多模式可重構復雜電磁信號環境模擬器研究

張坤峰，梁 晶，張 允

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

現代信息化戰爭條件下，雷達和電子戰裝備面臨的戰場電磁環境日趨復雜，戰場環境已由“海、陸、空、天”四維戰場擴展到了“海、陸、空、天、電磁”五維戰場，戰場復雜電磁環境也成為雷達和電子戰裝備能否達到實戰性能和能否發揮作戰效能的重要考驗。對雷達系統而言，現代雷達面臨著復雜電磁環境下的多種威脅，雷達運動空間、散射特性、極化特性、頻譜特性等方面呈現在復雜電磁環境下的生存已經成為決定戰爭雙多樣化的趨勢[1]。對電子戰系統而言，在復雜電磁環境下由于信號的交迭和參數的多變，現役的告警電子支援和情報偵察等電子戰系統對威脅輻射源信號的識別都有虛警太多和漏警日益嚴重的問題，這關系到電子戰系統在實戰中的可用性和效能[2]。因此，只有在逼真的戰場復雜電磁信號環境下，才能真正檢驗出雷達和電子戰裝備的實戰性能和作戰效能，為裝備的作戰使用提供真實可信的技術依據。利用雷達與電子戰裝備模擬仿真設備在內場、外場構建戰場復雜電磁環境已成為檢驗雷達與電子戰裝備在復雜電磁環境下作戰效能的必要手段之一，不但可滿足裝備研制、生產、調試、測試、試驗、檢驗的需求，而且可訓練和培訓作戰人員在復雜電磁環境下的作戰裝備使用技能。其中，雷達信號模擬器是現代信息化條件下構建密集、復雜多變電磁環境信號的必要手段[3]。隨著雷達與電子戰模擬仿真技術的發展，多模式、可重構已成為雷達與電子戰裝備模擬仿真設備的重要發展方向之一。多模式、可重構不但擴展了雷達與電子戰模擬仿真設備的功能和用途，也決定了各種類型仿真模擬器研制成本和研制周期的控制程度。通常，為了節省成本，減少重復投資，縮短研制周期，必須采用可重構技術快速實現多種模擬器的研制，因此模擬器的構架必須是可重構的[4]。同時，模擬器的可重構能力也要通過對軟件和硬件進行精心的系統設計獲取[5]。本文結合工程實際，提出了一種多模式可重構復雜電磁信號環境模擬器，對復雜電磁信號環境模擬器的研制具有較好的技術參考價值。

1 戰場復雜電磁環境

隨著現代戰場信息化的迅速變革和發展，各種電子信息系統釋放的高密度、高強度、多頻譜、多體制、動態變化的電磁波信號，構成了日益復雜的戰場電磁環境。戰場復雜電磁環境的復雜性是對戰場電磁環境最本質特性的描述，是指在一定的戰場時空范圍內，自然電磁現象、人為電磁輻射、敵我雙方激烈對抗等綜合作用而形成的電磁環境，呈現出信號密集、種類繁雜、對抗激烈、動態變化等特性，包括多種輻射源的有限空間交織、無數作戰裝備在有限頻譜資源中的密集分布、輻射源在時間上的時而密集時而靜默、輻射源能量上時強時弱的動態變化等。戰場復雜電磁環境涉及不同武器平臺和安裝在武器平臺上的各種輻射源，以及作戰裝備所處的背景環境。其中，主要武器平臺包括典型預警機、戰斗機、無人機、戰斗攻擊機、電子戰飛機和各種大、中、小型水面艦艇等，各平臺的典型輻射源包括機載雷達、艦載雷達、地面防空雷達、火控雷達、導引頭雷達、通信設備、電子戰裝備、數據鏈、聯合戰術信息分發系統(JTIDS)等。這些輻射源從時域、頻域、空域、調制域、功率域等方面釋放出動態變化的戰場復雜電磁信號，體現了雷達及電子戰裝備在實戰環境下面臨的各種電磁輻射信號在頻率、時域、頻域、空域的分布狀況。雖然構成戰場復雜電磁環境的武器平臺和武器裝備輻射源眾多而復雜，然而從雷達及電子戰模擬仿真技術的角度而言，復雜電磁信號環境模擬可歸結為各種體制雷達信號模擬、通信信號模擬、塔康信號模擬、敵我識別信號模擬、數據鏈信號模擬、GPS信號模擬和背景信號模擬等多個方面，并通過對復雜多變的戰場作戰場景規劃，形成各種作戰場景下的典型作戰態勢，利用作戰場景驅動復雜電磁環境模擬器設備模擬產生雷達與電子戰裝備所面臨的逼真、復雜、動態、貼近實際的戰場復雜電磁環境。

