一种多通道宽频带复杂电磁信号模拟方法

一种多通道宽频带复杂电磁信号模拟方法

宋波

四川九洲电器集团有限责任公司，四川省绵阳市 621000

摘要：本文提出了一种多通道宽频带复杂电磁信号模拟方法，基于软件无线电技术在同一个信号处理模块中实现多种特定格式通信信号的模拟，首先从模拟器的功能引出系统架构方法，然后详细阐述了宽带信号产生、多路信号叠加、多通道相参干涉仪测向设计，并给出了软件对于场景的规划和典型的信号设计，工程化运用证明该方法的可行性，该方法的运用同最小的资源完成以往多台设备才能完成的功能，并且集成化设计更能模拟多种复杂信号场景的产生，对接收装置的复杂电磁环境的验证提供了技术手段。

关键词：软件无线电、多通道、宽频带、复杂电磁信号模拟

1. 概述

软件无线电技术得益于它用一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能^[1-3]，过较小的硬件开销实现多种复杂信号的处理而越来越被工程师们青睐， 能随着民用产品工程化的成熟运用，越来越多的军用设备也开始运用该技术实现设备的小型化和通用化。军事电子特别是机载产品中电磁信号种类繁多，包括通信、雷达、电子战等多种信号发生设备，大多数还是以独立设备为主，各功能信号所用资源各自独立互不牵扯，这样做的好处是互不干涉、信号处理不易出错，出现问题可以快速隔离，但是缺点是占用空间较大，制约载机资源，在试验室中也无法验证接收机类设备面对复杂电磁信号的处理能力和抗干扰能力。本文阐述一种模拟器的实现方法，通过软件无线电技术实现军事领域宽频段多通道复杂电磁环境信号模拟，用以在试验室验证多通道接收机处理复杂信号的能力。

2. 系统架构设计

   1. 主要功能

模拟器主要实现以下几种功能：

1. 实现30MHz~6GHz宽频带信号产生，并且具备瞬时带宽300MHz能力；

2. 包括电子战信号、识别信号、ADS-B、TACAN、ATC等特定信号的模拟；

3. 具备5通道干涉仪测向模拟功能；

4. 具备本地控制与远程控制模式，并且具备外部时钟输入以及与其它仿真平台的接口交互能力，用于通道组合扩展。

1. 2. 组成架构

模拟器主要有两部分，一部分是PC机软件，另一部分是支撑产品功能运行的硬件平台，其组成逻辑架构见Error: Reference source not found。设备所需信号主要通过I、Q正交矢量调制方式完成波形特征信号的合成，合成过程主要在硬件平台的信号处理模块中实现，信道编码的特性通过FPGA进行精确控制，保证波形质量；交互信息主要通过PC机软件进行设置和运算，通过人机交互界面，对相关参数和自定义信息进行设置，然后由界面软件进行组织和封装，最后通过高速串行总线下发到信号处理模块，再由其进行数据处理、分发和时序控制；经过信道、信息编码的多信号合成数据，通过5路DAC输出到射频模块，射频模块对多路独立输入信号进行相应的变频、滤波及放大最终实现既定信号输出。

1. 系统框图

整个硬件设备系统采用6U的VPX架构，硬件部分主要分为5个模块：计算机模块、信号处理模块、射频模块、电源模块。

信号处理模块：主要完成各种信号的模拟，I、Q正交矢量调制，完成波形特征信号的合成等。

信号处理模块由PPC和XC7VX690T-2FFG1927I构成，搭载1个FMC子卡，子卡上搭载3片AD9173实现6通道的30MHz-6GHz的射频直接输出或经放大滤波后输出^[6-9]，同时实现多芯片同步（根据前文要求的5通道功能，每个AD9173实现2通道射频输出，三片可提供6通道输出，5个通道作为主射频通道，另外一个作为系统校准通道）。

计算机模块：运行PC机测软件，通过人机交互界面，对相关参数和自定义信息进行设置，然后由界面软件进行组织和封装，最后通过高速串行总线下发到信号处理模块。

射频模块：射频模块主要完成DAC输出信号的放大衰减和滤波等功能。

电源模块：对各个模块提供各种所需的电压。

控制方式：模拟器控制包括本地控制和远程控制两种方式。模拟器采用便携式计算机的外形规格，并通过USB接口可连接鼠标、键盘。在本地，可通过鼠标键盘进行显控界面操作，实现模拟器功能控制。也可可采用LAN接口，进行远程控制。

