雷達(dá)模擬器信號(hào)在線測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周劍，姜傳飛，黃泳樟

（1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所，揚(yáng)州 225001；2.中國(guó)船舶工業(yè)電工電子設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)檢測(cè)中心，揚(yáng)州 225001）

引言

在電子信息裝備科研生產(chǎn)過(guò)程中，常常需要考核裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境中的性能。通常用雷達(dá)信號(hào)模擬器構(gòu)建所需的復(fù)雜電磁環(huán)境。雷達(dá)信號(hào)模擬器是一種特殊的微波信號(hào)源，用于模擬產(chǎn)生實(shí)際雷達(dá)信號(hào)，具有攜帶方便，研制成本相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)[1]。一般一臺(tái)模擬器可以產(chǎn)生至少二十部不同形式的雷達(dá)信號(hào)。雷達(dá)模擬器已經(jīng)成為科研生產(chǎn)中必不可少的輔助設(shè)備，它的廣泛應(yīng)用使得科研效率大幅提升，成本顯著降低[2]。

但是科研人員在利用雷達(dá)模擬器檢驗(yàn)裝備性能時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)裝備接收信號(hào)丟失或參數(shù)錯(cuò)誤的情況。究竟是裝備自身的設(shè)計(jì)缺陷所致，還是雷達(dá)信號(hào)模擬器發(fā)出的信號(hào)有誤，原因難以排查，給科研人員造成了極大的困擾。為此，本文提出了一種在線測(cè)量雷達(dá)模擬器信號(hào)的方法。

1 測(cè)量原理

解決前述困擾的總體思路是，將雷達(dá)信號(hào)模擬器的輸出通過(guò)線纜輸入給示波器和頻譜儀，利用高精度通用儀表分析和測(cè)量得出雷達(dá)信號(hào)的時(shí)域和頻域參數(shù)，并以此作為信號(hào)參數(shù)的真值，繼而對(duì)裝備進(jìn)行性能檢驗(yàn)。如圖1 所示，在線測(cè)量系統(tǒng)由頻譜儀、示波器、交換機(jī)和測(cè)試計(jì)算機(jī)組成。頻譜儀、示波器通過(guò)網(wǎng)線經(jīng)交換機(jī)連接至測(cè)試計(jì)算機(jī)。雷達(dá)模擬器產(chǎn)生的信號(hào)分別從射頻輸出口和視頻輸出口接入頻譜儀和示波器[3]。頻譜儀用于測(cè)量信號(hào)的頻域參數(shù)，示波器用于測(cè)量信號(hào)的時(shí)域參數(shù)。

圖1 在線測(cè)量系統(tǒng)組成圖

如圖2 所示，在裝備性能檢驗(yàn)時(shí)，雷達(dá)模擬器產(chǎn)生的信號(hào)從射頻輸出口經(jīng)功分器一分為二，一路通過(guò)天線輻射向空間輻射，另一路輸出給在線測(cè)量系統(tǒng)[4]。裝備接收機(jī)通過(guò)天線接收空間的雷達(dá)信號(hào)并計(jì)算出信號(hào)的所有參數(shù)。通過(guò)對(duì)比裝備接收機(jī)和本系統(tǒng)測(cè)得的信號(hào)參數(shù)，即可解決前述困擾科研人員的問(wèn)題。

圖2 雷達(dá)模擬器在線測(cè)量原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖3 所示，本系統(tǒng)所用的示波器和頻譜儀均為羅德施瓦茨（R&S）公司生產(chǎn)，型號(hào)分別為RTM2032 和FSV40，示波器的帶寬為500 MHz，采樣率為5 GSa/s，頻譜儀的頻率范圍為10 kHz~40 GHz。雷達(dá)信號(hào)模擬器為中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所研制。示波器和頻譜儀用網(wǎng)線經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和測(cè)試計(jì)算機(jī)相連，模擬器的射頻信號(hào)輸出口與頻譜儀相連，視頻信號(hào)輸出口與示波器相連。

圖3 在線測(cè)量系統(tǒng)組成照片

本系統(tǒng)所有儀表均經(jīng)過(guò)計(jì)量且在計(jì)量有效期內(nèi)，各儀表詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備一覽表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用LabView 語(yǔ)言編寫,利用SCPI 指令控制、操作頻譜儀和示波器，整個(gè)測(cè)量過(guò)程無(wú)需人工介入。LabView 是美國(guó)NI 公司專門為測(cè)試、測(cè)量及控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)工程軟件，可以實(shí)現(xiàn)硬件I/O 和數(shù)據(jù)信息的快速訪問(wèn)[5]。SCPI 指令，即可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（Standard Commands for Programmable Instruments），最初由美國(guó)惠普公司提出，于1990 年和IEEE488.2 協(xié)議一起面世，該協(xié)議對(duì)世界上各大儀器公司的儀器控制命令語(yǔ)法進(jìn)行了規(guī)范和統(tǒng)一。SCPI 指令的總目標(biāo)是節(jié)省自動(dòng)測(cè)試儀器程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，保護(hù)儀器生產(chǎn)廠家和使用人員雙方的硬件和軟件投資，為儀器控制和數(shù)據(jù)利用提供廣泛兼容的編碼環(huán)境[6]。

