一种新型雷达信号模拟器设计

一种新型雷达信号模拟器设计
刘亲社1，王国红2，王星1
（1 空军工程大学工程学院，陕西西安 710038；2 空军工程大学理学院，陕西西安 710038）摘 要：设计了一种新型雷达信号模拟器，能够提供多种特殊雷达信号，并且设置灵活方便，当用户需要时，可进行软件升级。

介绍了该雷达信号模拟器的功能、特点、性能指标和研制方案，提供一种雷达信号产生的解决方法。

关 键 词：新体制雷达；信号模拟器；脉冲产生器；射频信号
中图分类号：TN955文献标识码：A文章编号：1000-274X(2006)0189-07
随着新体制雷达相继问世，现代雷达大都采用了以捷变频和相干信号处理等为代表的新技术，反干扰措施越来越完善，对这些体制的雷达实施干扰越来越困难。

信号环境日益复杂，电子对抗技术的发展和新电子对抗设备的研制迫切需要一种能提供多种特殊雷达信号的设备，以适应这种发展变化。

我们设计研制的新体制雷达信号模拟器就是一种半实物物理仿真设备，一部分设备使用实际设备而其他部分采用计算机模拟和处理，例如雷达信号环境和信号处理等均可使用软件模拟。

这种方法具有很强的通用性，不仅适用于现有的装备，也可以模拟采用某种新技术的装备，对于现有装备的改进和新装备的研制都具有实用价值，是一种相对经济、实用的方法[1,2]。

1 新型雷达信号模拟器的功能特点和性能指标
新型雷达信号模拟器的主要功能是：提供各类信号的调制波形，控制射频频率，控制输出信号的功率。

根据用户指定的信号类型、脉宽、重复周期、射频频率等参数，控制模拟器的各个相关部分，最后输出满足要求的信号。

1.1 主要特点
1.1.1多样性和灵活性 多样性是指模拟器控制系统能够提供多种类型的雷达信号调制波形。

为了产生多种特殊雷达信号，要求控制系统能灵活控制雷达信号的脉冲宽度、重复周期、射频频率。

能够提供的信号类型主要有：连续波、常规脉冲信号、均匀脉组串信号、重频参差信号、线性调频信号、巴克码调相信号、捷变频信号等。

灵活性主要表现在两个方面：①各种信号的参数可以灵活设置。

例如：信号的脉冲宽度、重复周期、射频频率等都可以在其各自的范围内任意设置。

②信号类型可以灵活选择。

模拟器同时有几路的信号输出，各路之间是相互独立的，而且一个支路有多种信号类型供选择。

由于信号个数、信号类型、信号参数均能灵活选择，给用户提供了极大方便。

用户可以根据自己的需要，选择合适的信号个数和类型，来组合输出各种信号。

1.1.2 智能化 控制系统具有智能化的特点，采用工控机作为控制中心，由计算机完成对模拟器的各项控制，设计了良好的人机界面，采用软面板输入参数具有自动检错功能，以避免用户误操作引起的错误。

用
户还可以利用查询功能查询各支路信号的当前状态，包括信号类型及其相应的各项参数，以便对照参考。

1.1.3 模块化 在系统的设计中重视模块化的特点，包括硬件设计模块化和软件设计模块化，这样可以简化设计、方便调试和易于维护。

1.1.4容易更新 在控制系统的设计中，采用了软件与硬件相结合的方法控制各信号的类型及参数，特别是采用了FPGA（现场可编程门阵列）和EPLD来产生各种信号波形和控制信号，大大缩小了设备体积，缩短了研制周期，并且修改方便。

当修改FPGA时，只需对FPGA和EPLD重新编程即可，所以当需要修改已有信号类型或增加信号类型时，仅对FPGA的编程软件及相应的控制软件作适当修改就可完成，不需要修改硬件，缩短了修改周期及费用。

这使模拟器具有很大的优越性，一是因为随着雷达技术的发展，雷达信号也在发展，智能化控制系统易更新的特点，使模拟器能迅速跟上雷达信号的发展，从而为电子对抗设备能适应这种发展变化提供良好的基础，二是可以满足用户对某些特殊信号的要求。

