基于仿真计算的辐射源信号生成方法研究*

姜博文，刘天林，姜勤波，郭金库，齐世举

(火箭军工程大学，陕西 西安 710025)

·工程应用·

基于仿真计算的辐射源信号生成方法研究*

姜博文，刘天林，姜勤波，郭金库，齐世举

(火箭军工程大学，陕西 西安 710025)

为提高复杂电磁环境中辐射源信号的生成效率和逼真度，提出了一种基于仿真软件驱动实际信号生成的辐射源信号产生方法。首先，通过Matlab仿真计算得到任意辐射源信号(以辐射源信号中的LFM信号为例)；其次，利用LabVIEW设计出相应的I/Q信号读取及发射单元；最后，经任意波形信号发生器生成射频信号。试验表明，利用计算机软件仿真出的辐射源信号与实际生成的射频信号相一致，该方法为实现快速仿真生成任意辐射源信号及其可视化研究提供了技术支持，独立的读取单元减少了系统内存的占用，具有一定的工程实践意义。

仿真计算；辐射源信号；信号生成

0 引言

复杂电磁环境指的是由一定的空域、时域、频域和功率域上，分布的数量繁多、样式复杂、密集重叠、动态交迭的电磁信号构成的电磁环境。因而构建复杂电磁环境的关键在于辐射源的构建。

文献[1]依托NI公司的数据采集硬件设备利用LabVIEW语言设计的动态信号采集系统，虽满足试验数据的采集，但不具备普遍性，不能够满足任意信号采集与实现的要求。文献[2]以GPS L1信号为例提出了一种基于LabVIEW与Matlab混合编程的方法，但在二进制文件读取的程序设计上较为繁琐，以及在LabVIEW与Matlab之间的接口实现方法选取上不利于工程实践。本文提出了一种将Matlab仿真出的基带信号生成TXT文本文件，再利用C#设计的转换程序得到适合LabVIEW读取的I16位整型的二进制文件，最后通过控制矢量信号发生器产生实际信号的方法，经验证该方法具有适用范围广、仿真结果真实性和可靠性高等工程实践意义。

1 辐射源信号仿真

1.1 基带信号

基带矢量信号是指矢量信号源进行高频载波调制前的信号，而产生基带矢量信号的其中一种方式是 IQ 正交调制[3]。采用正交调制方式可以有效提高传输速率，减小码间串扰，抑制镜像频率。

基带信号的产生可以通过实物模拟产生也可采用计算机软件仿真的方式进行实现，本文基于MATLAB编程研究辐射源基带信号的生成方法，并在LabVIEW平台上对基带信号进行处理同时设计出控制硬件设备产生射频信号的模块，从而在矢量信号发生器上生成实际信号。

1.2 Matlab平台

Matlab以其高速的数学计算、简单易懂的语法、友好的人机交互界面成为现今应用最为广泛的科学计算应用软件[4]。利用Matlab强大的数值计算功能和可视化的仿真环境能够进行跨平台的数据交流转换。

1.3 LabVIEW平台

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的中文含义是试验室虚拟仪器工程平台[5-6]。其最突出的特点就是采用图形化的编程语言(G语言)，采用模块化的软件设计，用一个个程序框图代替了传统的编程代码，大大降低了编程的复杂度，G语言代码直观，层次清晰，使用该软件只需用连线、图标便能构成流程图，具有友好的交互界面，使用程序简单易懂，可读性很高。

2 试验硬件设备

矢量信号发生器又称矢量信号源，微波矢量信号源[7]。矢量信号发生器通常由基带信号产生单元、载波产生单元、矢量调制单元等组成，能够提供一定波形、频率和输出电平的信号源设备，可用于战场复杂电磁环境中辐射源信号的产生。

矢量信号发生器的种类繁多，例如本试验采用NI公司所生产的PXIe-5644R矢量信号发生器[8](VST)。作为首台软件自定义的仪器，它在单个PXI单台仪器中集成了矢量信号分析仪、矢量信号发生器，以及用户可编程的FPGA模块，可用于提高测试速度或实现各种实时算法。该VST拥有高达80MHz的实时带宽和24通高速数字I/O，以及65MHz～6GHz之间可调的中心频率，可借助LabVIEW FPGA实现用户编程开发，提高测试速度或实现各种实时算法，如短时傅里叶变换、调制、解调等。

