一种基于数字化技术的多通道副载波调制直波模拟信号源

邵 晟， 张 琦

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

半主动雷达导引头通过使用修正指令制导的工作方式进行远程跟踪，其修正指令一般采用副载波调制照射雷达直波信号的发送方式，导引头通过直波接收机接收直波信号后解码得到修正指令信息［1］。直波模拟信号源主要用于实验室环境条件下，对雷达导引头直波接收机的接收性能测试，以及为导引头整机联调测试时提供模拟修正制导指令。

直波模拟信号源设计研制的关键在于副载波调制电路的设计，而目前直波模拟信号源主要采用直接使用硬件电路构建整个副载波调制通道电路。系统电路设计硬件复杂度高，硬件成本比较昂贵，且难以升级，兼容性较差。

本文所解决的技术问题是提供了一种基于数字化技术设计研制的多通道副载波调制半主动雷达导引头直波模拟信号源的实现方法，解决了半主动雷达导引头直波模拟副载波调制长期依赖硬件实现所产生的各种问题，具有小型化、兼容性强、低成本等优点。

1 模拟信号源设计方法

1．1 直波信号形式

直波信号来自地面照射雷达的直接照射（主要来自照射器的旁瓣），由导引头直波天线接收，其信号形式如下：

式中：K为消隐开关信号；fA为照射载频，X波段；fd，直为直波多普勒频率；fi为副载频的数值；m为副载频的个数；ai为位信息（0或1）；A（t）为平滑振幅包络线；β0为相位调制指数。

振幅包络信号A（t）形式为

式中：τd为时间单元长度，｜t｜≤τd／2。

直波模拟源就是用来产生上述直波信号，其关键点和难点是如何产生多通道副载波调制的直波中频信号。

1．2 模拟信号源设计方案

为了改善直波模拟源的构建复杂度、降低成本、提高直波模拟源的兼容性，采用数字化的设计方法，系统主要基于FPGA器件来构建。FPGA器件通过接口控制芯片接收外部数据实现对模拟源功能参数设置，通过软件编程由FPGA器件完成多通道副载波调制的数字化调制功能，FPGA输出调制后的数字量化信息经高速DAC转换为模拟电压信号，通过低通滤波器和放大器后得到直波中频信号，直波中频信号调制直波微波载波信号产生副载波调制的直波模拟信号。模拟源的系统框图如图1所示。

图1 直波模拟信号源系统框图

假设照射信号副载频调制个数m为4，副载频的频率间隔为60 k Hz，相位调制指数β0为1，无线电修正信息子单元周期τd为80μs，每个无线电修正信息单元包含68个子单元，所有信息码设置如表1所示。

表1 无线电修正信息单元信息码设置

上述情况下，FPGA设计原理框图，如图2所示。FPGA内部设计了4个DDS核用于产生4路中频副载波的单频信号，根据信号源设计要求设置相应DDS累加器位数和数字量化输出位数，用以保证副载波信号输出优良的频谱特性。由DDS产生的4路副载波信号通过开关实现位调制后，进行和累加实现副载波位调制信号的功率合成，合成后调制信号由乘法器完成余弦包络调制和幅度指数调幅，最终产生输出多路副载波调制信号的数字量化信息。

图2 副载波调制功能FPGA实现原理框图

使用ModelSim软件对上述FPGA设计方法进行时序仿真，得到多路副载波调制信号数字量化信息的仿真时序波形图如图3所示。由时序图可见，无线电修正信息单元周期与子单元个数与设置的参数相符，数字信号的时域波形与实际直波信号时域波形形式一致。

图3 直波中频数字信号FPGA仿真时序图

2 与传统方法对比

目前，直波模拟信号源的设计一般直接使用硬件电路构建整个副载波调制通道电路。多通道副载波调制的载波信号一般需要由多个固定点频源构成，调制通道后级调制器、加法器、乘法器等电路均由硬件电路设计实现［2］。这样设计的直波模拟源，载波信号个数及频率无法更改，调制算法也相对固定，升级困难，兼容性差。而且系统电路设计硬件复杂度高，硬件成本比较昂贵。

为了提高调制电路的兼容性，在直波模拟源设计上，目前也有载波信号采用DDS电路进行设计［3］，目的是使载波信号频率可调，但是其调制电路还是由硬件实现，调制算法难以变更。

本文提出的数字化设计方法，相对于传统的硬件电路构建方法，除了具有简化系统电路设计、降低了电路硬件成本的优点，更为突出的好处是灵活性强，兼容性强，便于升级。采用数字化方法设计的直波模拟源，所有的参数及调制方式均可以通过调整FPGA程序设计灵活改变，而不需要改变硬件电路。因此，具有更强的灵活性和兼容性，可以用于不同调制方式的其他型号导引头修正指令信号的模拟。另外，采用数字化设计方法设计的直波模拟源可以结合计算机控制技术与整个导引头测试系统相连接，实现直波模拟源各个参数的实时调整，完成对导引头直波接收机的全面测试。

3 系统测试

为了验证直波模拟源设计方案的正确性和可行性，对直波模拟源进行了测试验证。

直波模拟源的各个参数按照1．2节所述进行设置，前3个子单元作为地址码单元，后面65个子单元作为信息码单元。在示波器上观察直波中频信号一个周期的时域波形，如图4所示。由图中可以测出直波信号的周期、码宽和码元个数等参数，对比图3所示的FPGA时序仿真图，结果完全一致。

图4 一个周期的直波中频信号

将直波模拟源与经过检验合格的导引头直波接收机进行对接。经过直波接收机解码后得到的结果，如图5所示。图中示波器1通道为直波锁定指示，高电平表示直波锁定；2通道为解调波门；4通道为解调信息码；D3～D0为四个副载频的码信息。对比表1，解码结果与信息码设置完全吻合，实验证明本文设计方法所设计的直波模拟信号源可以有效地模拟半主动导引头无线电修正指令信号。

图5 直波接收机解码波形图

4 结论

本文提出了一种利用FPGA实现的基于数字化技术的多通道副载波调制直波模拟信号源的设计与实现方法。与国内外现有技术，以及与最接近的已有技术成果相比，极大地简化了系统电路设计，降低了电路硬件成本。同时，硬件系统具有较强的通用性，可以通过软件实现各种系统功能设置，升级方便，可完成各种不同的调制方式信号模拟功能。实验及测试表明，该方法所设计的直波模拟源可以有效地模拟半主动导引头的修正指令信号。

［1］ 赵赛果，王海波，王子立，李巍．基于FPGA实现直波接收机辅助捕获电路［J］．制导与引信，2008，29（1）．

［2］ 杨佳林，吴嗣亮．多载波发射机设计与实现［J］．军民两用技术与产品，2006，（11）．

［3］ 冯春波，吴金，陆生礼．副载波产生电路的FPGA实现［J］．电子器件，2007，30（2）．