扩展能力：系统具备外部时钟输入能力和对外输出时钟能力，用于多通道扩展时多台设备之间的时钟同步。

3. 多通道宽频段复杂信号模拟设计

本文论述的信号模拟实现了一种5通道相参信号输出，并且最多可同时模拟4个目标信号（电子战、识别、航管或TACAN信号）和4个常规通信信号，8个信号在时间上可完全重叠、频域上覆盖达300MHz。

1. 1. 宽带信号生成

高速数模转换器选用AD9173集成电路，具有如下特点：

高性能、双通道、16位数模转换器(DAC)，支持高达12.6 GSPS的DAC采样速率。该器件具有8通道、15.4 Gbps JESD204B数据输入端口、高性能片内DAC时钟倍频器和数字信号处理功能，适合单频段和多频段直接至射频(RF)无线应用。

AD9173的每个RF DAC具有三个可旁路复数数据输入通道。每个数据输入通道包括可配置增益级、插值滤波器和通道数控振荡器(NCO)，方便灵活的多频段频率规划。该器件每输入通道支持高达1.54 GSPS的复数数据速率，能够在高达1.54 GSPS的最大复数数据速率下聚合多个复数输入数据流。此外，AD9173支持旁路通道选择器的超宽带宽模式，提供高达3.08 GSPS（具有11位分辨率，采用16位串行器/解串器(SERDES)打包）和3.4 GSPS（具有11位分辨率，采用12位SERDES打包）的最大数据速率。

支持单频段和多频段无线应用，每个RF DAC具有三个可旁路复数数据输入通道，提供1.54 GSPS（具有11位分辨率）和1.23 GSPS（具有16位分辨率）的最大复数输入数据速率。每个输入通道具有一个独立的NCO。

超宽带宽通道旁路模式支持高达3.08 GSPS（具有11位分辨率，采用16位SERDES打包）和3.4 GSPS（具有11位分辨率，采用12位SERDES打包）的数据速率。

低功耗双通道转换器可以降低高带宽和多通道应用中所需的功耗量。

每个RF DAC具有3个可旁路、复数数据输入通道；每输入通道最大复数输入数据速率：1.54 GSPS；每个输入通道具有 1 个独立的 NCO；专有低杂散和失真设计；

SFDR < −80 dBc（1.8 GHz，-7 dBFS RF输出）；灵活的8通道、15.4 Gbps JESD204B接口；

1. 支持单频段和多频段用例,多芯片同步；

2. 最终的 48 位 NCO，以 DAC 速率运行，可支持高达 6 GHz 的频率合成；

3. 发射使能功能可进一步省电，实现下游电路保护；

4. 高性能、低噪声锁相环(PLL)时钟倍频器；

5. 支持 12.6 GSPS DAC 更新速率；

6. 具有可选分频比的观测 ADC 时钟驱动器；

7. 低功耗；2.55 W (12 GSPS)，双通道模式。

2. AD9173功能框图

为满足30MHz~6GHz的宽频带信号输出能力，同时满足瞬时带宽达300MHz的要求，同时满足谐波抑制的指标要求，在输出端设计谐波抑制开关滤波器组，满足谐波抑制大于50dBc的指标要求；谐波抑制滤波器组的频率分段见下表，在输出信号的低频段（1GHz以下）由于谐波抑制滤波器通带小于倍频程的限制，每个滤波器的子通带不能满足频率交叉覆盖300MHz，故不能满足瞬时带宽300MHz的指标要求，但是开关滤波器组的切换时间小于4us，可以满足产生高速跳频信号的要求；由于信号载板频率覆盖范围非常宽，而输出端谐波抑制开关滤波器组带来6dB左右的插损，故要求输出末级的放大器P-1功率为+12dBm以上，输出级放大器采用低频段和高频段两只放大器进行设计，来满足输出功率的要求。为了满足多通道间幅度和相位一致性的要求，设计时考虑了微波器件的相位一致性，特别是幅度控制数控衰减器的附加相移；另外工程实施时采用同样的电路结构和工艺，减小装配和调试工程实施对幅度和相位的影响；在幅度控制时设计有输出功率耦合检波电路，可以通过信号处理电路对射频输出的幅度一致性进行测试和校准^[5]。

