一种多功能雷达信号环境模拟器设计

高红友，张 允，江友平

(中国船舶重工集团公司 第723研究所， 江苏 扬州 225001)

现代战场日益向“ 陆、海、空、天、电磁” 五维一体方向发展，电磁环境越来越复杂，电子系统装备在如此复杂的电磁环境下保持工作成为关键。为了测试电子装备的性能和技术指标，若通过外场或实战演习来测试电子装备在复杂电磁环境下的工作性能，存在时间长、成本高、灵活性差等问题[1]。为弥补外场测试存在的问题，研制配套的模拟器成为必需。采用模拟器不仅节约成本，重要的是保密性好，可在内场或外场近距离测试。而随着电子技术的发展，电子装备变得复杂，技术水平大幅度提高，相应对配套模拟器也就提出了更高的要求。为了适应这种要求，国内一些相关科研院所相继投入大量的人力和物力去研制能适应新需要新体制的模拟器[2-3]。本文结合工程实际设计一种多功能雷达信号环境模拟器，该模拟器除能模拟产生100MHz～2GHz雷达环境信号，还能分别模拟塔康信号和GPS信号，这为电子装备的测试试验提供了必要的手段。

1 模拟器性能指标

根据总体任务书要求，模拟器主要性能指标：

(1)频率范围：100MHz～2GHz，分两段100～500MHz、0.5～2GHz；

(2)输出功率：-10～30dBm；

(3)谐波抑制：≤-20dBc；

(4)杂散抑制：≤-30dBc；

(5)重频：2μs～20ms(精度±0.1μs)；

(6)脉宽：50ns～1ms(精度±25ns)；

(7)信号类型：连续波、连续波调频调相、常规脉冲、频率捷变、频率分集、重频抖动、重频参差、重频滑变、脉冲压缩等；

(8)工作模式：100MHz～2GHz频段雷达信号、塔康应答器和机载塔康询问机信号和GPS信号。

2 信号模拟

2.1 雷达信号

雷达信号模拟包括常规脉冲和连续波信号、调频调相的脉冲和连续波信号及各种体制的脉冲和连续波雷达信号。在信号的模拟产生方法中，线性调频信号应用最多，而线性调频脉冲信号是目前雷达应用的主要信号形式，其复数表达式可写成

(1)

信号的瞬时频率可写成

fi=f0+Kt

(2)

式中：K=B/T为频率变化斜率，B为频率变化范围；f0为中心频率。

图1给出了线性调频脉冲信号波形图，波形在时域中为矩形包络的信号，在脉冲内载波频率按线性规律变化，直线升高，线性调频后信号波形由宽脉冲压缩为窄脉冲。本文雷达信号模拟方法沿用了之前的成熟算法、数学模型及实现方法[4-6]。

图1 线性调频脉冲信号波形图

2.2 塔康信号

塔康信号工作频段为962～1213MHz，划分为252个波道，其中包含126个编号从1X到126X的X模式波道和126个编号从1Y到126Y的Y模式波道。塔康信号主要包括塔康舰载信标台信号及机载询问台信号[7]。

塔康信号的模拟主要依据固定的编码格式及发送时序，由信号处理单元产生相应的脉冲序列，并控制衰减器进行15Hz及135Hz调幅的幅度控制，完成塔康信号的产生。

对于机载询问台信号的模拟，主要根据不同的工作模式其询问信号和应答信号之间的时间延迟、脉冲对之间的间隔确定。机载询问台询问脉冲对间隔X模式时为12μs，在Y模式时为36μs。塔康信标机接收到机载询问台询问信号后，在固定的延迟时间后作出应答；延迟时间在X模式时为50μs，在Y模式时为56μs，示意图如图2所示。

图2 机载询问台时延示意图

塔康信号模拟产生按规律变化的脉冲串信号，其模拟通过信号处理单元，根据塔康信号编码标准进行脉冲排队，并控制射频通道进行幅度和脉冲调制，即可完成塔康信号的产生。

同时塔康信号的模拟样式参照《GJB 914-1990塔康系统信号要求和测试方法》、《GJB 2784-1996 塔康机载设备通用规范》和《GJB 1946-1994 塔康地面设备通用规范》等文件要求进行设计。

2.3 GPS信号

GPS卫星向地球用户发送的信号由两个频率分量L1和L2组成，L1的中心频率为1575.42MHz，L2的中心频率为1227.6MHz。L1和L2均是已调波，其调制波是卫星导航电文D码和伪随机噪声码C/A码、P码。D码为一个50bps的导航电文数据流，包含多个数据帧；C/A码是一种10级寄存器的Gold码，码序列长度为1023，码时钟为1.023MHz，码周期为1ms；而P码时钟10.23MHz，码长度大于37周。在载波L1上调制D码、C/A码和P码，载波L2只调制D码和P码。

