基于AWG超宽带雷达信号测试系统的实现∗

(西安黄河机电有限公司设计研究所,陕西西安710043)

0 引言

随着雷达探测技术的不断发展,超宽带雷达以较高的距离分辨率和目标识别能力适应了当今军事应用需求。同时,也对雷达系统测试条件提出更严格要求。传统雷达信号测试系统是生成两路正交基带信号,经由正交调制器生成中频信号,经上变频后生成所需的雷达射频信号。在超宽带情况下,正交两路基带信号幅相一致性很难保证,且带内平坦度不高,误差补偿校准过程也较为繁琐,信号处理环节多,极易受到外部环境的影响。为解决传统雷达测试系统的弊端,提出了一套基于通用仪器设备的具有易操作、高性能、高性价比的超宽带雷达信号测试系统方案。

1 雷达信号测试系统作用

在超宽带雷达研制和调试阶段,其信号处理、接收系统、天馈系统等均需要提供相应的基带、中频及射频信号进行性能测试和验证。此外,还需要提供一个尽可能接近真实的复杂电磁环境以考核雷达系统的适应力和抗干扰能力。超宽带雷达测试系统是为实现生成超宽带雷达信号和信号场景环境这两项功能而搭建的。

1.1 常用雷达宽带信号

“超宽带雷达”的概念是1990年3月在美国新墨西哥州Los Alamos国家实验室召开的超宽带雷达会议上第一次提出的。根据雷达信号的相对带宽来定义:绝对带宽与载频比大于0.25的都可称为超宽带雷达信号。按照信号是否被调制,主要分为冲激脉冲信号(非调制)和脉冲压缩信号(调制)两大类。由于冲激脉冲信号的平均功率限制其作用距离,大多数超宽带雷达采用脉冲压缩信号形式来实现。脉冲压缩要求对雷达脉冲进行内部调制,最常用的方法主要有线性调频和相位调制[1-4]。

1.1.1 线性调频

由于线性调频信号的产生和处理均较容易,其压缩脉冲的形状和信噪比对多普勒频移不敏感,且技术成熟,因此雷达系统中多采用线性调频信号作脉压信号。但是,在利用多普勒频率测量目标方位和距离的情况下很少使用[4-5]。

1.1.2 相位编码

相位编码又称“相位调制”,每个脉冲由一串较短的脉冲组成,其中载波相位由某个自动相关度低的二进制序列控制。平均功率由序列的总时长决定,而空间分辨率则由每个符号时长决定。在二进制相位编码中,载波的相位在0°～180°之间变化,在对准不完美时,自动相关度会比较低。如巴克码是一种应用比较广泛的相位编码方法[5-7]。

1.2 信号场景环境

由于当今各种军民用电子设备大量普及和应用,导致雷达应用电磁环境日益复杂,也对雷达电磁兼容性和抗干扰性提出更高要求。目前,电磁环境影响雷达正常工作的主要来源有无线通信、广播电视、卫星通信及其他大功率电子设备所产生大功率、同频段信号或噪声信号,尤其是其他型号或同型号雷达的影响最为突出。目前设计雷达信号时必须考虑的一项关键特性就是,要求其与共享同一频段的其他军用民用设备的信号共存,且不能相互干扰以致恶化雷达信号品质。因此,在雷达研制及调试阶段需要模拟并创建复杂情况下信号场景环境来全面地测试所处电磁环境对雷达系统的影响。

2 雷达信号测试系统工作原理

2.1 雷达信号生成的基本方法

目前有三种不同的方法可以利用通用激励信号源设备生成雷达信号:

① 产生基带调制信号 这种方法是要求两个基带信号即同相成分和正交成分,通过一台拥有两条通道的任意波形发生器或通过使用两台同步的单通道发生器生成,然后输出给正交调制器进行处理。若需要射频微波段的雷达信号,则要进行一次或多次上变频。这种方案是目前比较常用的,但对基带正交两路信号幅相一致性要求极高,尤其在超宽带情况下,稍有偏差就会造成镜频抑制不理想(通常只有-35 dBc),输出平坦度也会变差,校准过程也很繁琐。

