劉冬利，蘭 慧

(海軍大連艦艇學(xué)院 信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018)

0 引 言

在對(duì)艦艇電子偵察設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，需要提供逼真、多頻段、多樣式的LPI 輻射源信號(hào)環(huán)境。依賴仿真技術(shù)提供復(fù)雜多變的輻射源信號(hào)環(huán)境，因其成本低、重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注?，F(xiàn)有的LPI 輻射源信號(hào)仿真多采用信號(hào)級(jí)仿真，利用軟件仿真方式，將信號(hào)從中頻注入艦艇電子偵察設(shè)備。由于此方法產(chǎn)生的輻射源信號(hào)單一，無(wú)法在射頻端對(duì)艦艇電子偵察設(shè)備性能進(jìn)行測(cè)試，且在仿真過(guò)程只考慮了輻射源雷達(dá)天線的增益，而忽略天線波束掃描對(duì)輻射源信號(hào)功率帶來(lái)的影響，導(dǎo)致無(wú)法模擬輻射源信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，信號(hào)逼真度不夠，影響了檢測(cè)的全面性和真實(shí)性。因此，本文基于DSP 與FPGA 技術(shù)，采用半實(shí)物仿真的方法，設(shè)計(jì)了能夠靈活產(chǎn)生多種調(diào)制樣式的LPI 輻射源信號(hào)仿真系統(tǒng)。

1 LPI 輻射源信號(hào)仿真系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于系統(tǒng)要快速產(chǎn)生多種樣式輻射源信號(hào)，運(yùn)算量大，實(shí)時(shí)處理能力要求高，具備一定的靈活性和通用性，因此采用Ti 公司的TMS320C6678型DSP 芯片，該芯片具有高性能體系結(jié)構(gòu)，具有高運(yùn)算精度、低功耗、低電壓的特點(diǎn)，能對(duì)功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，再搭載ALTERA 公司的FPGA 芯片，以及AD 公司的AD9129 芯片共同組成寬帶DDS 電路，控制并生成多種調(diào)制樣式的基帶信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)硬件模塊化框圖Fig.1 Block diagram of system hardware

1.1 主控單元

主控單元主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作模式設(shè)置、參數(shù)配置、運(yùn)行控制及工作狀態(tài)監(jiān)控等功能，為用戶提供友好的人機(jī)交互界面，通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)置輻射源信號(hào)參數(shù)，包括輻射源類型、信號(hào)調(diào)制樣式、工作頻率等參數(shù)。通過(guò)PCIE 總線將信號(hào)參數(shù)傳送到輻射源信號(hào)產(chǎn)生單元，控制輻射源信號(hào)的生成。

1.2 輻射源信號(hào)產(chǎn)生單元

輻射源信號(hào)產(chǎn)生單元主要由DSP、FPGA、高速D/A 以及存儲(chǔ)電路構(gòu)成，主要完成基帶信號(hào)的生成，如圖2 所示。

圖2 輻射源信號(hào)產(chǎn)生單元組成框圖Fig.2 Block diagram of radar emitter signals generation unit

DSP 接收主控單元傳送來(lái)的信號(hào)描述參數(shù)，生成脈沖控制字，然后將脈沖控制字發(fā)送到SDRAM 進(jìn)行存儲(chǔ)。除此之外，DSP 還完成配置時(shí)鐘芯片、配置數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片及自檢等任務(wù)。FPGA 主要負(fù)責(zé)邏輯組合、時(shí)序控制，在上一個(gè)脈沖信號(hào)的脈沖重復(fù)間隔時(shí)間到來(lái)時(shí)，從RAM 中讀取脈沖控制字，并利用DDS模塊產(chǎn)生帶寬大于300 MHz 的基帶信號(hào)，包括常規(guī)脈沖、重頻參差、線性調(diào)頻、相位編碼、脈間頻率捷變、脈組頻率捷變等基帶信號(hào)，然后通過(guò)高速D/A 轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號(hào)。在脈沖信號(hào)產(chǎn)生后，F(xiàn)PGA 將發(fā)送下一次中斷給DSP。FPGA 還根據(jù)脈沖描述字，計(jì)算生成本振頻率控制碼、功放碼和衰減控制碼，控制輻射源信號(hào)的上變頻和功率放大。

1.3 標(biāo)頻電路

標(biāo)頻電路由高穩(wěn)定/低相噪100 MHz 晶振、分路器、諧波產(chǎn)生器、濾波器及放大器組成，為系統(tǒng)提供頻率源基準(zhǔn)信號(hào)和系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。晶振選用相位噪聲為?150 dBc/Hz@1 kHz、穩(wěn)定度為10?7量級(jí)的高性能100 MHz 晶振。晶振輸出信號(hào)通過(guò)分路器后分為兩路，一路送往上變頻電路做為上變頻本振單元的基準(zhǔn)信號(hào)，另一路通過(guò)諧波產(chǎn)生器，產(chǎn)生1 GHz 的時(shí)鐘信號(hào)作為系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。