1. 滤波器分组表

注：常规调制信号包括：AM、FM、CW、BPSK、QPSK、MSK、2FSK等，参数可配置，系统具备任意信号波形生成能力，通过FPGA编辑基础波形，通过PC机加载信号特征参数文件和时序关系，实现任意波形产生。

1. 2. 多路信号叠加产生

为适应复杂电磁环境需要，要求信号产生算法能够分别在U频段场景、L频段场景、C频段场景下同时产生多个信号。

该模拟器使用的AD9173为高性能、双通道、16位数模转换器(DAC)，支持高达12.6 GSPS的时钟速率，能够产生高达6.0 GHz的射频信号。AD9173每个输入通道支持高达1.54 GSPS的复数数据速率，满足产生300MHz瞬时带宽信号的要求。

多个时域重叠信号产生的基本思路为：首先产生每一种信号的标准波形，按信号场景（出现时间）、辐射源平台场景（距离、径向速度）对信号的时间、频率、功率等进行调整，根据测向阵列参数以及信号示向度产生多个通道信号，最后将多个同时出现信号在时域上对每一个测向天线元信号进行叠加^[10-11]。

3. 信号叠加原理

对于每一类信号的多网信号，由于多网信号在时间上有重叠现象，多网信号按多路并行产生方案生成信号。

1. 3. 多通道相参性设计

为保证5路信号间的相参性，即同一通道不同脉冲间存在确定的相位关系，不同通道间也存在确定的相位关系。采用直接数字波形合成(DDWS)方式的基于中频数字直接产生的波形产生器，从而消除了正交调制环节，因而也避免了信号正交性和载波泄漏等影响。中频数字直接产生方案充分发挥了数字系统的灵活性，大大提高了信号谱质量；同时，因为无需产生正交双通道信号，系统的设备量也得到简化。

根据系统测向天线阵列布置情况，针对各信号所在平台的实时方位信息以及工作频段，利用干涉仪测量原理，对信号基带数据进行多通道相位调制，并经上变频等处理后分别从多通道射频接口输出，实现信号的方位信息实时模拟能力。

用户从场景设计TAB可选择新建场景，然后选择通信信号库或电子战信号库，经过“常规信号处理模块”或“电子战信号处理模块”处理生成场景信号后，根据天线阵的模拟分成多路信号，信号路数与天线阵中天线元个数一致。这些信号再经过天线阵直径、方向图、方位角等参数的模拟调整相差和幅度最后分别输出。处理流程图如下图所示：

4. 测向模块处理流程图

干涉仪测向是利用无线电波在测向天线组成的基线上形成的相位差来确定来波的方向的^[12-13]。

若已知入射波的波长为λ，方位角为θ，基线长度为d,则可求出两天线之是的相位差是公式是：

由于测量值只能在±180度之间，由公式1可知当d/λ<1>时，对任意方向入射的信号实际值是在±180度之间，但当d/λ>1/2时，测量值会大于±180度，由测量值推算实际值时就会产生多个可能，从而产生相位模糊。

而采用相关干涉测向就可以很好地解决相位模糊的问题。采用相关干涉是指，通过比较获取的入射波的相位分布与事先已存的各方位、各频率来波相位分布（模板）的相似性来得到入射波的方位角。而相似性的大小就是通过相关函数来确定。

本软件可模拟5阵元均匀圆阵测向天线阵。天线阵直径可选，该直径与来波波长密切相关。可模拟各天线元方向图，可模拟来波方向，精度为1度。输出5路模拟测向信号。各路信号相位差恒定为：

，

其中，n为天线编号，r为天线半径， 为信号波长， 为模拟方位角。

4. 软件设计

复杂电磁环境软件由系统平台软件、通用和专用信号库、战场频谱管理软件、相残校准软件、信号记录与回放软件等组成，可根据应用场景选择信号通道数，支持用户直接调用、加载信号库与自定义配置。平台软件是系统的控制中枢，提供友好的人机控制界面，方便用户灵活快速的配置信号组合，以满足不同的应用场景。