当用户需要产生某种新的特殊雷达信号时，不改变硬件系统，只需修改软件，就可以很容易地满足要求。

1.2 主要性能指标
1）射频输出频率：200MHz~18GHz；功率≥10mW。

2）射频输出分为6路： UHF（200~1000MHz）；L（1000~2000MHz）；S（2000~4000MHz）；
C（4000~8000MHz）；X（8000~12500MHz）；Ku（12500~18000MHz）。

3）射频输出可调衰减范围：0~60dB,步进1dB。

4）视频脉冲参数：脉宽（0.1~999μs）；重复周期（1~9999μs）。

5）可产生各种调制和编码信号。

6）最大线性调频带宽300MHz；可在全频带内任意跳频，频率捷变速率<1μs。

2 研制方案
按照调制方法进行分类，雷达信号的波形产生方法可分为3个层次：①调制脉冲变化（包括重频、脉宽、幅度、脉冲个数、脉冲间隔）；②调制脉冲内部信息码元变化（包括信息相位编码、脉间相位变化）；
③载频变化(包括普通调频、线性调频、非线性调频、频率编码、频率捷变) [3]。

新型雷达信号模拟器的总体方案如图１所示：
它分为主控计算机和信号发生器两部分，我们可以根据所能掌握的电子战情报，经过分析与综合，建立雷达信号数据库和电子战电磁环境数据库，输入计算机，由主控计算机来完成对各种复杂数据的处理，将它变成各种相应的信号关系，传送给信号发生器。

主控计算机还可完成对信号发生器的各项控制，当需要更新雷达数据或信号发生器面板操作不便时，操作者可使用显控计算机的软面板进行操作，在WINDOWS中直接运行遥控软件实现对信号发生器的完全控制。

信号发生器由视频脉冲形成电路、射频信号产生器组、MCU控制电路、通讯接口、显示控制单元和雷达数据存储器构成。

MCU控制电路是整机的控制中心，由它来控制视频脉冲形成电路和射频信号产生
控计算机获取雷达信号数据，并可将雷达信号数据和一些设置参数存储于雷达数据存储器中，显示控制单元由显示器件和输入开关、按钮等组成，用于输入、设定和显示雷达参数和工作状态。

考虑目前大部分机载电子对抗设备的频率范围，我们将射频输出频率范围定为200MHz~18GHz，这个频率范围很宽，很难用一个射频信号产生器产生，所以按通用波段将频率范围分为6段，分别由6个射频信号产生器产生，经6个天线输出，这样可同时模拟不同频段的多部雷达。

信号发生器的核心技术是脉冲形成电路和射频信号产生电路，其中调制脉冲变化可分为以下几种情况。

简单脉冲信号：a、重频（周期）变化；b、脉宽变化；②脉冲串信号：a、脉冲组个数变化；b、脉冲组内脉冲个数变化；c、脉冲组间隔变化；③调幅脉冲信号。

雷达调制脉冲产生器，能根据用户需求，产生重频和脉宽可变，脉冲串参数可任意设置的雷达脉冲信号。

并固化了10种机载雷达和导弹制导雷达的视频信号，用户可根据需要增加信号类型，并改变脉冲分辨率，提高系统性能。

脉冲产生器和分配驱动器可用微处理器（单片机、DSP器件、计算机CPU等）控制数字逻辑电路实现。

实现框图如图2所示：由MCU根据设置或上级的控制信号，控制脉宽形成和重频形成电路组，同时产生多组脉宽和重频信号，在波形合成器中合成所需要的多路脉冲，经脉冲分配电路，把所需脉冲分配给6路射频信号产生器和视频输出端。

对于脉冲串信号，MCU还可根据需求，控制脉冲个数和间隔形成电路组，并通过该电路组控制脉宽形成和重频形成电路组，产生多路脉冲串信号。

所有脉冲输出前，都要经过脉冲驱动电路以提高驱动能力和实现隔离，防止干扰。

每一路射频信号产生电路采用基于DDS的微波电路构成，组成框图如图3所示，其信号来源分为3路：
第一路是由DDS波形生成器产生各种编码和调制信号，DDS的一个显著的特点就是在数字处理器的控
制下能够精确而快速地处理频率和相位。