1.4 本振及上變頻電路

本振及上變頻電路由PPL 頻率合成器、混頻器、開關(guān)濾波器組和匹配放大器組成。PLL 頻率合成器接收標(biāo)頻電路提供的100 MHz 基準(zhǔn)信號(hào)，在頻率控制碼的控制下倍頻產(chǎn)生混頻器所需的本振信號(hào)?；鶐盘?hào)通過(guò)濾波放大器濾除掉雜散頻率分量后在混頻器與本振信號(hào)進(jìn)行混頻。由于基帶信號(hào)的中心頻率只有1.25 GHz，而變頻后的信號(hào)要求覆蓋2 GHz，為提高信號(hào)質(zhì)量，在混頻器后采用開關(guān)濾波器組的方式進(jìn)行濾波處理，匹配放大器將射頻信號(hào)放大至高功率放大模塊所需的輸入功率電平。

1.5 高功率放大模塊

高功率放大模塊由放大器、程控衰減器、推動(dòng)放大器和功率放大器組成。高功率放大模塊主要對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大。程控衰減器由6 bit 程控衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)，衰減步進(jìn)為0.5 dB，總衰減量達(dá)31.5 dB，根據(jù)衰減控制碼控制射頻信號(hào)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)天線掃描調(diào)制?？紤]設(shè)備小型化和電路性質(zhì)，功率放大器采用GaAs 寬帶MMIC 固態(tài)功放實(shí)現(xiàn)，輸出功率Po≥ 40 dBm。固態(tài)功放設(shè)計(jì)有電源調(diào)制功能，受功放碼控制，當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)才提供電源，從而減小固態(tài)功放的加電時(shí)間，降低固態(tài)功放的工作占空比。

2 LPI 輻射源信號(hào)仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 信號(hào)波形模型

2.1.1 固定載頻信號(hào)

固定載頻信號(hào)的載頻在一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)保持不變，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

2.1.2 線性調(diào)頻信號(hào)

線性調(diào)頻信號(hào)具有大時(shí)寬帶寬積，具備良好的距離分辨力和較遠(yuǎn)探測(cè)距離。信號(hào)載頻隨時(shí)間可以做正斜率線性增大和負(fù)斜率線性減小。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

2.1.3 相位編碼信號(hào)

相位編碼信號(hào)是將大時(shí)寬脈沖劃分為數(shù)個(gè)窄子脈沖，每個(gè)子脈沖有相同的時(shí)間寬度且子脈沖間載頻的相位按一定規(guī)律進(jìn)行調(diào)制，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中： φ(t) 為相位調(diào)制函數(shù)； a (t)為幅度調(diào)制函數(shù)；f0為載頻。相位編碼信號(hào)一般分為二相編碼和多相編碼，本系統(tǒng)選取最常用的二相編碼進(jìn)行研究。二相編碼指 φ (t)取 值只 能為0 或 者π。

2.2 PA 模型

輻射源在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，艦艇電子偵察設(shè)備接收到的輻射源信號(hào)功率不是固定不變，而是隨著輻射源與艦艇電子偵察設(shè)備的相對(duì)位置及輻射源雷達(dá)天線掃描而發(fā)生變化。因此，要模擬真實(shí)的輻射源信號(hào)，需要對(duì)輻射源信號(hào)功率建立精確的數(shù)學(xué)模型。

2.2.1 距離模型

輻射源在運(yùn)動(dòng)過(guò)程，輻射源與艦艇電子偵察設(shè)備間的距離 R (t)隨著時(shí)間變化，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中： R0為輻射源與艦艇電子偵察設(shè)備的初始距離；v為輻射源的運(yùn)動(dòng)速度。

2.2.2 天線方向圖模型

LPI 輻射源主要采用單脈沖體制，天線和波束用于發(fā)現(xiàn)、觀察和跟蹤目標(biāo)，因此在對(duì)天線方向圖進(jìn)行模擬時(shí)，只考慮和波束。采用與和波束形狀相似的辛克函數(shù)來(lái)模擬，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中： k 為比例系數(shù)； θ為艦艇電子偵察設(shè)備與輻射源雷達(dá)天線波束軸的夾角； θ0為天線零功率波束寬度。

