基于仿真計算的輻射源信號生成方法研究*

姜博文，劉天林，姜勤波，郭金庫，齊世舉

(火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025)

·工程應(yīng)用·

基于仿真計算的輻射源信號生成方法研究*

姜博文，劉天林，姜勤波，郭金庫，齊世舉

(火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025)

為提高復(fù)雜電磁環(huán)境中輻射源信號的生成效率和逼真度，提出了一種基于仿真軟件驅(qū)動實際信號生成的輻射源信號產(chǎn)生方法。首先，通過Matlab仿真計算得到任意輻射源信號(以輻射源信號中的LFM信號為例)；其次，利用LabVIEW設(shè)計出相應(yīng)的I/Q信號讀取及發(fā)射單元；最后，經(jīng)任意波形信號發(fā)生器生成射頻信號。試驗表明，利用計算機軟件仿真出的輻射源信號與實際生成的射頻信號相一致，該方法為實現(xiàn)快速仿真生成任意輻射源信號及其可視化研究提供了技術(shù)支持，獨立的讀取單元減少了系統(tǒng)內(nèi)存的占用，具有一定的工程實踐意義。

仿真計算；輻射源信號；信號生成

0 引言

復(fù)雜電磁環(huán)境指的是由一定的空域、時域、頻域和功率域上，分布的數(shù)量繁多、樣式復(fù)雜、密集重疊、動態(tài)交迭的電磁信號構(gòu)成的電磁環(huán)境。因而構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境的關(guān)鍵在于輻射源的構(gòu)建。

文獻(xiàn)[1]依托NI公司的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備利用LabVIEW語言設(shè)計的動態(tài)信號采集系統(tǒng)，雖滿足試驗數(shù)據(jù)的采集，但不具備普遍性，不能夠滿足任意信號采集與實現(xiàn)的要求。文獻(xiàn)[2]以GPS L1信號為例提出了一種基于LabVIEW與Matlab混合編程的方法，但在二進(jìn)制文件讀取的程序設(shè)計上較為繁瑣，以及在LabVIEW與Matlab之間的接口實現(xiàn)方法選取上不利于工程實踐。本文提出了一種將Matlab仿真出的基帶信號生成TXT文本文件，再利用C#設(shè)計的轉(zhuǎn)換程序得到適合LabVIEW讀取的I16位整型的二進(jìn)制文件，最后通過控制矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生實際信號的方法，經(jīng)驗證該方法具有適用范圍廣、仿真結(jié)果真實性和可靠性高等工程實踐意義。

1 輻射源信號仿真

1.1 基帶信號

基帶矢量信號是指矢量信號源進(jìn)行高頻載波調(diào)制前的信號，而產(chǎn)生基帶矢量信號的其中一種方式是 IQ 正交調(diào)制[3]。采用正交調(diào)制方式可以有效提高傳輸速率，減小碼間串?dāng)_，抑制鏡像頻率。

基帶信號的產(chǎn)生可以通過實物模擬產(chǎn)生也可采用計算機軟件仿真的方式進(jìn)行實現(xiàn)，本文基于MATLAB編程研究輻射源基帶信號的生成方法，并在LabVIEW平臺上對基帶信號進(jìn)行處理同時設(shè)計出控制硬件設(shè)備產(chǎn)生射頻信號的模塊，從而在矢量信號發(fā)生器上生成實際信號。

1.2 Matlab平臺

Matlab以其高速的數(shù)學(xué)計算、簡單易懂的語法、友好的人機交互界面成為現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的科學(xué)計算應(yīng)用軟件[4]。利用Matlab強大的數(shù)值計算功能和可視化的仿真環(huán)境能夠進(jìn)行跨平臺的數(shù)據(jù)交流轉(zhuǎn)換。

1.3 LabVIEW平臺

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的中文含義是試驗室虛擬儀器工程平臺[5-6]。其最突出的特點就是采用圖形化的編程語言(G語言)，采用模塊化的軟件設(shè)計，用一個個程序框圖代替了傳統(tǒng)的編程代碼，大大降低了編程的復(fù)雜度，G語言代碼直觀，層次清晰，使用該軟件只需用連線、圖標(biāo)便能構(gòu)成流程圖，具有友好的交互界面，使用程序簡單易懂，可讀性很高。