2 數學模型

戰場復雜電磁環境涉及各種體制雷達信號模擬、通信信號模擬、塔康信號模擬、敵我識別信號模擬、數據鏈信號模擬、GPS信號模擬、背景信號模擬以及戰場作戰場景規劃、場景驅動模擬等方面，需要進行大量數學模型的建立和驗證，本文僅從雷達信號、通信信號、塔康信號、敵我識別信號模擬方面，選擇部分典型信號的數學模型加以闡述和探討。

2.1 雷達信號模型

雷達裝備種類和型號眾多，典型的雷達裝備包括機載雷達、艦載雷達、地面防空雷達、火控雷達、導引頭雷達等，從雷達信號類型上來講，又包括連續波雷達、常規脈沖雷達、脈沖多普勒雷達、重頻滑變雷達、重頻抖動雷達、重頻參差雷達、頻率捷變雷達、頻率分集雷達、脈沖壓縮雷達、各種組合體制雷達等，本文僅闡述部分典型雷達信號數學模型。

2.1.1 頻率捷變信號模型

頻率捷變信號主要包括脈間頻率捷變信號和脈組頻率捷變信號，2種典型信號的數學模型如下：

(1) 脈間捷變信號模型

脈間捷變信號模型可表達為公式：

(1)

式中：fn為第n個脈沖的載頻，脈沖與脈沖之間的載頻是跳變的；φ(t)為脈內調制，可以是調頻、調相；Tr(n-1)為前(n-1)個脈沖的重復周期之和，由于每個脈沖的重復周期可能不同，并不等于(n-1)Tr；n為捷變點數。

(2) 脈組捷變信號模型

脈組捷變信號模型可表示為：

(2)

式中：fn為第n個脈組的載頻，n為脈組總數，每個組內的M個脈沖的載頻都是相同的，組與組之間的載頻是跳變的；φ(t)為脈內調制，可以是調頻、調相；Tr(m-1)為每個脈組中前(m-1)個脈沖的時間和；Tr(n-1)M為前(n-1)個脈組的時間之和。

2.1.2 脈沖壓縮雷達信號

脈沖壓縮雷達信號主要包括脈內調頻信號和脈內相位編碼信號，脈內調頻信號又可分為脈內線性調頻信號和脈內非線性調頻信號等，幾種典型信號的數學模型如下：

(1) 脈內調頻信號

(a) 脈內線性調頻信號

脈內線性調頻信號模型可表示為：

(3)

式中：fi為每個脈沖的第i個子脈沖的載頻；N為子脈沖的個數，每個子脈沖的載頻是跳變的；φ(t)為信號相位，可以為脈內調頻、調相，模擬脈內線性調頻信號時，φ(t)可表達為公式：

φ(t)=±k(t-Tp/2)2

(4)

式中：Tp為脈沖寬度；k=±B/TP，為調頻斜率，B為調制帶寬，符號“±”表示調制斜率可正可負。

(b) 脈內非線性調頻信號

脈內非線性調頻信號模型可表達為公式：

(5)

根據f(t)的表達式可將結果分為不同的調制類型，如正弦、S型、三角等函數，利用正弦、S型、三角等函數作為脈內頻率調制函數，可實現脈內正弦調頻信號、脈內S型調頻信號和脈內三角調頻信號的模擬。

(2) 脈內相位編碼信號

脈內相位編碼信號模型可表達為公式：

(6)