輻射源在跟蹤狀態(tài)時(shí)，天線波束正對(duì)艦艇電子偵察設(shè)備，此時(shí) F(θ)=1；在搜索狀態(tài)時(shí)，天線波束在一定范圍內(nèi)進(jìn)行掃描， F(θ)為一變化值。當(dāng)艦艇電子偵察設(shè)備在天線主波束照射范圍內(nèi)，艦艇電子偵察設(shè)備接收到的是天線主瓣輻射的信號(hào)，而其他時(shí)刻接收的是副瓣輻射的信號(hào)。從而當(dāng)輻射源工作在搜索狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)天線掃描周期內(nèi)，天線的方向圖函數(shù)可以分段表示為如下形式：

其中： θmax為 波束掃描的最大張角； ω為天線波束水平掃描速度； Q為第一副瓣電平。

2.2.3 信號(hào)幅度衰減模型

根據(jù)偵察作用距離方程，在艦艇電子偵察設(shè)備處接收到的輻射源信號(hào)功率密度為：

其中： Pd為輻射源雷達(dá)發(fā)射功率； Gd為輻射源雷達(dá)天線增益； F(θ)為 歸一化天線方向圖函數(shù)； L為電磁波大氣傳播衰減損耗。

則輻射源信號(hào)的總衰減值為：

其中： Ps為系統(tǒng)射頻輸出信號(hào)的最大有效功率； Gs為系統(tǒng)輻射天線的增益； R模為系統(tǒng)與艦艇電子偵察設(shè)備的距離。A定由輻射源信號(hào)仿真初始值決定，其值在信號(hào)生成過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變化，因此只需計(jì)算天線方向圖 F(θ)和輻射源與艦艇電子偵察設(shè)備的相對(duì)位置 R(t) ，將 AdB轉(zhuǎn)化為6 bit 衰減控制碼就可以控制信號(hào)輸出功率，從而動(dòng)態(tài)模擬出輻射源運(yùn)動(dòng)過(guò)程，大大減少系統(tǒng)運(yùn)算量，提高了實(shí)時(shí)性。

3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果

以某艦載輻射源信號(hào)為例，對(duì)基于DSP 與FPGA 的LPI 輻射源信號(hào)仿真系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，信號(hào)參數(shù)如表1 所示，測(cè)試結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

用頻譜分析儀和示波器對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得信號(hào)中心頻率為9.50 GHz，帶寬為10 MHz，信號(hào)的重復(fù)周期為500 μs，測(cè)量結(jié)果與設(shè)置的信號(hào)參數(shù)一致，系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射源信號(hào)滿足指標(biāo)要求，驗(yàn)證了方案的可行性。

表1 某艦載輻射源信號(hào)參數(shù)列表Tab.1 Parameter of an shipborne radar emitter signal

圖3 線性調(diào)頻信號(hào)頻譜圖Fig.3 Spectrum of LFM signal

圖4 線性調(diào)頻信號(hào)脈沖寬度時(shí)域圖Fig.4 Time domain plot of LFM signal

以某艦載反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)信號(hào)參數(shù)為例，對(duì)輻射源信號(hào)的逼真度進(jìn)行仿真比較。信號(hào)參數(shù)如表2所示，比較結(jié)果如圖5 所示。

可以看出，系統(tǒng)產(chǎn)生的反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)輻射源信號(hào)能夠模擬出反艦導(dǎo)彈搜索目標(biāo)和跟蹤目標(biāo)過(guò)程中信號(hào)功率的變化，對(duì)輻射源信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，信號(hào)逼真度高，為艦艇電子偵察設(shè)備識(shí)別信號(hào)行為特征性能檢測(cè)提供高逼真度的信號(hào)環(huán)境。

表2 某艦載反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)參數(shù)列表Tab.2 Parameter of an antiship missle radar emitter signal

圖5 某艦載反艦導(dǎo)彈輻射源信號(hào)功率動(dòng)態(tài)變化對(duì)比Fig.5 Comparison of radar emitter signal power

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于DSP 與FPGA 技術(shù)，設(shè)計(jì)LPI 輻射源信號(hào)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)采用硬件與軟件結(jié)合的方式生成不同平臺(tái)不同調(diào)制形式的LPI 射頻輻射源信號(hào)，動(dòng)態(tài)模擬輻射源搜索目標(biāo)和跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。相較于傳統(tǒng)LPI 輻射源信號(hào)仿真系統(tǒng)，本系統(tǒng)模擬的LPI 輻射源信號(hào)逼真度高，設(shè)備運(yùn)算快，實(shí)時(shí)性高，效費(fèi)比低，能夠?yàn)榕炌щ娮觽刹煸O(shè)備性能及功能檢測(cè)提供可靠的輻射源信號(hào)環(huán)境。