3 LFM信号的生成

LFM信号即为线性调频信号，广泛应用在通信、雷达、地震勘测等方面[9]。LFM信号是一种典型的非平稳信号，由于其具有较强的抗干扰能力和良好的低截获率的特点，可用作辐射源信号。

3.1 数据流整体设计

试验参数：采样频率(FS)：10MHz;脉冲宽度(PW)：20μs;脉冲重复频率(PRF)：1000Hz;调频信号带宽(BW):5MHz;幅度(PA)：1。

如图1数据传输流程所示，先利用Matlab精确求解复杂电磁方程，绘制场态模型[10]的特点，对收集到的仿真电磁信号进行处理建立相应的数据模型，并将其产生的参数信号转化为I/Q两路分别进行存储。为了降低TXT文件存储空间，将其转换成LabVIEW可读的I16 BIN文件，并在LabVIEW上通过对读取和矢量信号发射子模块进行程序的编写，设计出参数输入控制界面，实现较好的人机交互，最终达到复杂电磁环境电磁信号流的生成与重构的目的。

利用Matlab与LabVIEW这两种软件混合编程的形式，可以实现动态演示和仿真分析的有机结合，可视化程度高，可以将信号处理与分析结果直观地演示，从而提高信号处理的快捷性、直观性和可靠性。

3.2 基于Matlab的LMF信号生成

LFM信号实部可以表示为：

x(t)=rect(t/PW)cos(2πf0t+πkt2)

(1)

式中，PW为脉冲宽度，rect(t/PW)=u(t+PW)-u(t)表示矩形函数，f0为信号的起始频率，k=BW/PW为信号的频率斜率，BW为信号带宽。

LFM信号复数形式可以表示为：

s(t)=rect(t/PW)ej(2πf0t+πkt2)=λ(t)ej2πf0t

(2)

其中复包络为：

λ(t)=rect(t/PW)ejπkt2=λI(t)+jλQ(t)=cos(kπt2)+jsin(kπt2)

(3)

图2所示为Matlab仿真出的线性调频脉冲序列的实部和虚部波形图。

通过Matlab可对LFM信号作傅里叶变换得到其频域图，如图3所示。将仿真出的LFM信号参数信号转化为I/Q两路分别进行存储，保存到save LMFSigComplex.txt IQ -ascii即可得到TXT文件。文件以I/Q信号间隔保存：-1.0000000e+00，-1.3719758e-14，-7.8539009e-03，-9.9996916e-01，9.9950656e-01，-3.1410759e-02，7.0626986e-02，9.9750280e-01，-9.9211470e-01，1.2533323e-01，-1.9509032e-01……

3.3 数据转换

通过C#开发软件对文件类型转换进行编程可实现对TXT文件向任何形式的文件类型转换。

C#支持类和面向对象编程的特点，在接口和继承的处理方面有一定的优越性。其内置对组建对象模型(COM)和Windows的API的支持，使得每个对象都自动生成为一个COM对象，同样，使用C#也可以调用现有的COM对象，增加开发的效率。

3.4 基于LabVIEW的LMF信号读取

基于LabVIEW的LFM信号读取模块是整个信号模拟系统的核心模块，其基本任务是按照用户设定的参数，产生模拟的线性调频脉冲的发射信号，并调用数据预处理模块中已经提前计算好的I16二进制I/Q数据，对模拟的发射脉冲进行调制，最后输出基带模拟波形数据。由前文的仿真算法可知，每进行一次数据的调用，就需要进行一次类似的数据处理操作。因此，二进制文件读取模块应设计为子程序模块，以方便主程序的多次调用。

图4所示为I/Q二进制文件信号读取模块的LabVIEW程序框图。首先，将相位相差90°的fI(t)和fQ(t)两路信号的二进制文本进行读取，并且合成复信号；再用产生的正弦波信号去调制产生的LFM脉冲基带信号。可以看出直接读取文件的方式相对于使用Matlab Script Node脚本节点进行Matlab的调用，减少了LabVIEW与Matlab之间参数的传递、变量类型的匹配，以及调用的风险。同时，由于产生的I16 BIN文件占用系统内存少，因而产生速率较快。