2 試驗硬件設(shè)備

矢量信號發(fā)生器又稱矢量信號源，微波矢量信號源[7]。矢量信號發(fā)生器通常由基帶信號產(chǎn)生單元、載波產(chǎn)生單元、矢量調(diào)制單元等組成，能夠提供一定波形、頻率和輸出電平的信號源設(shè)備，可用于戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境中輻射源信號的產(chǎn)生。

矢量信號發(fā)生器的種類繁多，例如本試驗采用NI公司所生產(chǎn)的PXIe-5644R矢量信號發(fā)生器[8](VST)。作為首臺軟件自定義的儀器，它在單個PXI單臺儀器中集成了矢量信號分析儀、矢量信號發(fā)生器，以及用戶可編程的FPGA模塊，可用于提高測試速度或?qū)崿F(xiàn)各種實時算法。該VST擁有高達(dá)80MHz的實時帶寬和24通高速數(shù)字I/O，以及65MHz～6GHz之間可調(diào)的中心頻率，可借助LabVIEW FPGA實現(xiàn)用戶編程開發(fā)，提高測試速度或?qū)崿F(xiàn)各種實時算法，如短時傅里葉變換、調(diào)制、解調(diào)等。

3 LFM信號的生成

LFM信號即為線性調(diào)頻信號，廣泛應(yīng)用在通信、雷達(dá)、地震勘測等方面[9]。LFM信號是一種典型的非平穩(wěn)信號，由于其具有較強的抗干擾能力和良好的低截獲率的特點，可用作輻射源信號。

3.1 數(shù)據(jù)流整體設(shè)計

試驗參數(shù)：采樣頻率(FS)：10MHz;脈沖寬度(PW)：20μs;脈沖重復(fù)頻率(PRF)：1000Hz;調(diào)頻信號帶寬(BW):5MHz;幅度(PA)：1。

如圖1數(shù)據(jù)傳輸流程所示，先利用Matlab精確求解復(fù)雜電磁方程，繪制場態(tài)模型[10]的特點，對收集到的仿真電磁信號進(jìn)行處理建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，并將其產(chǎn)生的參數(shù)信號轉(zhuǎn)化為I/Q兩路分別進(jìn)行存儲。為了降低TXT文件存儲空間，將其轉(zhuǎn)換成LabVIEW可讀的I16 BIN文件，并在LabVIEW上通過對讀取和矢量信號發(fā)射子模塊進(jìn)行程序的編寫，設(shè)計出參數(shù)輸入控制界面，實現(xiàn)較好的人機交互，最終達(dá)到復(fù)雜電磁環(huán)境電磁信號流的生成與重構(gòu)的目的。

利用Matlab與LabVIEW這兩種軟件混合編程的形式，可以實現(xiàn)動態(tài)演示和仿真分析的有機結(jié)合，可視化程度高，可以將信號處理與分析結(jié)果直觀地演示，從而提高信號處理的快捷性、直觀性和可靠性。

3.2 基于Matlab的LMF信號生成

LFM信號實部可以表示為：

x(t)=rect(t/PW)cos(2πf0t+πkt2)

(1)

式中，PW為脈沖寬度，rect(t/PW)=u(t+PW)-u(t)表示矩形函數(shù)，f0為信號的起始頻率，k=BW/PW為信號的頻率斜率，BW為信號帶寬。

LFM信號復(fù)數(shù)形式可以表示為：

s(t)=rect(t/PW)ej(2πf0t+πkt2)=λ(t)ej2πf0t

(2)

其中復(fù)包絡(luò)為：

λ(t)=rect(t/PW)ejπkt2=λI(t)+jλQ(t)=cos(kπt2)+jsin(kπt2)

(3)

