一種基于AV1443矢量信號源的雷達(dá)信號發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

劉舉 劉志林 費(fèi)曰振 郝露華

摘? 要：基于虛擬儀器技術(shù)，提出了一種通用的模擬雷達(dá)信號發(fā)生系統(tǒng)，使用Python語言設(shè)計(jì)控制程序控制AV1443矢量信號源，利用MATLAB仿真各類雷達(dá)信號得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，通過LAN網(wǎng)絡(luò)將信號寫入AV1443信號源中進(jìn)行播放，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號的產(chǎn)生，并通過一個(gè)具體示例展示該雷達(dá)信號發(fā)生系統(tǒng)的應(yīng)用。該設(shè)計(jì)形式對于雷達(dá)信號模擬器模塊化設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;雷達(dá)信號模擬;矢量信號源;復(fù)合調(diào)制

Abstract：Based on the virtual instrument technology，a general analog radar signal generating system is proposed. The control program is designed with Python language to control the AV1443 vector signal source. After simulating various radar signals with MATLAB，the corresponding data is obtained，and the signal is written into the AV1443 signal source through LAN network for playback，so as to realize the generation of radar signal with a specific example shows the application of the radar signal generating system. This design form has a good reference for the modular design of radar signal simulator.

Keywords：virtual instrument;radar signal simulation;vector signal source;composite modulation

0? 引? 言

現(xiàn)如今，雷達(dá)對抗裝備在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中是奪取戰(zhàn)爭勝利的關(guān)鍵因素之一，各國不斷地投入資金和人力來研究、制造各種性能更加先進(jìn)的雷達(dá)及雷達(dá)對抗裝備。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)及雷達(dá)對抗裝備普遍具有工作頻帶寬、信號樣式復(fù)雜和信號處理方法先進(jìn)等特點(diǎn)，它們在戰(zhàn)場中成體系的運(yùn)用和對抗使得戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復(fù)雜。在電子對抗中，雷達(dá)經(jīng)常會作為輻射源使用，而不同的對抗環(huán)境對輻射源的要求差別較大，因此，一套能適應(yīng)多種對抗環(huán)境的雷達(dá)信號發(fā)生系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。本套系統(tǒng)的主要儀器AV1443矢量信號源由中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所提供，具有頻帶寬、信號樣式豐富、精度高和可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，能滿足產(chǎn)生各種復(fù)雜雷達(dá)信號的需求。本單位根據(jù)實(shí)際對抗需要，設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)控軟件，使其能夠產(chǎn)生所需的雷達(dá)信號，從而應(yīng)用于多個(gè)對抗場景中。

1? 設(shè)計(jì)原理

首先對需要產(chǎn)生的雷達(dá)脈沖信號進(jìn)行編碼，“1”表示高電平，“0”表示低電平，根據(jù)典型雷達(dá)信號樣式，可設(shè)定每位編碼代表脈寬為0.05 μs。信號樣式編碼后，利用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算出相應(yīng)的I/Q數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過Simulink仿真、重采樣和濾波后，輸入到AV1443矢量信號源，其D/A模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為I/Q兩路基帶模擬信號輸出，其I/Q調(diào)制模塊則對I/Q兩路基帶信號進(jìn)行正交載波的調(diào)制，將信號中心頻率搬移至所需頻段，最后輸出雷達(dá)信號[1，2]。

在系統(tǒng)構(gòu)成上，利用脈沖信號源、AV1443矢量信號發(fā)生器作為硬件平臺，利用標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫NI-VISA作為控制接口，基于Python 3.7語言的進(jìn)行控制軟件開發(fā)，由控制軟件調(diào)用MATLAB仿真計(jì)算得到的外部I/Q數(shù)據(jù)，通過LAN網(wǎng)絡(luò)寫入AV1443矢量信號源的I/Q存儲器，由信號源發(fā)出真實(shí)的雷達(dá)信號。

1.1? 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于AV1443矢量信號源的雷達(dá)信號發(fā)生系統(tǒng)連接圖如圖1所示。用一臺性能較好的臺式機(jī)作為雷達(dá)基帶信號的產(chǎn)生器，利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能和Simulink仿真模塊，完成基帶或中頻模擬信號的計(jì)算和輸出，送入AV1443矢量信號源后經(jīng)過載頻調(diào)制后輸出射頻信號。其主要的工作過程如下：在工控機(jī)控制界面上設(shè)置雷達(dá)信號的相關(guān)參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給信號仿真機(jī)，信號仿真機(jī)通過對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到基帶信號I/Q數(shù)據(jù)后，通知工控機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算完成，工控機(jī)通過調(diào)用信號仿真機(jī)的計(jì)算結(jié)果，將結(jié)果寫入AV1443矢量信號源，待結(jié)果寫入完成后，工控機(jī)調(diào)用程控播放功能，結(jié)合脈沖發(fā)生器的控制，使AV1443矢量信號源產(chǎn)生射頻輸出信號。