信号生成模块的作用就是驱动硬件平台，将基带信号数据下载至硬件缓存器中，再按照用户设定好的发射参数(载频、功率、采样率等)生成真实的信号，最后通过天线发射出去。

3.5 基于PXIe-5644R模块的硬件实现

基于PXIe-5644R模块的硬件模块设计图如图5所示，左边区域将验证过的仿真硬件程序进行调整和扩展，利用PXIe-5644R模块实现原设计的功能，组成线性调频脉冲信号的模拟系统。处理模块则是利用信号接收模块所提取的发射信号基带信号合成波形数据；波形产生器负责用上位机给出的波形数据产生模拟的基带波形，最终交给上变频器得到最终的射频模拟脉冲信号，通过天线发射，矢量信号分析仪(VSA)或频谱仪接收便可验证其仿真的线性调频脉冲信号。

4 结果显示、界面设计

图6所示为LabVIEW仿真生成的LFM信号。可以看到：通过设定载频、采样频率等参数，可将读入的I16位整型的二进制文件经过数值转换分别以I信号、Q信号以及原始矢量信号显示出来。

图7所示为LFM基带信号经调制并通过天线发射实际信号，最终在矢量网络分析仪上接收到的图形。实现了由虚拟仿真的矢量信号到实际信号生成的过程。

通过矢量网络分析仪观察其波形特征趋势，考虑到载频和线性调频信息的加入，以及硬件产生的误差，可以认为图7产生的实际生成的LFM信号与图6的LabVIEW仿真波形信号，以及图3的MATLAB仿真波形信号是相吻合的。

5 结束语

本文通过试验验证，可较为容易地利用仿真软件生成、观测任意辐射源信号，从而达到对复杂电磁环境构成因素掌控的目的，设计出的矢量信号发射模块驱动硬件最终完成数据向真实信号转换的过程，为复杂电磁环境下用频装备检验和电磁预测及评估具有重要意义。■

[1] 冉景洪，赵玲，季辰，等.基于LabVIEW的颤振激励信号生成与测试系统研究[J].中国测试，2011,37(1)：84-88.

[2] 王飞. 基于LabVIEW与MATLAB混合编程的GPS L1信号模拟[D].华中科技大学，2013.

[3] 包金玉.基带矢量信号软件模拟技术的研究与实现[D].电子科技大学，2013.

[4] 刘文斌.基于LabVIEW与MATLAB无缝集成的数字图像处理[D].东北石油大学，2014.

[5] 阮奇桢. 我和LabVIEW：一个NI工程师的十年编程经验[M]. 2版.北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[6] Bishop RH, Instruments NN. LabVIEW 2009 Student Edition [J]. Prentice Hall Press, 2009(4):154-155.

[7] 李文意.浅析矢量信号发生器的进展历程[J].国外电子测量技术，2015,34(3)：7-10.

[8] NI PXIe-5644R射频矢量信号收发仪(VST)[N].今日电子，2013.

[9] 王建伟.基于压缩感知的宽带LFM信号参数估计[D].吉林大学，2016.

[10] 刘泽斌,周个妹.基于MATLAB的电磁辐射传播预测与仿真应用研究[J].广西广播电视大学学报，2013，24(4)：85-88.

Researchonthegenerationmethodforradiationsourcesignalbasedonsimulationcalculation

Jiang Bowen, Liu Tianlin, Jiang Qinbo, Guo Jinku, Qi Shiju

(Rocket Force University of Engineering, Xi’an 710025, Shanxi, China)

To improve the generating efficiency and fidelities of radiation source signals in the complex electromagnetic environment, a radiation-source generating method which is based on the theory that simulation softwares drive the actual signals’ generating was put forward. First of all, any source signal was obtained by using MATLAB simulation (LFM signal of radiation source signals was taken for instance); secondly, I/Q signal reading and launching units was designed by using LabVIEW; finally, radio frequency signals were generated by the arbitrary waveform signal generator. The results show that radiation-source signals generated by the use of computer software simulation was consistent with the actual radio frequency signals. Technical support can be provided by using this method for realizing the fast simulation to generate arbitrary source signals and its visualization study. What’s more, the system memory occupation was reduced due to independent reading units which show that the method is practical and significant in engineering.

simulation calculate; radiation source signals; signal generation

国家自然科学基金(64201120)

2017-09-10；2017-09-30修回。

姜博文(1990-),男，硕士研究生，主要研究方向为电磁环境效应。

TP391.9

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