② 直接生成射频信号 这种方法只需要一台高端任意波形发生器在最后的射频/微波频率上生成被调制载波,因此除滤波器或放大器外,不要求其他信号处理模块。由于无中间处理环节,因此能保证所产生信号品质极高。如泰克2013年最新款AWG70000系列任意波形发生器可实现直接输出雷达中频/射频信号,但价格过高,一般科研院所显然无法承受。

③ 直接产生中频信号 这种方案采用任意波形发生器以相对较低的载频生成被调制信号(中频信号)。在某些情况下,这个信号可以直接应用到接收机或发射机的某个信号处理模块上。如果需要其在最后微波频率上执行,使用直接上变频器使其达到所需的载频。这种方法避免了正交信号带调制的弊端,中频变频方法对镜频和本振的抑制达-50 d Bc,带内平台度也较好。与直接生成射频信号方法相比性价比高,是目前高性能雷达信号仿真系统的首选方案[2-4]。

2.2 测试系统的组成

系统方案采用第三种方法,即生成中频信号方法,再经超宽带上变频,最终实现超宽带雷达信号。该系统由中频信号生成模块,宽带上变频器及校准设备组成,如图1所示。

图1 雷达信号测试系统组成

2.2.1 系统主要技术指标

① 输出频率:0.5～40 GHz;

② 输出功率:-80～+15 d Bm;

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③ 最大输出带宽:2 GHz;

④校准后的2 G信号带内信号平坦度:≤±1 d Bc;

⑤ 输出杂散抑制:≥50 dB;

⑥ 相位噪声:≤-95 d Bc/Hz@10 k Hz。

2.2.2 中频信号生成模块

作为整个测试系统核心的中频信号生成模块,采用的是泰克AWG7082C任意波形发生器。理论上,只要任意波形发生器的采样率足够高,可以直接生成被调制好的中频或射频任意体制雷达信号,频率范围从DC到采样率一半。早期信号发生器的采样率不高及无杂散动态范围(SFDR)限制了调制信号生成能力。该系统采用的该型任意波形发生器拥有8 GS/s采样率和改进的SFDR性能,理论上可以直接生成DC到4 GHz的任意体制基带/中频/射频雷达信号。由于其采用的内插DAC技术使用两个DAC(如图2所示),实现对两个DAC隔行扫描。这样可以将波形文件偶数采样点传输到DAC#1中,而奇数采样点传送到DAC#2中。采样时钟输出两路(相差半个周期),由于DAC#2采样周期延迟一半,两路合成后可将每个DAC中的镜频抵消。隔行扫描的方式等于将采样率加倍,最终输出的频率不再是采样率一半,而是将其扩展到采样率最高上限。但同时也会产生高频开关噪声,降低SFDR和有效位性能。

图2 实现更高采样率的方法

该系统较传统两路基带+外部宽带调制的最大优势是,在任意波形发生器内部以数学方法进行基带生成和正交调制,不会产生正交不平衡所引起的镜频误差。但由于电缆特性造成的线性失真会引起带内平坦度和相位线性问题,可以在校准设备中进行幅度和相位误差补偿。而当今大部分雷达射频信号都在20 GHz(Ku频段)以内的范围,显然AWG7082C所产生的雷达信号(最高仅为4 GHz)不能满足射频范围的测试需求。因此需要更高频率的射频雷达信号时,必须将AWG7082C所产生的中频信号进行超宽带变频方可实现[8-9]。

2.2.3 超宽带上变频模块

上变频模块采用的是Sinolink的SFUC40B型高性能宽带上变频器,信号输出频率为0.5～40 GHz(频率步进1 Hz),信号带宽可达2 GHz,校准前的带内功率平坦度为±1.5 d B,变频通道增益控制范围为100 dB(调节步进0.5 dB)。由于AWG7082C输出为中频信号,上变频器工作模式应选择中频信号输入,将AWG7082C后面板的10 MHz参考电平信号输入给SFUC40B型上变频器作为参考时基,保证两设备能同步工作。该变频器具有优良的相噪、杂波抑制比和带内平坦度等指标。