圖2所示為Matlab仿真出的線性調(diào)頻脈沖序列的實部和虛部波形圖。

通過Matlab可對LFM信號作傅里葉變換得到其頻域圖，如圖3所示。將仿真出的LFM信號參數(shù)信號轉(zhuǎn)化為I/Q兩路分別進(jìn)行存儲，保存到save LMFSigComplex.txt IQ -ascii即可得到TXT文件。文件以I/Q信號間隔保存：-1.0000000e+00，-1.3719758e-14，-7.8539009e-03，-9.9996916e-01，9.9950656e-01，-3.1410759e-02，7.0626986e-02，9.9750280e-01，-9.9211470e-01，1.2533323e-01，-1.9509032e-01……

3.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

通過C#開發(fā)軟件對文件類型轉(zhuǎn)換進(jìn)行編程可實現(xiàn)對TXT文件向任何形式的文件類型轉(zhuǎn)換。

C#支持類和面向?qū)ο缶幊痰奶攸c，在接口和繼承的處理方面有一定的優(yōu)越性。其內(nèi)置對組建對象模型(COM)和Windows的API的支持，使得每個對象都自動生成為一個COM對象，同樣，使用C#也可以調(diào)用現(xiàn)有的COM對象，增加開發(fā)的效率。

3.4 基于LabVIEW的LMF信號讀取

基于LabVIEW的LFM信號讀取模塊是整個信號模擬系統(tǒng)的核心模塊，其基本任務(wù)是按照用戶設(shè)定的參數(shù)，產(chǎn)生模擬的線性調(diào)頻脈沖的發(fā)射信號，并調(diào)用數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊中已經(jīng)提前計算好的I16二進(jìn)制I/Q數(shù)據(jù)，對模擬的發(fā)射脈沖進(jìn)行調(diào)制，最后輸出基帶模擬波形數(shù)據(jù)。由前文的仿真算法可知，每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的調(diào)用，就需要進(jìn)行一次類似的數(shù)據(jù)處理操作。因此，二進(jìn)制文件讀取模塊應(yīng)設(shè)計為子程序模塊，以方便主程序的多次調(diào)用。

圖4所示為I/Q二進(jìn)制文件信號讀取模塊的LabVIEW程序框圖。首先，將相位相差90°的fI(t)和fQ(t)兩路信號的二進(jìn)制文本進(jìn)行讀取，并且合成復(fù)信號；再用產(chǎn)生的正弦波信號去調(diào)制產(chǎn)生的LFM脈沖基帶信號?？梢钥闯鲋苯幼x取文件的方式相對于使用Matlab Script Node腳本節(jié)點進(jìn)行Matlab的調(diào)用，減少了LabVIEW與Matlab之間參數(shù)的傳遞、變量類型的匹配，以及調(diào)用的風(fēng)險。同時，由于產(chǎn)生的I16 BIN文件占用系統(tǒng)內(nèi)存少，因而產(chǎn)生速率較快。

信號生成模塊的作用就是驅(qū)動硬件平臺，將基帶信號數(shù)據(jù)下載至硬件緩存器中，再按照用戶設(shè)定好的發(fā)射參數(shù)(載頻、功率、采樣率等)生成真實的信號，最后通過天線發(fā)射出去。

3.5 基于PXIe-5644R模塊的硬件實現(xiàn)

基于PXIe-5644R模塊的硬件模塊設(shè)計圖如圖5所示，左邊區(qū)域?qū)Ⅱ炞C過的仿真硬件程序進(jìn)行調(diào)整和擴展，利用PXIe-5644R模塊實現(xiàn)原設(shè)計的功能，組成線性調(diào)頻脈沖信號的模擬系統(tǒng)。處理模塊則是利用信號接收模塊所提取的發(fā)射信號基帶信號合成波形數(shù)據(jù)；波形產(chǎn)生器負(fù)責(zé)用上位機給出的波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生模擬的基帶波形，最終交給上變頻器得到最終的射頻模擬脈沖信號，通過天線發(fā)射，矢量信號分析儀(VSA)或頻譜儀接收便可驗證其仿真的線性調(diào)頻脈沖信號。

