基于矢量信号源的雷达信号产生系统设计*

李文海 王洪春 刘 勇 文天柱

（海军航空大学 烟台 264001）

1 引言

雷达告警设备主要由天线、接收机、处理器、显示器和控制面板等组成。在实际的使用过程中，频繁出现虚警、漏警、误警等问题，严重干扰了指挥员对威胁态势的正确判断，导致对雷达告警设备产生了一定程度的不信任。现阶段，雷达告警设备的检测主要依靠模拟真实战场环境下的雷达信号，然后通过空间辐射的方法将信号发送到告警天线阵或通过直接馈入方式将射频信号送雷达告警接收机前端，以验证其实际作战效能［1～3］。随着各种新体制雷达相继问世，平台所处的信号环境日益复杂，急需一种相对经济、实用，能够仿真多种雷达信号的雷达信号产生系统，以达到验证雷达告警设备性能的目的。

测试所需能产生多种雷达信号的信号发生系统具有很高的实用价值。现阶段在该方面的研究主要存在以下三个方面的问题：1）雷达信号生成方面大多通过脉冲描述字（Pulse Description Word，PDW）描述信号方式，相对于该方式虽然能很大程度上减少存储空间，但是PDW 一般只能描述脉间信号特征变化，产生的信号样式和适用的硬件设备受限。2）系统一般内置几种雷达信号样式可供选择，不能自行扩展和添加雷达信号样式，功能升级困难。

SMW2000A 矢量信号源是罗德与施瓦茨公司推出的数字调制信号发生器，具有频带宽、信号样式丰富、精度高和可扩展等优点，能满足产生各种复杂雷达信号的需求。就设备本身而言，可以实现基带IQ 数据生成，但是这些基带IQ 数据只能是针对已有的几种信号调制方式，与实际测试需求有一定差距。

为解决上述问题，利用Matlab软件与矢量信号发生器，设计并实现了一种雷达信号产生系统，前者负责生成复杂信号的基带IQ 数据，后者实现基带IQ 数据到射频信号的转化。设计了雷达信号产生系统控制软件，实现加载自定义雷达信号模型，生成所需IQ 波形，并控制矢量信号源进行雷达信号的回放。

2 雷达信号描述方法对比

2.1 IQ波形

经典的I/Q 调制是采用相同的本振将I、Q 信号混频，其中Q路信号本振回路中，放置一个90°移相器，如图1所示。

图1 I/Q调制原理图

根据I/Q 调制原理，I支路和Q 支路信号可以表示为

其中，φm(t)为调制信号瞬时相位。根据I/Q调制原理，两路信号经过I/Q调制后的信号：

其中，Ec(t)为载波瞬时幅度，fc(t)为载波的瞬时频率。

2.2 脉冲描述字

PDW 对每一个雷达脉冲的信号参数生成的数字化描述符。准确的PDW 是雷达信号生成的基础和前提。传统的PDW 主要由脉冲的脉冲幅度（PA）、脉冲宽度（PW）、脉冲重复间隔（PRI）、载波频率（RF）、到达方位（DOA）五个参数构成。对于一般的雷达信号，首先将信号S(t)顺序展开成脉冲序列：

其中，S(n)是S(t)的第n个脉冲，每个脉冲可由其PDW完整描述，且雷达脉冲与PDW一一对应。

以脉冲描述字PDW 的形成建立雷达脉冲的模型，就是以PDW 的5 项参数建立他们相应的模型。以频率截变雷达为例，频率捷变范围为ΔRF时，其RF模型为

式中，RF为雷达脉冲载频的中心频率，Π(-1，1)为区间[-1，1] 内均匀分布的独立随机数。

2.3 信号产生需求分析

I/Q 调制能够非常方便地将独立的信号分量合成到一个复合信号中，通过I 和Q 数据可以表示信号的大小和相位的任何变化，因此，通过IQ 波形可以描述任意信号波形和调制类型。PDW 对应雷达信号的一个脉冲，一般只能描述雷达信号脉冲间的参数变化，对于复杂雷达信号描述存在一定限制。尽管随着雷达技术的发展，PDW 的参数在不断更新，增加了表征参数包括极化特征PC、信噪比、脉内调制等，但是参数愈加复杂，控制难度较大。