式中：Tp為脈沖寬度；φ(t)為隨時間調制的相位。

根據φ(t)的表達式定義相位調制類型和碼型，常用的相位調制類型包括二相碼和四相碼，常用的二相碼包括巴克碼和M序列碼、L序列碼等偽序列碼，常用的四相碼包括泰勒碼四相碼、自定義碼型等。

對于連續波雷達、常規脈沖雷達、脈沖多普勒雷達、重頻滑變雷達、重頻抖動雷達、重頻參差雷達、頻率分集雷達等雷達信號的數學模型，以及各種雷達天線掃描模型和天線方向圖模型不做贅述。

2.2 通信信號模型

通信信號體制包括模擬體制和數字體制，其中模擬體制通信信號包括調幅(AM)、調頻(FM)、調相(PM)、單邊帶(SSB)、雙邊帶(DSB)、殘留邊帶(VSB)、連續波(CW)等，數字體制通信信號包括移幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)、移相鍵控(PSK)、幅度鍵控(APK)、正交移相鍵控(QPSK)、正交頻率多路區分傳輸(OFDM)等。本文僅簡要闡述SSB、DSB、VSB、QPSK、OFDM幾種典型通信信號的數學模型。

2.2.1 模擬體制通信信號模型

(1) SSB信號

單邊帶調制SSB信號的數學模型可表達為公式：

(7)

式中：“-”表示上邊帶信號；“+”表示下邊帶信號；Am為信號幅度；ωm為信號頻率。

(2) DSB信號

DSB信號的數學模型可表達為公式：

SDSB(t)=m(t)cos(ωct)

(8)

式中：m(t)可以是確知信號，也可以是隨機信號；ωc為載頻。

(3) VSB信號

殘留邊帶調制VSB信號的數學模型可表達為公式：

[M(w-wc)]H(w)

(9)

式中：“-”表示上邊帶信號；“+”表示下邊帶信號；H(w)為所需的殘留邊帶濾波器的傳輸特性，H(w)應按殘留邊帶調制的要求來進行設計。

2.2.2 數字體制通信信號模型

(1) QPSK信號

正交相移鍵控(QPSK)信號為又稱為4PSK， QPSK信號的數學模型可表達為公式：

SQPSK(t)=Acos(ωct+φn)

(10)

(2) OFDM信號

OFDM信號的數學模型可表達為：

(11)

式中：Bk為第k路子載波的振幅，它受基帶碼元的調制；fk為第k路子載波的頻率；φk為第k路子載波的初始相位。

2.3 塔康信號模型

塔康信號模擬涉及塔康信號-X信號、塔康信號-Y信號、主基脈沖群、輔基脈沖群、塔康信號-空地/空空模式、塔康信號-252個X/Y波道等的模擬。本文僅簡要闡述塔康信號-X信號、塔康信號-Y信號、主基脈沖群、輔基脈沖群的信號模型。

(1) 塔康-X信號、塔康-Y信號

X頻率為：962 MHz～1 024 MHz，1 151 MHz～1 213 MHz；

Y頻率為1 025 MHz～1 150 MHz。

其信號波形如圖1所示(X模式為脈沖對；Y模式為單脈沖)。

圖1 塔康-X、塔康-Y信號波形示意圖

其中，脈沖頂部的瞬時幅度不低于該脈沖最大幅度的95%，脈沖上升時間2.0±0.25 μs，脈沖下降時間2.5±0.50 μs，脈沖寬度3.5±0.50 μs。

(2) 主基脈沖群

X模式：由12個脈沖對組成，脈沖對間隔30 μs±0.1 μs；

Y模式：由13個單脈沖組成，脈沖間隔30 μs±0.1 μs；

主基脈沖群重復頻率：15 Hz±0.03 Hz。

(3) 輔基脈沖群

X模式：由6個脈沖對組成，脈沖對間隔24 μs±0.1 μs；

Y模式：由13個單脈沖組成，脈沖間隔25 μs±0.1 μs；

輔基脈沖群重復頻率：135 Hz±0.27 Hz；

輔基脈沖被主基脈沖鎖相并同步，在時間上與主基脈沖群重合的位置上，應只出現主基脈沖群。

2.4 敵我識別信號模型

敵我識別信號模擬包括MARK X、MARK XII、MARK系列(MARK10/MARK12/MARK12 A)模式詢問和應答信號、S模式等模擬。本文僅簡要闡述MARK X:1、2、3/A、B、C、D的模型。MARK XII、MARK系列(MARK10/MARK12/MARK12 A)模式詢問和應答信號、S模式等模擬模型不做贅述。

