高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī)計(jì)量方法研究

盛永鑫 楊 露 陶成忠

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230031)

0 引言

高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī)廣泛用于各類雷達(dá)場(chǎng)景模擬器的技術(shù)指標(biāo)測(cè)試驗(yàn)證和復(fù)雜環(huán)境場(chǎng)景性能評(píng)價(jià),它主要是完成高密度脈沖流下的頻率、幅度、脈沖調(diào)制和頻率捷變、脈內(nèi)調(diào)頻、脈內(nèi)調(diào)相等復(fù)雜信號(hào)測(cè)量識(shí)別。它是一個(gè)專用測(cè)試設(shè)備,其本身的準(zhǔn)確性與可靠性將直接影響測(cè)試結(jié)果,直接影響相關(guān)武器裝備的質(zhì)量和作戰(zhàn)性能,必須引起足夠的重視。因此為了保證其準(zhǔn)確、可靠需開(kāi)展計(jì)量,但它具有信號(hào)數(shù)量多、頻率范圍寬、瞬時(shí)帶寬寬、信號(hào)樣式復(fù)雜、信號(hào)密度高等特點(diǎn),目前無(wú)相應(yīng)的計(jì)量方法,需要開(kāi)展計(jì)量方法研究。[1-2]

1 計(jì)量方法研究

高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī),在一定頻率測(cè)量范圍、幅度測(cè)量范圍、分析帶寬、脈沖流密度下,具備脈沖調(diào)制、捷變頻、脈內(nèi)調(diào)頻、脈內(nèi)調(diào)相等測(cè)量功能。其參數(shù)的計(jì)量包含常規(guī)參數(shù)和復(fù)雜信號(hào)的計(jì)量?jī)刹糠?。其?常規(guī)參數(shù)包括頻率、幅度等參數(shù);復(fù)雜信號(hào)包括捷變頻、脈內(nèi)調(diào)頻、脈內(nèi)調(diào)相等信號(hào)形式。頻率、幅度等基本物理參數(shù)能溯源到國(guó)防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。而頻率捷變、脈內(nèi)調(diào)頻、脈內(nèi)調(diào)相等復(fù)雜信號(hào)參數(shù)的測(cè)量識(shí)別,是基于采用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)分析學(xué)實(shí)現(xiàn)計(jì)量,屬于調(diào)制域的計(jì)量,該計(jì)量領(lǐng)域是全新的,沒(méi)有通用的、標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量方法,一般采用一致性測(cè)試、相互驗(yàn)證等比測(cè)驗(yàn)證方法進(jìn)行。

1.1 常規(guī)參數(shù)的計(jì)量

目前國(guó)內(nèi)在頻率、幅度等基本參數(shù)建立了相應(yīng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),能滿足高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī)計(jì)量需求。

通過(guò)帶外時(shí)基的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)對(duì)高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī)頻率測(cè)量能力進(jìn)行計(jì)量;通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)利用功率計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)衰減器對(duì)高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī)幅度測(cè)量能力進(jìn)行計(jì)量。具體溯源圖如圖1所示。

1.2 復(fù)雜調(diào)制信號(hào)的計(jì)量技術(shù)研究

高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī)的高密度脈沖流下的脈沖調(diào)制和頻率捷變、脈內(nèi)調(diào)頻、脈內(nèi)調(diào)相等的指標(biāo)計(jì)量常規(guī)需要提供滿足要求的激勵(lì)信號(hào),一般有以下幾種方式提供激勵(lì)信號(hào)[3-4]:

實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境。這種方式需要架設(shè)多部雷達(dá)來(lái)發(fā)射多種信號(hào),而且還需要在空基、地基、?；日鎸?shí)環(huán)境中去,耗費(fèi)大量時(shí)間、人力。雖然這是一種實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境的測(cè)試驗(yàn)證方法,但是由于這種方法有復(fù)雜性大、成本高、信號(hào)真實(shí)特性及其容易受周圍環(huán)境和天氣等因素的影響等缺點(diǎn),從而限制了它在計(jì)量校準(zhǔn)中的應(yīng)用。

基于通用測(cè)試儀器的模擬器。目前的矢量信號(hào)源、任意波形發(fā)生器等儀器可以利用它們的矢量調(diào)制能力完成數(shù)字信號(hào)到微波射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換,具備雷達(dá)場(chǎng)景復(fù)雜信號(hào)的產(chǎn)生功能。使用相關(guān)軟件來(lái)編輯雷達(dá)系統(tǒng)所需要的電磁環(huán)境,任意選擇雷達(dá)信號(hào)波形形式和各種參數(shù)的設(shè)定。同時(shí),由于這些儀器使用通用接口,擴(kuò)展性強(qiáng),能在需要反復(fù)驗(yàn)證接收信號(hào)準(zhǔn)確性時(shí)重復(fù)使用,基本參數(shù)可以直接計(jì)量,已經(jīng)廣泛在計(jì)量校準(zhǔn)等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