矢量信号发生器通常支持通过IQ波形和PDW的两种控制方式产生信号，其中PDW 方式只能使用设备内置PDW 格式或者通过建立映射方式使用个性化的PDW，这样的系统在产生信号样式方面显然也是不全面的。相比之下，使用IQ 波形描述基带信号然后调制产生所需雷达信号的方式技术成熟，具有很强的通用性。

3 雷达信号产生系统设计

3.1 设计原理

系统主要基于R&S 的SMW200A 矢量信号源，硬件实现如图2 所示。选用性能较好的计算机作为控制器，利用MATLAB完成基带信号的计算和输出，通过LAN 网络写入SWM200A 矢量信号源存储器，信号源自动读取I/Q 数据文件模拟真实的雷达信号［6～8］。

图2 系统硬件组成图

系统工作流程如图3 所示。首先读取雷达发射信号模型，根据雷达信号样式完成基带或者中频模拟信号的计算，得到相应的I/Q数据，写入波形文件；软件加载波形文件，并将数据和控制指令送矢量信号源；信号源接收数据，并根据控制指令播放输出雷达信号［9］。

图3 系统工作流程图

3.2 控制软件设计

3.2.1 软件界面设计

基于Matlab App Designer 开发雷达信号产生系统的控制软件，软件界面分为波形文件生成、波形预览和设备控制三个区域［10］，软件交互界面如图4所示。

图4 设计系统控制软件界面

软件的波形文件生成区用于选择或者加载产生雷达信号类型，输入波形参数并调用Matlab函数计算波形I/Q 数据后生成波形*.wav 文件。波形预览区使用两个坐标区组件，分别显示仿真的雷达基带I/Q信号的时域和总体基带信号的频域波形。设备控制区主要完成矢量信号源的控制。

3.2.2 软件功能设计

软件功能实现主要依托于代码的编写。在App Designer 的代码视图中完成代码的编辑工作，主要通过添加属性、回调函数和其他函数的方法实现软件的各个功能［11］。软件的具体工作流程如图5所示。

图5 软件工作流程图

波形生成和波形预览部分的重要函数有I/Q数据计算函数、波形文件生成函数以及加载信号模型时信号参数获取函数等。

I/Q 数据计算函数是根据雷达信号特征，生成基带的I/Q 信号仿真采样值，并根据载频自动设置矢量信号源的载频参数。I/Q数据计算最终的结果是一维I-data数组和Q-data数组，波形文件生成函数获取该结果，将二者结合成数组I/Q-data，生成一个包含矢量信号源手册中规定的所必须和可选的标记的文件，即*.wav 波形文件。为了确保不发生削波失真，将所有I/Q 数据的峰值向量长度标准化为1.0，然后打开空的*.wav 波形文件，以二进制方式写入数据。

为增强系统的通用性，软件可以加载符合IEEE 1641 标准的XML 信号模型文件。为方便开发使用，在波形描述XML 文件的…模块中添加基带信号波形表达式。使用Matlab 自带xmlread（）函数读取XML 文件，通过…模块内容可以获得信号模型接口，以此为依据在软件界面自动生成参数输入框；读取…中的基带信号波形表达式用于生成IQ数据。

3.2.3 信号源控制模块设计

Matlab 可以使用仪器控制工具箱直接连接到通用仪器，通过基于文本的SCPI 命令，将Matlab 中生成的数据发送到仪器，控制仪器和从仪器获取数据［12～13］。该命令基于通用通信协议，如GPIB、VISA、TCP/IP和UDP，而无需额外编写代码。

SMW200A 可通过所有通用远程接口进行控制，在本设计中使用仪器的TCP/IP 控制接口。控制基于Matlab 的仪器控制工具箱，以SCPI 指令形式通过LAN 总线发送至信号源，完成远程控制信号源产生雷达信号的任务［14］。信号源的控制模块工作流程如图6所示。

图6 信号源控制模块工作流程

首先，直接使用Matlab仪器控制工具箱中的函数OBJ=TCPIP（‘远程主机’，远程端口号）构建TCP/IP 对象，通过fopen（OBJ）函数连接到远程主机，实现与仪器通信［15］。然后，使用SCPI 命令控制仪器在通道1播放信号，播放控制流程及命令如下：