MARK X中的模式1、2為軍用識別詢問，模式3/A(簡稱A模式)為兼用軍用識別和民用識別詢問，模式B只用于民用識別，模式C用于高度詢問；模式D為備用詢問模式，常用A、C 2種模式。其詢問信號的形式通常由3個脈沖(分別為P1，P2，P3)詢問體制確定。即不同詢問信號的模式由脈沖P1與脈沖P3之間的不同間隔確定。P1和P2間隔在任何模式都是2 μs±0.15 μs，其中P1～P3模式詢問脈沖，詢問波束主瓣輻射。P2為旁瓣抑制脈沖(控制脈沖，抑制副瓣方向上應答機的應答)控制波束輻射。MAPK X 詢問模式信號格式如圖2所示，脈沖信號詢問形式如圖3所示，P1～P3的脈沖間隔如表1所示。

圖2 MAPK X 詢問模式信號格式

圖3 MAPK X脈沖信號詢問形式

其中，P1到P3之間的間隔為P1和P3脈沖0.5電平處脈沖前沿之間的間隔，小數表示允許的公差。P1、P2、P3的0.5電平脈沖寬度均為0.8 μs±0.1 μs，脈沖前沿寬度(0.1到0.9電平)均為0.05 μs～0.1 μs，脈沖后沿(0.9到0.1電平)均為0.05 μs～0.2 μs。

表1 P1～P3的脈沖間隔表

3 技術實現

多模式可重構復雜電磁信號環境模擬器主要由場景規劃及操控顯示單元、可編程實時控制及高速數據交換單元、大容量存儲及播放單元、任意波形產生器單元、變頻濾波單元、射頻通道單元、寬帶精細步進捷變頻率合成器單元、功放單元、天線單元和供電電源等組成，其系統組成如圖4所示。

圖4 系統組成框圖

其中，場景規劃及操控顯示單元為一臺高性能計算機系統，承擔著多模式可重構復雜電磁信號環境模擬器的系統配置與操控顯示、戰場態勢規劃與場景設置、場景解算及戰情分配、運行控制及狀態顯示等功能，是整個系統的控制中心?？删幊虒崟r控制及高速數據交換單元為場景規劃及操控顯示單元實際執行機構，主要完成系統各單元的實時控制和時序控制，同時具備高速數據交換能力，實現大容量存儲及播放單元和任意波形產生器單元之間的大數據量實時傳輸。任意波形產生器單元用于產生各種體制雷達信號、通信信號、塔康信號、敵我識別信號，是戰場復雜電磁環境信號產生的核心單元，具備任意波形產生能力和可編程能力。變頻濾波單元主要是將任意波形產生器單元輸出的包括雷達信號、通信信號、塔康信號、敵我識別等在內的基帶復雜電磁信號變頻為射頻信號，并采取放大、濾波等措施，保證輸出射頻信號的質量。射頻通道單元對變頻濾波單元輸出的射頻復雜電磁信號進行大動態幅度調制。寬帶精細步進捷變頻率合成器單元為變頻濾波單元提供上、下變頻所需的本振信號。射頻通道單元輸出的射頻復雜電磁信號經功放單元進行功率放大后，通過天線單元輻射至雷達與電子戰裝備。

多模式可重構復雜電磁信號環境模擬器具有實時信號模擬和信號回放2種工作方式，工作模式包括復雜信號模擬模式、雷達信號模擬模式、通信信號模擬模式、塔康信號模擬模式、敵我識別信號模擬等?；诂F場可編程門陣列(FPGA)的動態可重構+數字信號處理器(DSP)軟件動態加載的多模式可重構技術和基于高速DSP+高性能FPGA+高速數模轉換器(DAC)的任意波形產生器技術是多模式可重構復雜電磁信號環境模擬器實現多模式、可重構能力的關鍵。