近些年來(lái),國(guó)內(nèi)在數(shù)字與矢量信號(hào)計(jì)量校準(zhǔn)做了大量的工作,制定并實(shí)施了《JJF 1128-2004矢量信號(hào)分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》《JJF(電子) 30301-2006數(shù)字及矢量信號(hào)發(fā)生器校準(zhǔn)規(guī)范》和《JJF 1174-2014數(shù)字信號(hào)發(fā)生器校準(zhǔn)規(guī)范》等。目前,部分計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)依據(jù)規(guī)范建立了各類數(shù)字及矢量測(cè)量?jī)x器計(jì)量校準(zhǔn)裝置,使得數(shù)字及矢量測(cè)量?jī)x器計(jì)量工作向前邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。關(guān)于數(shù)字與矢量信號(hào)計(jì)量校準(zhǔn)方法,規(guī)范中所用方法都沒(méi)有溯源到現(xiàn)有的基本量,現(xiàn)有測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)都以目前指標(biāo)最高的儀器作為標(biāo)準(zhǔn)器具,就是用矢量信號(hào)分析儀校準(zhǔn)矢量信號(hào)發(fā)生器,反過(guò)來(lái),又用矢量信號(hào)發(fā)生器校準(zhǔn)矢量信號(hào)分析儀,采用閉環(huán)互測(cè)[5-6]。

借鑒上述計(jì)量思路,利用物理和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法,應(yīng)用雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)理論和雷達(dá)信號(hào)合成技術(shù),通過(guò)基于通用測(cè)試儀器的模擬器提供激勵(lì)信號(hào),模擬高密度脈沖流下的脈沖調(diào)制和頻率捷變、脈內(nèi)調(diào)頻、脈內(nèi)調(diào)相等的復(fù)雜調(diào)制信號(hào),采用矢量信號(hào)分析儀和高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī)比測(cè)驗(yàn)證方式實(shí)現(xiàn)計(jì)量。

2 復(fù)雜調(diào)制信號(hào)計(jì)量裝置建立

采用基于通用測(cè)試儀器的模擬器提供激勵(lì)信號(hào),將激勵(lì)信號(hào)功分,一路給高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī),一路給矢量信號(hào)分析儀。將矢量信號(hào)分析儀測(cè)試結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值,來(lái)驗(yàn)證高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性,從而到達(dá)計(jì)量目的。

高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī),在一定頻率測(cè)量范圍、幅度測(cè)量范圍、分析帶寬、脈沖流密度下,具備脈沖調(diào)制、捷變頻、脈內(nèi)調(diào)頻、脈內(nèi)調(diào)相等測(cè)量識(shí)別功能。這些需求決定了采用基于通用測(cè)試儀器的模擬器屬于復(fù)雜信號(hào)產(chǎn)生設(shè)備,目前國(guó)內(nèi)外儀器廠商如是德、R&S、中國(guó)電科41所、成都玖錦等都生產(chǎn)相關(guān)儀器。是德的E8267D、R&S的SMW200A、中國(guó)電科41所1465-V等矢量信號(hào)發(fā)生器,采用各自的信號(hào)產(chǎn)生軟件能產(chǎn)生符合要求的單通道的信號(hào)。在信號(hào)采集分析上是德的N9030B、R&S的FSW系列、中國(guó)電科41所4052系列、成都玖錦PSA5000A等信號(hào)分析儀具備捷變頻、脈內(nèi)調(diào)頻、脈內(nèi)調(diào)相、重頻參差等信號(hào)測(cè)量功能。故路徑是可行的。擬采用R&S公司儀器搭建計(jì)量裝置。具體原理框圖如圖2所示[7-10]。

圖2 校準(zhǔn)裝置溯源組成框圖

SMW200A第三代矢量信號(hào)源能將將真實(shí)雷達(dá)場(chǎng)景搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,載波頻率最高可達(dá)44GHz、具有雙通道輸出功能,帶寬最大2GHz、DAC采樣率2.4Gs/s、bit位高達(dá)14bit、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍大于55dB、存儲(chǔ)空間最大2GB,可存儲(chǔ)相當(dāng)長(zhǎng)的波形。如通過(guò)PDW脈沖描述字的方式產(chǎn)生脈沖波形,能夠大大擴(kuò)展了可用波形的時(shí)間長(zhǎng)度。結(jié)合Pulse Sequence軟件,可以方便地產(chǎn)生寬帶雷達(dá)信號(hào),自由定義信號(hào)的時(shí)域、頻域以及調(diào)制信息。能夠產(chǎn)生的雷達(dá)信號(hào)包括脈沖、多普勒、脈沖壓縮(線性調(diào)頻、巴克碼、PSK、MSK…)、連續(xù)波調(diào)頻以及捷變頻(跳頻)信號(hào)。