DDS允许用户对通过改写相位偏移控制字可实现相位的任意控
图2脉冲形成电路
Fig 2 Phuse generation circuit
制，码元的产生完全由软件灵活控制，可产生包括二相编码（巴克码、伪随机码）、多相制编码（Taylor 四相码，Frank码，p1,p2,p3,p4码）等，并经倍频、滤波和放大后形成调制包络信号[4]；
第二路是由DDS频率产生器产生各种调频（普通调频、线性调频和非线性调频等）和频率捷变信号，DDS工作模式为单音频工作模式时，通过改写频率控制字可实现跳频和频率捷变和频率调制，工作模式为线性调频模式时，通过设定起始频率、频率部进和扫描时间，可实现线性调频；
2.5×10-6，经隔离
器隔离输出。

来自第三路微波信号和第二路的变频信号在微波上变频器混频，产生载频信号，来自第一路的调制包络信号和脉冲产生器产生的调制脉冲对载频信号进行调制，形成雷达信号，最后经天线输出。

3 测试结果
经测试，系统性能如下：线性调频带宽≤300MHz ；跳频时间<1
μs ；脉冲调制深度≥50dB ；输出幅度调整时间≤2μs ；最大输出功率15dBm ；输出功率控制步进1dB ，精度±0.5dB ；动态范围64dB ；输出频率精度≤6105−×± ；输出信号频谱纯度谐杂波：≤ -40dB 。

图4a 为起始频率9 700MHz ，带宽等于150MHz 线性调频频谱图，图4b 为频率9 700～9 950MHz ，带宽等于250MHz 在跳频频谱图；图5为用示波器实测的一组脉冲组信号。

由于模拟器的频率跳变时间和输出幅度调整时间很短，而通常脉冲雷达的占空比很小，所以该模拟器可以在同一射频通道同时输出多部不同频率的雷达信号，也可以在同一射频通道模拟同一载频的多部雷达信号。

a 150MHz 带宽线形调频
b 250MHz 带宽10点跳频
图4 X 波段射频输出
Fig 4 X band radio-frequency signal
a 250MHz,10 point frequcncy hopping
a 150MHz linear frequency modulation
图5 雷达视频脉冲输出波形------脉冲组输出
Fig.5 Video frequency radar signal wave: Output phuse group
4 应 用
新型雷达信号模拟器既可以进行仿真试验，也可以对雷达和通讯干扰设备的干扰有效性进行检验；还可以实现电子对抗和侦查对新体制雷达信号处理的研究。

这个模拟器除提供常规体制的脉冲雷达信号外，突出的特点是能够提供多种特殊雷达信号，并且设置灵活方便，为新一代电子对抗设备提供了方便、可靠的调试、测试和验收条件。

图6a所示，由模拟器产生火控雷达信号，加给干扰吊舱，干扰吊舱产生的干扰信号和雷达回波杂波
模拟器产生的雷达回波信号混合，送给雷达通用数字接收机，接收机将雷达信号和干扰信号送给雷达信号处理器，处理的结果送给计算机进行显示和分析，便可用于评估干扰吊舱的干扰样式和干扰效果。

这个模拟器亦可用于检测全向告警器的接收性能和告警性能，如图6b所示。

参考文献：
[1] 茅于海. 频率捷变雷达[M]. 北京：国防工业出版社, 1981.
[2] 费元春, 苏广川, 米红, 等. 宽带雷达信号产生技术[M]. 北京：国防工业出版社, 2002.
[3] 刘亲社，叶广强，叶志铨. 多功能雷达信号模拟器实现方法分析[J]. 弹舰与制导学报，2005，(4)：25-28.
The design of a new radar’s signal simulator
LIU Qin-she1, WANG Guo-hong2, WANG –Xing1
(1. College of Engineering, The Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China; 2. College of science, The Air Force
Engineering University, Xi’an 710038, China)
Abstract: The function and speciality of new system radar’s simulator and its every performance index were introduced. It also gives the functional block diagram of the overall design of simulator, and lays emphasis on the core of signal generator—pulse-forming circuit and radio-frequency signal forming circuit. The design realizes digital logic control by using microprocessors and takes the technology of DDS.
Key words: new system radar; signal simulator; pulser; radio-frequency signal。