軟件首先以TCP 方式（IP 地址和端口號(hào)）與示波器和頻譜儀建立連接，然后通過(guò)SCPI 指令實(shí)現(xiàn)儀表的初始化和參數(shù)設(shè)置。當(dāng)模擬器產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)后，軟件開(kāi)始進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果顯示在界面上，軟件流程圖如圖4 所示。其中信號(hào)參數(shù)的測(cè)量主要由如下SCPI 指令實(shí)現(xiàn)。

圖4 軟件流程圖

1）頻譜儀最大值點(diǎn)標(biāo)記：CALC:MARK:MAX:AUTO

指令中可選ON 和OFF 兩個(gè)參數(shù)，缺省值為OFF。該指令用于開(kāi)啟或關(guān)閉頻譜儀的最大值標(biāo)記功能。

2）頻譜儀當(dāng)前標(biāo)記點(diǎn)頻率的測(cè)量：CALC:MARK:CONT:FREQ?

該指令返回當(dāng)前標(biāo)記的頻點(diǎn)的頻率值。

3）頻譜儀當(dāng)前標(biāo)記點(diǎn)功率的測(cè)量：CALC:MARK:Y?

該指令返回當(dāng)前標(biāo)記的頻點(diǎn)的Y 軸值。

4）示波器信號(hào)脈寬和周期的測(cè)量：MEAS:ARES?

指令中用于指定示波器的測(cè)量通道，該指令用于信號(hào)參數(shù)的快速測(cè)量，并按如下順序返回信號(hào)參數(shù)：PEAK, UPE, LPE, RMS, MEAN, PER, FREQ, RTIM ,FTIM。

利用程序設(shè)計(jì)常見(jiàn)的順序、判斷和循環(huán)結(jié)構(gòu)將上述SCPI 指令進(jìn)行組合，即可從頻譜儀和示波器讀回頻域和時(shí)域參數(shù)的測(cè)量結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性，在實(shí)驗(yàn)室條件下按圖1搭建測(cè)試系統(tǒng)。給模擬器任意設(shè)置了一部雷達(dá)信號(hào)，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模擬器信號(hào)參數(shù)設(shè)置表

軟件設(shè)置頻譜儀的中心頻率與模擬器載頻一致，帶寬BW 設(shè)為100 MHz，分辨率帶寬RBW 和視頻帶寬VBW 分別設(shè)為1 MHz 和10 kHz。在雷達(dá)模擬器信號(hào)輸出后運(yùn)行系統(tǒng)軟件，軟件完成儀表參數(shù)設(shè)置后，界面上顯示系統(tǒng)測(cè)得的信號(hào)參數(shù)，如圖5 所示，結(jié)果如表3 所示。

表3 系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果一覽表

圖5 軟件測(cè)試結(jié)果圖

從軟件運(yùn)行結(jié)果可以看出，測(cè)得重復(fù)周期、脈寬、載頻和模擬器輸出信號(hào)的參數(shù)完全一致。慮及系統(tǒng)所用射頻電纜的插入損失（試驗(yàn)前測(cè)得1.5 GHz 頻率的插入損失為0.75 dBm），信號(hào)幅度測(cè)量結(jié)果也和模擬器輸出信號(hào)幅度一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)模擬器常用時(shí)域和頻域參數(shù)的同時(shí)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可以作為裝備性能檢驗(yàn)的參照標(biāo)準(zhǔn)。

5 總結(jié)與展望

本文針對(duì)實(shí)際項(xiàng)目中科研設(shè)計(jì)人員遇到的問(wèn)題和困擾，設(shè)計(jì)了一套雷達(dá)模擬器信號(hào)在線測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由硬件組成簡(jiǎn)單，軟件流程清晰，整個(gè)測(cè)量過(guò)程可以一鍵完成，對(duì)測(cè)量人員自身水平依賴程度低，具備較強(qiáng)的實(shí)用性。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以同時(shí)在線測(cè)量雷達(dá)信號(hào)常用的時(shí)域（周期、脈寬、占空比）參數(shù)和頻域（載頻、幅度）參數(shù)。

但是雷達(dá)信號(hào)是一種特別復(fù)雜的脈沖信號(hào)，蘊(yùn)含著大量時(shí)域和頻域信息。本系統(tǒng)還存在著許多不足之處，有待后續(xù)研究與開(kāi)發(fā)?？偨Y(jié)而言，還有如下兩方面問(wèn)題需要解決：

1）不能測(cè)量出復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)的所有參數(shù)，特別是信號(hào)的脈內(nèi)參數(shù)，如捷變、參差、抖動(dòng)等參數(shù)；

2）不能測(cè)量多部雷達(dá)同時(shí)發(fā)射情況下的各信號(hào)的參數(shù)。

上述兩個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)行復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)，并增加硬件通道數(shù)量。只有將上述兩個(gè)問(wèn)題解決了，才能徹底解決本文最初提出的科研人員的困擾，助力科研生產(chǎn)質(zhì)量和效率同步提升。