基于VS2010的雷達(dá)信號自動測試軟件設(shè)計

彭煒杰，張林讓，蒙 妍

(西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號處理國防科技重點實驗室，陜西 西安 710071)

基于VS2010的雷達(dá)信號自動測試軟件設(shè)計

彭煒杰，張林讓，蒙 妍

(西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號處理國防科技重點實驗室，陜西 西安 710071)

傳統(tǒng)方法對雷達(dá)信號分析與測試是通過示波器與頻譜儀聯(lián)合完成，耗費巨大、操作復(fù)雜、功能單一，而且無法完整描繪復(fù)雜調(diào)制類型雷達(dá)信號的所有特征。針對這些缺陷，設(shè)計并開發(fā)了基于VS2010的雷達(dá)信號自動測試軟件，實現(xiàn)了對復(fù)雜雷達(dá)信號和雷達(dá)收發(fā)性能的測試及全面分析。文中簡述了軟件的總體設(shè)計及各功能的測試方法，并對軟件界面及其功能設(shè)計給出了具體實現(xiàn)過程。軟件采用模塊化的設(shè)計思想，具有集成度高、通用性好和擴(kuò)展性強(qiáng)的特點，適合應(yīng)用于對雷達(dá)信號和系統(tǒng)性能進(jìn)行測量與評估。

VS2010；自動測試；雷達(dá)性能分析；模塊化

傳統(tǒng)儀器對雷達(dá)信號的測試只能實現(xiàn)對其部分參數(shù)的測量。例如，示波器只能測量雷達(dá)信號的時域特征，頻譜儀則只能測量雷達(dá)信號的頻域特征[1-2]。因此，雷達(dá)信號自動測試軟件是實現(xiàn)針對雷達(dá)信號的一鍵式自動測試與分析。能方便地測量雷達(dá)信號的時域、頻域、調(diào)制域參數(shù)，評估信號質(zhì)量，并給出雷達(dá)收發(fā)信機(jī)的各項參數(shù)，方便雷達(dá)工程師對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行測試和調(diào)試。

1 軟件總體設(shè)計

軟件總體采用模塊化的設(shè)計思想[3]，將整個軟件設(shè)計為接口模塊、分析與測試模塊以及界面顯示模塊。整體軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件模塊構(gòu)成

(1)接口模塊。主要用于實現(xiàn)軟件與儀器之間的通信聯(lián)系，更能使多臺儀器和軟件協(xié)同工作，提高工作效率。LAN/GPIB接口用于軟件對外部儀器進(jìn)行連接控制，并支持實時讀取信號數(shù)據(jù)對信號進(jìn)行分析[4-5]。文件導(dǎo)入接口支持對*.csv、*.txt、*.mat等多種格式的雷達(dá)信號數(shù)據(jù)文件進(jìn)行讀取分析。結(jié)果輸出接口用于對分析完成的數(shù)據(jù)及分析測量的參數(shù)進(jìn)行保存，便于對信號進(jìn)行分析對比；

(2)分析模塊。是軟件功能實現(xiàn)的主要部分。完成了對常用雷達(dá)信號在時域、頻域以及調(diào)制域的分析，并對測試得到的雷達(dá)收發(fā)信機(jī)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；

(3)界面顯示模塊。用于對軟件分析結(jié)果進(jìn)行顯示，主要的表現(xiàn)方式有波形圖和列表。軟件采用TeeChart ActiveX控件完成波形圖的繪制，Teechart控件提供了大量豐富、直觀的圖標(biāo)樣式，能夠滿足軟件圖形繪制的需求。采用MFC中的CListCtrl類對列表進(jìn)行繪制[6]，可自由控制顏色、行高、字體大小和表格大小，使得圖表顯示結(jié)果清晰美觀。