4 結(jié)果顯示、界面設(shè)計

圖6所示為LabVIEW仿真生成的LFM信號。可以看到：通過設(shè)定載頻、采樣頻率等參數(shù)，可將讀入的I16位整型的二進(jìn)制文件經(jīng)過數(shù)值轉(zhuǎn)換分別以I信號、Q信號以及原始矢量信號顯示出來。

圖7所示為LFM基帶信號經(jīng)調(diào)制并通過天線發(fā)射實際信號，最終在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上接收到的圖形。實現(xiàn)了由虛擬仿真的矢量信號到實際信號生成的過程。

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀觀察其波形特征趨勢，考慮到載頻和線性調(diào)頻信息的加入，以及硬件產(chǎn)生的誤差，可以認(rèn)為圖7產(chǎn)生的實際生成的LFM信號與圖6的LabVIEW仿真波形信號，以及圖3的MATLAB仿真波形信號是相吻合的。

5 結(jié)束語

本文通過試驗驗證，可較為容易地利用仿真軟件生成、觀測任意輻射源信號，從而達(dá)到對復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)成因素掌控的目的，設(shè)計出的矢量信號發(fā)射模塊驅(qū)動硬件最終完成數(shù)據(jù)向真實信號轉(zhuǎn)換的過程，為復(fù)雜電磁環(huán)境下用頻裝備檢驗和電磁預(yù)測及評估具有重要意義?！?/p>

[1] 冉景洪，趙玲，季辰，等.基于LabVIEW的顫振激勵信號生成與測試系統(tǒng)研究[J].中國測試，2011,37(1)：84-88.

[2] 王飛. 基于LabVIEW與MATLAB混合編程的GPS L1信號模擬[D].華中科技大學(xué)，2013.

[3] 包金玉.基帶矢量信號軟件模擬技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2013.

[4] 劉文斌.基于LabVIEW與MATLAB無縫集成的數(shù)字圖像處理[D].東北石油大學(xué)，2014.

[5] 阮奇楨. 我和LabVIEW：一個NI工程師的十年編程經(jīng)驗[M]. 2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[6] Bishop RH, Instruments NN. LabVIEW 2009 Student Edition [J]. Prentice Hall Press, 2009(4):154-155.

[7] 李文意.淺析矢量信號發(fā)生器的進(jìn)展歷程[J].國外電子測量技術(shù)，2015,34(3)：7-10.

[8] NI PXIe-5644R射頻矢量信號收發(fā)儀(VST)[N].今日電子，2013.

[9] 王建偉.基于壓縮感知的寬帶LFM信號參數(shù)估計[D].吉林大學(xué)，2016.

[10] 劉澤斌,周個妹.基于MATLAB的電磁輻射傳播預(yù)測與仿真應(yīng)用研究[J].廣西廣播電視大學(xué)學(xué)報，2013，24(4)：85-88.

Researchonthegenerationmethodforradiationsourcesignalbasedonsimulationcalculation

Jiang Bowen, Liu Tianlin, Jiang Qinbo, Guo Jinku, Qi Shiju

(Rocket Force University of Engineering, Xi’an 710025, Shanxi, China)

To improve the generating efficiency and fidelities of radiation source signals in the complex electromagnetic environment, a radiation-source generating method which is based on the theory that simulation softwares drive the actual signals’ generating was put forward. First of all, any source signal was obtained by using MATLAB simulation (LFM signal of radiation source signals was taken for instance); secondly, I/Q signal reading and launching units was designed by using LabVIEW; finally, radio frequency signals were generated by the arbitrary waveform signal generator. The results show that radiation-source signals generated by the use of computer software simulation was consistent with the actual radio frequency signals. Technical support can be provided by using this method for realizing the fast simulation to generate arbitrary source signals and its visualization study. What’s more, the system memory occupation was reduced due to independent reading units which show that the method is practical and significant in engineering.

simulation calculate; radiation source signals; signal generation

國家自然科學(xué)基金(64201120)

2017-09-10；2017-09-30修回。

姜博文(1990-),男，碩士研究生，主要研究方向為電磁環(huán)境效應(yīng)。

TP391.9

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