图 1软件功能分层图

1. 1. 软件结构设计

图 2软件结构框图

软件由UI界面与流程控制、信号库、场景模拟、测向模拟、数据处理、绘图显示及绘图分析、硬件控制模块组成。

硬件平台控制：包括下载数据、必要参数下发、数据回读。

UI界面与流程控制：整合各组件，各数据流与控制流，友好简明的人机交互。

信号库：生成各种信号，包括通信信号，雷达信号，电子战信号等，支持各信号参数控制。

测向模拟：可将任意信号叠加到模拟天线上，支持天线阵列模拟（直线、圆阵），天线极化、长度模拟、阵元数模拟，直径（长度）模拟、方向图模拟、俯仰角模拟。

场景模拟：可模拟多信号叠加、运动/静止、速度、空间干扰

数据处理：本机生成及第三方数据导入、数据保存、格式转换等。

数据显示及绘图分析：支持时/频域曲线绘图，语图，调制、解调信号绘图，星座图，眼图，场景示意图等多种绘图展示，根据不同绘图提供简明的绘图参数分析。

信息配置：相关配置、用户习惯等保存并恢复。

1. 2. 软件界面设计

软件划分为：场景设计、数据文件、信号预览、数据下载、设置等几个模块。软件入口为选项卡式设计，各选项卡对应各大功能模块。各模块实现功能点：

场景设计：用户可配置场景参数，包括新建场景、编辑场景、删除场景、复制场景、保存场景、向场景中添加各种信号、场景的运动模拟、测向模拟、场景中各信号生成、场景信号合成。

5. 数据场景设计

数据文件：导入第三方数据，数据格式转换，数据导出，数据预览。

6. 数据场景配置

信号预览：对第三方数据的绘图分析，FFT展示；场景数据及场景中任意信号的绘图分析，FFT展示，调制解调展示；对下位机回读数据的展示。

7. 数据频谱图

8. 信号预览（时域-频域）

电子战信号支持：高斯噪声，随机噪声，梳状谱

用户从场景设计TAB可选择新建场景，然后选择电子战信号库，从信号中可以选择任意个信号，软件支持用户自定义参数或使用默认的并逐个生成时域信号，之后经过采样率处理合成场景信号下发到硬件平台作为基带信号。

9. 电子战处理模块流程图

1. 高斯白噪声模拟

高斯白噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（标准正态分布，均值为0，方差为1），功率谱服从均匀分布的一类噪声。其分布函数为：

GWN的时域，频域及分布图如下：

10. 高斯白噪声时域、频域及分布图

13. 随机噪声模拟

随机噪声是一种由时间上随机产生的大量起伏骚扰积累而成噪声。随机噪声的概率密度函数服从平均分布，功率谱服从均匀分布。

随机噪声的时域，频域及分布图如下：

11. 随机噪声的时域，频域及分布图

14. 梳状谱模拟

宽带梳状谱干扰是一系列频率点上产生按某种方式调制的一组窄带干扰信号，各频点上窄带干扰信号的产生可以选择调制干扰或者键控干扰。本软件采用随机信号通过梳状滤波产生。

其时域和频域图如下：

12. 宽带梳状谱时域频域图

5. 结论

本文从功能架构设计、复杂电磁信号设计到系统软件设计等方面阐述了通过软件无线电方式，通过PPC和FPGA完成基带信号产生及接口处理，再通过AD9173直接产生宽频段信号，并通过射频的放大滤波实现了5通道同时产生不同频率多种特殊信号的功能、实现了同一频率信号5通道信号相参测向功能，同时具备任意波形信号产生能力，并且预留的系统通道校准接口。该系统架构是一个多功能可扩展的硬件平台，通过加载不同信号参数，配合PC机显控软件的参数配置和场景模拟，可实现平台轨迹规划及模拟、多信号复杂交织环境模拟等功能，是将软件无线电技术在军事复杂电磁信号环境模拟中一种成功的运用方式。

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