2 軟件界面設(shè)計

為了體現(xiàn)雷達(dá)信號自動測試軟件一鍵式測量的特點，界面應(yīng)力求簡潔、便于操作。通過下拉菜單按鈕，可對顯示圖表進(jìn)行修改，包括時域、頻域、調(diào)制域相關(guān)測試參數(shù)的調(diào)整。界面顯示采用1×1，1×2，1×3，…，3×2等8種窗口布局方式，通過繼承CMainFrame類的AdjustDockingLayout函數(shù)來控制菜單欄和狀態(tài)欄，以及CPane類對象發(fā)生改變時客戶區(qū)的排列布局[7]，實現(xiàn)了窗口布局多樣化。通過對雷達(dá)信號制式的選擇，軟件將自動配置與之相應(yīng)的測試圖表并顯示。圖2給出了信號類型為線性調(diào)頻信號時的圖表分析結(jié)果。

圖2 線性調(diào)頻信號分析

3 軟件功能實現(xiàn)

軟件功能主要是完成對雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)寬帶調(diào)頻信號各種參數(shù)的測量、對發(fā)射系統(tǒng)信號頻率穩(wěn)定度的測量、對雷達(dá)收發(fā)信機(jī)之間直流泄露信號參數(shù)和直流抑制性能等系統(tǒng)性能參數(shù)的測量。

3.1 雷達(dá)信號參數(shù)測試

信號參數(shù)分析：包括對雷達(dá)信號進(jìn)行時域、頻域以及調(diào)制域分析3個方面。軟件讀取由頻譜儀采集的雷達(dá)收發(fā)通道輸出的I、Q路信號，然后通過選擇不同的功能按鈕對信號進(jìn)行分析。

對于時域分析功能的實現(xiàn)，首先采用平滑估計法[8]計算出信號包絡(luò)，再根據(jù)包絡(luò)估算出信號各分段內(nèi)的幅值，從而估算出信號時域各參數(shù)，測量流程如圖3所示。

圖3 信號時域參數(shù)測量流程

對于頻域分析功能的實現(xiàn)，通過調(diào)用FFTW庫對信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到信號幅頻特性。軟件分析流程如圖4所示。

圖4 信號頻域參數(shù)測量流程

對于時頻分析功能，軟件主要采用相位差分法[9]、短時傅里葉變換以及Gabor變換[10]等方法對不同類型的雷達(dá)信號進(jìn)行分析。結(jié)果以全景圖、三維圖、曲線或表格的形式顯示出來，分析流程如圖5所示。

圖5 信號調(diào)制域參數(shù)測量流程

3.2 雷達(dá)收發(fā)信機(jī)性能參數(shù)分析

(1)接收機(jī)鏡頻抑制性能測量。

在雷達(dá)接收回波信號的過程中，接收信號除了包含期望頻率的信號外，接收機(jī)通道還會產(chǎn)生鏡頻和諧波信號。非期望信號作為干擾信號不能實現(xiàn)匹配聚焦，影響頻域相位噪聲測量。因此鏡頻分量的抑制能力是影響雷達(dá)接收機(jī)性能的一個重要指標(biāo)[11]。

設(shè)雷達(dá)接收機(jī)通道輸出的中頻回波信號模型如式(1)所示，其中，fd為多普勒頻率。則經(jīng)過數(shù)字混頻后輸出的I/Q路信號可分別用式(2)[12]和式(3)[12]表示，其中，Δ表示I/Q路通道的幅度不一致性，δ表示為相位不正交性

s(t)=cos2π(f0+fd)t

(1)

sI(n)=cos2π(f0+fd)nΔt×cos2πf0nΔt

(2)

sQ(n)=-cos[2π(f0+fd)nΔt](1+Δ)×sin(2πf0nΔt+δ)

(3)

軟件對I/Q路信號進(jìn)行讀取，通過濾波器并合成復(fù)信號后各頻點幅值可用式(4)和式(5)表示，其中，Afd是零中頻回波信號幅值；A-fd是鏡頻信號幅值；γ是濾波器阻帶衰減。則鏡頻抑制性能可用鏡頻抑制比衡量，鏡頻抑制比即鏡頻信號與回波信號幅值之比，計算方法如式(6)所示

(4)

(5)

(6)