2.2.4 雷达信号校准设备

图3 Signal Vu软件分析雷达信号

3 编辑创建雷达信号

3.1 使用RFXpress软件编辑波形

RFXpress是泰克公司开发的一款高级基带/中频/射频波形编辑、生成和仿真软件(如图4所示),可以迅速、简便地创建数字调制基带、中频及射频波形,可以满足特定要求来使用各种调制方案定义基带、中频和射频信号,生成单载波信号和多载波信号,每个载波都可以单独定义和生成跳频码型。可以在波形中加入正弦干扰、正交误差、正交失衡和非线性损伤,也可进行校准,使AWG实现平坦的幅度响应和线性相位响应。针对新型雷达体制的特点和要求,雷达插件为RFXpress加入了以下功能[10]:

① 创建一个或多个脉冲组,形成相参或不相参脉冲串;

② 独立定义每个脉冲组,可使用不同的脉冲组模拟多个目标回波同时到达;

③ 定义脉冲间和脉冲内的跳频码型、频率和幅度;

④ 定义所有脉冲参数:起始时间、关断时间、上升时间、下降时间、脉宽、跌落和纹波;

⑤使用斜坡或用户自定义轮廓,定义参差PRI;

⑥建立自定义脉冲序列,使用AWG的序列模式以优化内存、建立更多脉冲;

⑦支持各种脉内调制类型,包括线性调频、QPSK、BPSK、步进调频、Barker/Frank/ 多相码(包括P1/P2/P3/P4)、用户自定义步进调频/调幅和步进PM/AM及自定义调制;

⑧ 定义天线波束特性,模拟目标回波。

图4 用RFXpress软件生成的雷达线性调频信号

3.2 创建信号场景环境

RFXpress软件还可定义雷达信号场景环境,包括 WIMAX、Wi-Fi、GSM、GSM-EDGE、EGPRS 2A、EGPRS2B、CDMA、W-CDMA、DVB-T、噪声和连续波雷达等25类常见信号,还可以配置特定标准信号的参数。为环境中的所有信号定义载频、功率、开始时间和时长,也可将MATLAB生成的信号、实时信号分析仪或示波器所采集到其他特定信号导入到该信号场景环境中,从而可全面了解雷达信号与这些信号相互干扰后的影响。

4 结束语

该雷达信号场景系统能够在0.5～40 GHz的频率范围内产生、校准和分析带宽达2 GHz的多种体制复杂的雷达信号。AWG7082C任意波形发生器具有高采样率、超宽带和较高的信号保真度,结合使用RFXpress波形编辑软件可以便捷地生成各种体制超宽带雷达信号。采用了Sinolink的SFUC40B型超宽带上变频器,避免了传统宽带信号采用正交调制器产生方法所带来的正交失真及繁琐的校准工作。目前,该系统已投入到多个型号雷达产品研制阶段中,对方案验证与改进、系统测试、产品验收等方面工作起到了至关重要的作用。

[1]刘夷,宿绍莹,陈曾平.一种宽带雷达回波信号模拟器设计[J].雷达科学与技术,2010,8(2):125-128.LIU Yi,SU Shao-ying,CHEN Zeng-ping.Design of a Wideband Radar Echo Simulator[J].Radar Science and Technology,2010,8(2):125-128.(in Chinese)

[2]彭琪,张伟,袁著.机载SAR半实物快速回波模拟设计及实现[J].雷达科学与技术,2012,10(1):42-47.PENG Qi,ZHANG Wei,YUAN Zhu.Design and Realization of Fast Airborne SAR Echo Simulation Based on Hardware-in-Loop[J].Radar Science and Technology,2012,10(1):42-47.(in Chinese)

[3]司翰,陈丁.基于先进仪器的雷达信号模拟系统的研究[J].无线互联科技,2014(9):69.

[4]张秋政,林明.超宽带雷达信号脉冲压缩的研究[J].科学技术与工程,2013,13(29):8626-8630.

[5]宿纪民,汪普宏.一种超宽带相参雷达目标模拟器设计[J].国外电子测量技术,2014,33(1):65-68.

[6]丁鹭飞,耿富录,陈建春.雷达原理[M].4版.北京:电子工业出版社,2009.

[7]陈伯孝.现代雷达系统分析与设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2012.

[8]吴顺君,梅晓春.雷达信号处理与数据处理技术[M].北京:电子工业出版社,2008.

[9]赵树杰.雷达信号处理技术[M].北京:清华大学出版社,2010.

[10]陈丁,王放,李婷婷,等.通用雷达信号场景系统的研制[J].电子科技,2014,27(6):66-68,71.