1.2? 控制軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件組成如圖2所示。基于Python語言的軟件開發(fā)環(huán)境配置的Python版本號為3.7。開發(fā)工具有Anaconda3、PyQt5、PyCharm、NI-VISA1800、NI-VXI1600，其中Anaconda3是集成工具包，PyQt5是圖像界面開發(fā)工具包，PyCharm是一款Python集成開發(fā)工具，NI-VISA1800是美國國家儀器公司開發(fā)的一種屏蔽了底層硬件異質(zhì)性的標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫。在開發(fā)過程中，可以充分利用Python語言簡潔易懂、圖形化用戶界面編寫容易的特點(diǎn)進(jìn)行用戶界面的開發(fā)。Simulink是MATLAB中一種可視化仿真工具，利用其操作簡單、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)建模、仿真和分析，本系統(tǒng)中Simulink就用于基帶信號的建模和計(jì)算，最終得到我們需要的中頻數(shù)據(jù)。

1.3? 基于驅(qū)動程序的信號源控制模塊設(shè)計(jì)

信號源的I/O函數(shù)庫是實(shí)現(xiàn)儀器功能的控制函數(shù)和參數(shù)的集合，信號源在出廠時(shí)附帶了相應(yīng)的驅(qū)動程序。為兼顧控制軟件的通用性，本系統(tǒng)采用一種標(biāo)準(zhǔn)化的NI-VISA函數(shù)庫作為系統(tǒng)的驅(qū)動程序。遠(yuǎn)控軟件建立在信號源驅(qū)動程序之上，用戶通過主控軟件設(shè)置信號參數(shù)，參數(shù)通過調(diào)用I/O函數(shù)庫的指令形式發(fā)送至信號源，完成遠(yuǎn)程控制信號源產(chǎn)生雷達(dá)信號的任務(wù)[2]。本系統(tǒng)軟件控制的流程如圖3所示。

系統(tǒng)軟件的主要功能是初始化儀器、生成并讀取波形文件以及對相參、時(shí)鐘、輸出功率、觸發(fā)源、中心頻率等參數(shù)的設(shè)置。其中，波形回放功能在任意波的產(chǎn)生中起著至關(guān)重要的作用，它能通過調(diào)用波形發(fā)生器驅(qū)動程序的函數(shù)，對txt和WAV等格式的波形文件進(jìn)行回放。因此，用戶只需編輯波形文件的數(shù)據(jù)，然后通過波形回放功能即可產(chǎn)生所需的任意波。

2? 對一種復(fù)合調(diào)制雷達(dá)信號的模擬與分析

利用本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)信號產(chǎn)生系統(tǒng)可以生成復(fù)合調(diào)制信號，對該復(fù)合調(diào)制信號模型進(jìn)行Simulink仿真后，可以將得到的信號數(shù)據(jù)送入AV1443矢量信號發(fā)生器進(jìn)行播放，向外發(fā)射真實(shí)的復(fù)合調(diào)制信號，為進(jìn)一步研究這類雷達(dá)信號特性提供真實(shí)場景。

以常見的線性調(diào)頻信號和相位編碼信號為例，來研究這兩種信號復(fù)合調(diào)制后的信號特性。線性調(diào)頻信號的復(fù)數(shù)表達(dá)式為：

由仿真結(jié)果可以看出，無論是在時(shí)域上還是頻域上，復(fù)合調(diào)制信號都結(jié)合了兩種單一調(diào)制信號的優(yōu)點(diǎn)。

線性調(diào)頻信號的帶寬較大，進(jìn)行脈壓處理后有較大的輸出旁瓣，但其匹配濾波器對回波信號的多普勒頻移不敏感，因此線性調(diào)頻信號主要適用于多普勒頻率變化范圍較大且對旁瓣要求不高的場合;相位編碼信號則具有很強(qiáng)的時(shí)延和多普勒分辨能力，且較容易實(shí)現(xiàn)波形捷變，但當(dāng)回波信號的多普勒頻移與匹配濾波器失諧時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮的功能，因此相位編碼信號主要適用于目標(biāo)多普勒頻率變化不大的場合[3]。復(fù)合調(diào)制信號將會綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，在多普勒頻移較大的時(shí)候仍然具有較強(qiáng)的旁瓣抑制能力，這樣就能提升雷達(dá)探測目標(biāo)信號的能力。

3? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)了基于AV1443矢量信號源的雷達(dá)信號產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)與通常的雷達(dá)信號系統(tǒng)相比主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

一是通用性，該系統(tǒng)能根據(jù)用戶需要設(shè)置信號的輸出功率、中心頻率和調(diào)制方式等參數(shù)，且能實(shí)現(xiàn)全頻帶帶寬覆蓋。

二是能通過軟件定義系統(tǒng)功能，系統(tǒng)升級更加方便，容易集成其他功能模塊（如功放、發(fā)射分系統(tǒng)等）到系統(tǒng)中，擴(kuò)充系統(tǒng)功能。

三是在雷達(dá)研發(fā)和試驗(yàn)階段的測試中能有效利用矢量信號源，降低了開發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐梅.基于儀表的多通道雷達(dá)信號模擬器研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[2] 張艷艷.雷達(dá)相位編碼信號的研究和應(yīng)用 [D].西安：西安交通大學(xué)，2007.

[3] 皇甫堪，陳建文，樓生強(qiáng).現(xiàn)代數(shù)字信號處理 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

作者簡介：劉舉（1994—），男，漢族，湖北仙桃人，技術(shù)人員，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，本科，研究方向：雷達(dá)對抗。