(2)發(fā)射機(jī)頻率穩(wěn)定度分析。

頻率源內(nèi)部噪聲對振蕩信號的頻率和相位均會產(chǎn)生調(diào)制，使輸出信號的頻率或相位產(chǎn)生起伏[13]。這種由噪聲調(diào)制造成的頻率和相位的隨機(jī)起伏稱為頻率穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度，實為頻率不穩(wěn)定度。測量由被測頻率源內(nèi)部噪聲調(diào)相、調(diào)頻造成的輸出信號噪聲邊帶，即為頻域相位噪聲測量，式(7)給出了單邊帶相位噪聲的計算方法，其中，Pm為偏離載頻的一個相位調(diào)制帶的平均功率；Pc是載波功率；Bn是測量系統(tǒng)的等效噪聲分析帶寬

(7)

通常，相位噪聲的測量方法有3種：直接頻譜儀法、相位檢波器法和鑒相器法[14]。采用直接頻譜儀法結(jié)合測試軟件測量相位噪聲的流程如圖6所示。通過軟件中的頻譜儀參數(shù)設(shè)置選項，可對頻譜儀中心頻率進(jìn)行調(diào)諧，顯示距離中心頻率不同頻率值處的相位噪聲大小值。

圖6 相位噪聲測量流程

(3)直流抑制性能分析。

對于連續(xù)波體制雷達(dá)，當(dāng)發(fā)射機(jī)通道和接收機(jī)通道無法實現(xiàn)完全物理隔離，在發(fā)射信號時會產(chǎn)生信號泄露，即接收機(jī)通道中會產(chǎn)生來自發(fā)射通道的發(fā)射信號。泄露信號進(jìn)入接收機(jī)混頻器射頻口與本振信號混頻，當(dāng)差拍頻率為0時產(chǎn)生直流信號。疊加在基帶信號上的直流信號會對基帶信號產(chǎn)生干擾，因此對直流抑制能力的分析是考察雷達(dá)性能的一個重要途徑[15]。

直流抑制性能的測試及分析過程如圖7所示。點擊軟件界面上的測試模式選擇按鈕，首先選擇發(fā)射機(jī)通道為測量通道，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并分析，得到發(fā)射信號幅值A(chǔ)1。然后將測試通道切換為接收機(jī)通道，對接收機(jī)零中頻處采集到的信號進(jìn)行分析，得到泄露信號幅值A(chǔ)2，則通道間直流抑制性能可通過式(8)計算。

(8)

圖7 直流抑制性能測量流程

4 結(jié)束語

本測試系統(tǒng)對雷達(dá)信號參數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)性能測試提出了準(zhǔn)確、高效的測試方法，測試軟件在VS2010平臺上完成了對于雷達(dá)信號參數(shù)和雷達(dá)收發(fā)信機(jī)性能參數(shù)的測量，操作簡單、功能全面、界面簡潔美觀，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測試方法操作復(fù)雜、功能單一等方面的缺陷，可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)信號分析和雷達(dá)系統(tǒng)性能測試等領(lǐng)域。

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Design of Radar Signal Auto Test Software Based on VS2010

PENG Weijie，ZHANG Linrang，MENG Yan

(National Key Laboratory of Science And Technology on Radar Signal Processing,Xidian University,Xi’an,710071,China)

The traditional analysis and measurement of radar signal is based on the combination of oscilloscope and spectrometer，resulting in a high cost,complicated operation and single function,which can not have a comprehensive description of complex modulated radar signals. In order to remedy this disadvantages,a radar signal auto measurement software is designed and developed based on VS2010 platform,this software can not only analyze and measure the radar signal but also evaluate the performance of radar transmitter and receiver. The software is designed in to several module,and having advantages of high integration level,universality and expansibility,could be applied into the measurement and evaluate of radar system.

VS2010;autotest;evaluate radar performance;modularization

TN957.51;TP391

A

1007-7820(2017)11-021-04

2016- 12- 14

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項項目 (2012YQ20022405)

彭煒杰(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：針對多種雷達(dá)信號進(jìn)行多域聯(lián)合分析。張林讓(1966-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：自適應(yīng)信號處理等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.006