Step1：使用：MMEM：DATA‘文件路径/文件名，数据量’SCPI 命令将二进制数据读取PC 文件到远程主机内存；

Step2：使用：SOUR1：BB：ARB：WAV：SEL‘文件路径/文件名’SCPI命令控制仪器加载文件；

Step3：使用：SOUR1：BB：ARB：STAT ON 命令打开调制开关；

Step4：使用：OUTP1：STAT ON 命令控制通道1输出信号。

SWM200A可以直接显示每个参数设置的SCPI命令，并以图形方式突出显示仪器预设状态的所有修改，并有一个内置的SCPI 宏记录器，带有代码生成器，可以记录所有手动操作步骤，并生成带有远程命令序列的文件。因此，对于部分未知SCPI 控制命令的操作，可以通过手动操作后查看自动生成的命令代码的方式，这有助于最小化测试自动化所需要的时间。

4 复杂调制雷达信号的实现

相位编码信号具有很强的时延和多普勒分辨能力，且较容易实现波形捷变，但缺点是对多普勒敏感，只能应用于多普勒频率范围较窄的场合。同样作为脉冲压缩雷达的常用信号，线性调频信号具有对多普勒频移不敏感的特性［16］。下面通过本文设计的雷达信号产生系统，产生线性调频相位编码雷达信号，进行系统的功能验证。

一般相位编码信号的复包络可以写成：

式中，P为码长，Tp是子脉冲宽度，cn是第n个码的取值（1 或者-1），v(t) 表示子脉冲函数，

线性调频信号的复数表达式为

式中，Tl为线性调频信号的时宽，f0表示信号的载频，k为线性调频信号变化的斜率。

取信号的脉宽Tτ=Tl=PTp，则在脉冲持续时间内相位编码-线性调频信号的表达式为

编码信号选用13 位Barker 码，即cn= {1，1，1，1，1，-1，-1，1，1，-1，1，-1，1}。首先设置较小的线性调频带宽（B=5MHz），使用Matlab进行仿真，得到线性调频-相位编码复合调制信号的时频图，如图7和图8和所示。

图7 线性调频-相位编码信号时域图

图8 线性调频-相位编码信号频域图

线性调频信号和相位编码信号都是广泛应用的脉冲压缩雷达信号类型。线性调频信号带宽较大，进行脉压处理后有较大输出旁瓣，但其匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感；相位编码信号则具有很强的时延和多普勒分辨能力，且较容易实现波形捷变，但相位编码信号对多普勒敏感，当回波信号存在多普勒频移时，会严重影响脉压性能，故只能应用于多普勒频率范围较窄的场合。使用线性调频-相位编码混合调制之后的信号会同时具有两种信号类型的优点，有效提高雷达探测目标的能力。

软件加载上述雷达信号模型XML 描述文件，自动生成参数输入接口。设置信号参数后，生成波形文件，送SMW200A矢量信号源进行信号播放，输出真实的线性调频脉冲雷达信号，作为雷达告警设备检测的电磁环境场景。实验中，在软件界面设置信号参数后生成波形文件和波形时域和频域的仿真结果，如图9所示。

图9 波形参数设置及仿真结果软件界面

实验中设备实际连接如图10 所示。计算机通过计算产生波形IQ 数据文件，数据文件和控制命令通过LAN 总线送矢量信号发生器，矢量信号发生器进行波形回放，波形送频谱仪进行结果测量，得到最终的频谱测量结果，测量结果与仿真结果一致。实验结果说明，通过手动输入参数，矢量信号源在雷达信号控制软件的控制之下，成功产生预想的实际雷达信号，该雷达信号产生系统满足设计要求。

图10 实验设备连接图

5 结语

本文设计了基于Matlab 和矢量信号发生器的雷达信号产生系统。该系统能够根据用户需求设计、仿真并模拟多种雷达信号，并且可以模拟采用新技术的雷达信号，可以达到验证机载雷达告警设备性能的目的，与通常的雷达信号产生系统相比更具通用性，具有很强的应用和实用价值。