FSW第四代信號(hào)分析儀,真正三合一的雷達(dá)系統(tǒng)分析利器,可實(shí)現(xiàn)2GHz超寬帶雷達(dá)信號(hào)分析,單臺(tái)頻率范圍可覆蓋2Hz～67GHz,內(nèi)置雷達(dá)分析軟件實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)參數(shù)自動(dòng)測(cè)量,獨(dú)特的捷變頻雷達(dá)信號(hào)分析軟件FSW-K6,獨(dú)特的連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)分析軟件FSW-K60,可以方便地分析信號(hào)的時(shí)間參數(shù)、功率參數(shù)、頻率及相位參數(shù),針對(duì)脈寬、周期、上升沿、下降沿、過(guò)沖、頂降等脈沖參數(shù)進(jìn)行分析,針對(duì)線性調(diào)頻的調(diào)頻周期、調(diào)頻帶寬、調(diào)頻斜率、線性度、相位特性進(jìn)行分析,還能夠分析跳頻信號(hào)的跳頻圖譜、頻率、電平、時(shí)間準(zhǔn)確度等。

矢量信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生復(fù)雜的寬帶矢量調(diào)制信號(hào),再結(jié)合相應(yīng)的模擬信號(hào)編輯軟件,可具備PDW自定義功能,產(chǎn)生復(fù)雜脈沖信號(hào),為本裝置溯源提供技術(shù)支撐。信號(hào)分析儀等儀表具備矢量信號(hào)的測(cè)量能力,可對(duì)一定量的矢量信號(hào)進(jìn)行采集、分析處理,且提供信號(hào)分析的二次開(kāi)發(fā)功能,可為本標(biāo)準(zhǔn)提供比測(cè)驗(yàn)證設(shè)備支持[11]。

矢量信號(hào)分析儀具有高精度接收機(jī),硬件指標(biāo)可溯源至國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或NIST。內(nèi)部帶有一系列標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及信號(hào)算法,此類算法作為標(biāo)準(zhǔn)算法,受到業(yè)內(nèi)公認(rèn);另一方面,用于本校準(zhǔn)裝置的比測(cè),面對(duì)高脈沖密度流下的復(fù)雜信號(hào),需采用信號(hào)分析儀的測(cè)量分析軟件對(duì)采集到的復(fù)雜信號(hào)進(jìn)行解析,達(dá)到比測(cè)驗(yàn)證的目的。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合高密度脈沖流狀態(tài)下的復(fù)雜信號(hào)測(cè)量識(shí)別的計(jì)量技術(shù)研究,開(kāi)展基本波形片斷的驗(yàn)證典型狀態(tài)選取等研究,最終實(shí)現(xiàn)利用基于通用測(cè)試儀器的模擬器產(chǎn)生高密度脈沖流環(huán)境下的復(fù)雜信號(hào),同時(shí)利用信號(hào)分析儀和校準(zhǔn)裝置對(duì)復(fù)雜調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比測(cè)驗(yàn)證,驗(yàn)證復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)高脈沖密度流下復(fù)雜調(diào)制信號(hào)計(jì)量。

根據(jù)計(jì)量需求,選取基本波形片斷具體如表1所示,組合成典型狀態(tài),利用Pulse Sequence軟件進(jìn)行仿真并完成高密度脈沖流狀態(tài)下的復(fù)雜調(diào)制信號(hào)建立,并下載到SMW200A中,產(chǎn)生復(fù)雜調(diào)制信號(hào),利用FSW和高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)測(cè)量驗(yàn)證分析,通過(guò)兩者比測(cè)驗(yàn)證達(dá)到計(jì)量效果。

表1 基本波形片斷表

選取載頻2GHz,脈沖密度流50萬(wàn)/s,帶寬為0.5GHz下,基于脈沖調(diào)制信號(hào)、捷變頻、脈內(nèi)調(diào)頻、脈內(nèi)調(diào)相等基本波形片斷的復(fù)雜調(diào)制信號(hào),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可行,解決高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī)高脈沖流密度下脈沖調(diào)制、捷變頻、脈內(nèi)調(diào)頻、脈內(nèi)調(diào)相等測(cè)量功能計(jì)量。

表2 驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證校準(zhǔn)裝置性能,在上述實(shí)驗(yàn)條件下,增加性能相當(dāng)?shù)男盘?hào)源分析儀4052、PSA5000A進(jìn)行比測(cè)驗(yàn)證,比測(cè)驗(yàn)證數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。以3種信號(hào)分析儀測(cè)試數(shù)據(jù)平均值為標(biāo)準(zhǔn)值,實(shí)驗(yàn)分析表明,裝置測(cè)試一致性較好。

表3 比測(cè)驗(yàn)證驗(yàn)證數(shù)據(jù)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

利用數(shù)字與矢量信號(hào)計(jì)量校準(zhǔn)思路,建立了基于通用測(cè)試儀器的復(fù)雜調(diào)制信號(hào)計(jì)量裝置,以矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生基于基本波形片斷的高密度脈沖流下復(fù)雜調(diào)制信號(hào)為激勵(lì),采用矢量信號(hào)分析儀和高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī)比測(cè)驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)對(duì)高密度脈沖流復(fù)雜調(diào)制信號(hào)測(cè)量接收機(jī)計(jì)量。由于采用了通用測(cè)試儀器,其具備信號(hào)樣式編輯模擬等功能,該方法具有通用性,可以應(yīng)用到復(fù)雜電子環(huán)境的模擬及驗(yàn)證等領(lǐng)域測(cè)試計(jì)量。