng)模型、基本單元模型。系統(tǒng)模型是雷達電子戰(zhàn)虛擬樣機的骨架，屬于電子戰(zhàn)虛擬樣機模型的頂層，系統(tǒng)模型的建立決定了系統(tǒng)的工作機理。

通過對軟件化雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型的分析，系統(tǒng)的基本單元模型主要有以下幾類：

1）顯示控制模型：文本單元模型、波形單元模型、文件單元模型、I/O單元模型以及操作臺控制單元模型等；

2）信號處理模型：D/A轉(zhuǎn)換模型、A/D轉(zhuǎn)換模型、時域頻域變換模型以及參數(shù)分選模型等；

3）微波射頻模型：濾波器模型、開關(guān)模型、本振源模型以及波導(dǎo)傳輸模型等；

4）功率模塊模型：放大器模型、衰減器模型以及功率管理模型等；

5）天線模型：波束控制模型、天線掃描模型以及天線極化方式模型等。

雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)的大部分功能模型由軟件完成。系統(tǒng)需要多同時到達信號情況下的快速信號檢測、分離、調(diào)制類型識別和參數(shù)估計。目前，基于原子分解和EM算法、高階統(tǒng)計量、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)信號處理和時頻分析的方法性能良好，但運算量很大，不易實時處理。因此，需要研究快速的算法解決這一問題。軟件算法設(shè)計和驗證在系統(tǒng)設(shè)計和升級改進中占據(jù)了非常重要的地位，整個系統(tǒng)的性能和可靠性很大程度上取決于軟件算法的性能。

5 結(jié)束語

將軟件無線電[12]思想引入到雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計研究，使用系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、易于維護升級、抗干擾性能強等優(yōu)點，隨著硬件性能提高以及數(shù)字信號處理技術(shù)水平的發(fā)展，新一代先進采用軟件無線電技術(shù)的雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)已經(jīng)成為必然趨勢。

[1]Mitola J.The software radios architecture [J].IEEE Communications Magazine，1995，33（5）：26－38.

[2]肖先賜.寬帶電子偵察系統(tǒng)的實時處理問題[J].電子對抗技術(shù)，2004（5）：1－4.XIAO Xian-ci.Brodband electronic reconnaissance system real-time processing of problem[J].Electronic Information Warfare Technology，2004（5）：1－4.

[3]楊洋.基于軟件無線電的數(shù)字接收技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù)，2012（1）：200－202.YANG Yang.Digital receving techndogy research based on software[J].Coal Technology，2012（1）：200－202.

[4]何偉.新型寬帶數(shù)字接收機[D].西安：電子科技大學(xué)，2004.

[5]張文瓊，孫凱.帶通采樣頻域波束形成[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（5）：17－18.ZHANG Wen-qiong，SUN Kai.Band-pass sampling freqnency domain beanforming[J].Science and Technology Innoration Herald，2012（5）：17－18.

[6]王玨，師衛(wèi).一種基于軟件無線電的接收系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2012（Z2）：98－100.WANG Jue，SHI Wei.Receiver system design based on software radio[J].Modern Industrial Economg and Informationi Zation，2012（Z2）：98－100.

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

[8]侯印鳴.綜合電子戰(zhàn)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[9]James Tsui.寬帶數(shù)字接收機[M].楊小牛，陸安南，金庵，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[10]Kaur G，Raj V.Multirate digital signal processing for software defined radio（SDR）technology[J].IEEE Emerging Trends in Engineering and Technology，2008（16－18）：110－115.

[11]湯建龍.雷達信號到達角及相關(guān)參數(shù)估計研究[D].西安電子科技大學(xué)，2004.

[12]桑亞樓，阮鄭興.無線電數(shù)字信號處理與軟件無線電技術(shù)綜述[J].電子科技，2012（6）：155－157.SANG Ya-lou，RUAN Zheng-xing.Review on radio digital signal processing and software radio technology[J].Electronic Science and Technology，2012（6）：155－157.