4 多模式可重構技術

為了實現模擬器的多模式、可重構功能，多模式可重構復雜電磁信號環境模擬器的可編程實時控制及高速數據交換單元、任意波形產生器單元中均采用了DSP器件和FPGA可編程邏輯器件。通過基于FPGA的動態可重構技術和DSP軟件動態加載技術實現了模擬系統的多模式可重構。其中，通過FPGA動態可重構技術能夠動態地使系統的可編程硬件快速重構為系統所需模式的相應功能固件；通過DSP軟件動態加載技術，使系統軟件快速更換，控制系統重構，并在多種模式之間切換。

可重構技術是近幾年發展起來的一種基于可編程邏輯器件為硬件基礎的新技術，可重構技術也將成為一個新的研究熱點[6]。當試驗發生變化時，模擬器能夠從一種臨時固定狀態轉換為另一種臨時固定狀態，這種狀態轉換稱之為重構[7]。FPGA動態可重構技術可以在FPGA運行時對其進行全邏輯功能或部分邏輯功能的重新配置而不中止器件運行[6]。文獻[8] 敘述了FPGA動態可重構技術原理和實現方法，文獻[9]對FPGA動態可重構進行了部分重構實驗。DSP軟件動態加載技術也是目前較為成熟的軟件重構技術之一，目前已經得到了普遍和廣泛的應用。因此，不再對基于FPGA的動態可重構技術和DSP軟件動態加載技術進行贅述。

5 任意波形產生器技術

任意波形產生器是一種多波形的信號發生器，它不僅能產生正弦波、指數波等常規波形，也可以表現出載波調制的多樣化，產生調頻、調幅、調相和脈沖調制等[10]。任意波形發生器用于產生各種制式的發射信號或者測試信號，在雷達、航天等領域具有重要作用[11]?；贒DS的任意波形產生器不但能實現高穩定度、高精度、高分辨率的要求，而且具有體積小、價格便宜等特點[12]。多模式可重構復雜電磁信號環境模擬器通過高速DSP、大規模FPGA、高速DAC構建了具有調頻、調相能力的高速寬帶DDS器件，實現了模擬器的任意波形產生器，可通過軟硬件重構產生所需的各種信號波形。任意波形產生器單元組成原理如圖5所示。

圖5 任意波形產生器單元組成原理框圖

任意波形產生器單元主要由高速DSP、大規模FPGA、高速DAC、光模塊、千兆網模塊、DDR3、FLASH、時鐘電路、差分驅動、單端驅動及外圍供電電路組成。其中，DSP選用TI高性能DSP-TMS320C6678；大規模FPGA選用Xilinx公司生產的V7 系列FPGA芯片；高速DAC選用ADI公司的ADC9739芯片，最高轉換速率可達 2.5 GHz，轉換數據位數可達 14 bit；光模塊將光信號轉換為電信號后通過差分信號與FPGA高速SERDES相連，在FPGA內實現相關通信協議轉換；千兆網接口采用千兆以太網接口芯片實現；高速DSP和大規模FPGA還連接有DDR3芯片、FLASH和相應時鐘電路；差分驅動和單端驅動分別采用LVDM1677和74LVCC3245實現。

6 試驗驗證

對本文所述多模式可重構復雜電磁信號環境模擬器進行了多種輻射源信號的射頻模擬，形成了復雜電磁環境信號，驗證了系統的有效性，其中幾種典型的雷達輻射源信號、塔康信號的測試驗證結果如圖6～圖10所示。

圖6 頻率捷變雷達信號

圖7 脈內線性調頻雷達信號

(13位Taylar碼 四相碼)(Frank碼八相碼)圖8 脈內調相雷達信號

圖9 雷達天線掃描

圖10 塔康信號

7 結束語

通過上述試驗驗證可知，采用本文所述多模式可重構復雜電磁信號環境模擬器， 能夠較為真實地模擬雷達及電子戰裝備試驗所需的外場復雜電磁環境，可滿足雷達及電子戰裝備在復雜電磁環境下性能測試、試驗和檢驗需要，對復雜電磁信號環境模擬器的研制具有較好的技術參考價值和指導意義。