本模拟器通过使用高性能FPGA+DDS来产生经过调制的L1和L2两路信号，即在FPGA中用线性反馈移位寄存器产生两个相关的伪随机序列m序列码，进行异或，产生C/A码所需的Gold码。P码在FPGA中用两个12位宽的随机序列产生，或者直接生成一个伪随机序列作为P码，然后将D码与C/A码或P码进行异或产生扩频信号，再用此扩频信号序列控制DDS产生PSK调制信号，混频至L1或L2形成射频信号发射出去，详细内容可参见有关文献[8-10]。

3 硬件设计

模拟器由显示控制单元、信号处理单元、信号产生单元、频率合成器、射频通道单元、功放单元和天线辐射单元等组成，其系统原理框图如图3所示。

图3 模拟器系统原理框图

3.1 显示控制单元

显控单元是模拟器的重要组成部分和控制核心，主要任务是实时控制模拟器的运行；为用户提供友好的人机交互界面；通过人机界面编辑辐射源威胁数据由；控制计算机(PC104)形成初始化战情报文；控制辐射源的运行状态和模式切换的实时运行报文；通过串口传送给信号处理单元，实现雷达数据库管理、模拟器自检、试验战情设置、设备运行控制、设备状态及试验数据显示和通信等功能。其工作原理如图4所示。

图4 显控单元工作原理框图

3.2 信号处理单元

信号处理单元主要是一块以多个超大规模FPGA为核心具有高速数字运算能力和高速数字I/O接口的高集成度控制电路模块。其作为显示控制单元的具体执行机构，接收显示控制单元发送的战情数据和控制命令；实时控制信号产生单元、射频通道单元等硬件，完成对射频信号的频率、脉宽、重频以及幅度等多种形式调制信号的实时解算；以及多个脉冲的时序排队等功能，生成雷达脉冲描述字控制流，控制每一个脉冲的出现时间、频率、脉内调制、脉宽、幅度，原理框图如图5所示。

图5 信号处理单元FPGA功能框图

3.3 信号产生单元

信号产生单元是本模拟器的核心单元，主要由控制电路、两套DDS模块(DDS1、DDS2)以及混频滤波器件组成，原理框图如图6所示。

图6 信号产生单元原理框图

由于本模拟器可用于塔康信号、GPS信号以及0.1～2GHz雷达信号的产生，对频率精度要求较高，故选用直接数字频率合成器(DDS)。利用DDS来实现精细频率步跳，并通过和一组以高稳定度晶振为参考频率的标准频源组成的粗精频率步跳的点频进行混频、滤波及放大生成各频段的信号。为了兼顾GPS双载波信号产生，信号产生单元的输出为2路，其中一路(DDS1)输出频段为0.1～2GHz，可分别模拟产生塔康信号、GPS信号的L1载波信号(1227.6MHz)以及0.1～2GHz雷达信号；另一路(DDS2)模拟输出GPS的L2载波信号(1575.42 MHz)。

3.4 射频通道单元、功放单元和天线辐射单元

射频通道单元主要包括程控衰减器、放大器和调制器。程控衰减器用于对输出信号幅度进行控制，动态范围≥60dB，可承受功率≥0.5W；放大器对传输信号进行放大，补偿通道功率损耗；调制器为单刀单掷开关，隔离度设计可达到80dB，开关速度小于15ns，用于对信号进行脉冲调制。为减少结构空间，射频通道单元与信号产生单元设计为一个模块。功放单元为0.1～0.5GHz、0.5～2GHz两个频段低噪声放大器，增益为27±1dB，1dB压缩点为31dBm。天线辐射单元为0.1～0.5GHz、0.5～2GHz两个频段对数周期天线，波束宽度为60°，增益分别为6dB、9dB。

4 试验测试

按照信号模拟方法和硬件设计思路，本着通用化、系列化、模块(组合)化的设计原则研制出一套多功能雷达信号模拟器，选用成熟的商业标准4U机箱，外形美观大方，如图7所示。

模拟器可在开放环境或微波暗室中使用，进行注入式或辐射式信号模拟。根据不同试验任务需要对模拟器进行信号参数设置，分别实现雷达信号、塔康信号和GPS等复杂电磁信号的模拟，图8给出了频谱仪测出的模拟器产生的塔康信号、GPS信号和雷达信号波形频谱图。

图7 模拟器机箱外观图

图8 信号波形频谱示意图

从图8可看出，模拟器产生的信号是理想可用的，达到了信号样式设计要求。目前已应用到某系统保障中，架设便携，使用方便，适合外场和内场试验，利用频谱仪和示波器对模拟器输出信号质量进行测试，如表1所示。

表1 信号质量测试数据

测试结果表明该设计模拟器性能指标达到要求，满足系统特定指标试验需要。

5 结束语

在现代信息化条件下，电子信息化装备密集部署形成了复杂多变的电磁环境，如何构建电子系统装备试验条件下的背景信号、目标信号和干扰信号，模拟器是必然的试验手段。本文研制的模拟器可针对性设置一些典型雷达信号，还可进行塔康信号和GPS信号模拟，为一些电子装备的试验形成了逼真的背景信号，对提升和考核电子系统装备的作战效能做了提前的准备，目前已有多套不同型号和体制的雷达信号模拟器得到应用，在电子系统装备测试试验中发挥了重要的作用。

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