通信信号模拟系统在复杂电磁环境中的应用

赵晓辉，余金澳

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.上海交通大学，上海200240)

0 引言

武器靶场承担着繁重的实验任务，参试设备和测试设备复杂多样，设备之间存在互兼容性。发射信号频率范围宽，其中不乏大功率设备，直接和间接地在测试场形成背景信号，还有外来电子干扰，这些因素都构成武器靶场的复杂电磁环境。在复杂电磁环境下，保证测试系统的正常工作，提高靶场试验能力是亟待研究的问题。

因此，为了更好地验证武器系统在复杂电磁环境下的性能指标，提高武器系统研制效率，构建能够模拟和监测特定区域背景电磁信号环境，模拟战场密集、多变的电磁背景信号的复杂电磁环境，对武器靶场建设具有非常重要的现实意义［1-3］。

1 通信信号模拟系统的组成

通信信号模拟系统主要功能是模拟地面卫星通信固定站信号和连续波雷达信号，用于构建先进的、具有可重构能力的靶场电子环境模拟系统及信号模拟系统，不仅能提供多种频谱和调制式样的电磁波辐射源，用于构建多频段、多通道、多任务的通信模拟信号，还可以兼顾用于靶场复杂电磁环境模拟。

为了达到系统满足多频段、多功能使用，实现多频段信号模拟和干扰/卫通信号模拟、连续波雷达信号模拟等目的。系统设计中，采用基带设备、中频设备复用，不同频段的射频设备可同时使用的分布式体系结构。为了有效地减少由于长距离的电缆传输造成的信号损耗，采用微波光端机传输微波信号。同时，兼顾多应用场合，每个频段的射频设备均采用全频段覆盖设计，达到组合灵活、功能完善和性能优越的目的。

通信信号模拟系统主要包括:天线伺服分系统、辐射源分系统、微波信号产生分系统、视频中频信号产生分系统和系统控制分系统等。

系统控制分系统主要完成整个通信靶标工作状态的控制与监视，控制功能包括:通信信号模拟信号样式、模拟信号频率、天线指向角度和天线扫描状态等参数的设定，进行辐射源分系统发射机输出信号的辐射时间控制、天线伺服控制等。监视功能包括:通信靶标信号状态、天线状态的显示和记录。

视频中频信号产生分系统接收系统控制分系统的指令，产生连续波宽带雷达信号、各种调制形式的卫通信号、伪随机码和白噪声信号，并调制到中频。控制信号分配网络向不同频段的射频单元提供信号，实现干扰/卫星上行信号与雷达模拟信号的分配与射频复用。

中频信号进入微波信号产生分系统后，进行上变频及滤波、放大处理，产生要求频段的微波信号，送入辐射源分系统。辐射源分系统对低功率微波信号采用光纤传输，进行光电转换、增益调节，最后转换成电信号进行功率放大后，送入天线分系统，向空间辐射出去。天线分系统分别配置2种类型天线及相应天线基座，用于辐射干扰/卫通信号和连续波雷达信号。

2 通信信号模拟系统技术实现途径

通信信号模拟系统具备传统的软件无线电信号模拟器的功能，能够模拟地面卫星通信固定站信号，模拟连续波雷达信号，提供多种频谱和调制样式的电磁波。为了兼顾生成复杂电磁环境，在产生多体制、多频率和多模式的无线电信号基础上，还要模拟各种信号产生、持续和结束的时间变化，控制不同时间各信号的幅度变化;更要模拟各信号不同时间不同覆盖的空间变化等。做到在时间、空间和频率三维立体实现无线电信号的模拟。将软总线分布式控制、软件无线电信号模拟器技术和宽频段低杂散射频技术相结合，是构建时间—空间—频率多维体制复杂电子环境模拟的一种可行解决途径。

2.1 数字基带信号产生技术

为了达到在一个设备中实现多体制、多模式、多信号和多功能的信号模拟与产生，实现信号的频率覆盖模拟，通信信号模拟系统采用软件无线电技术，构造一个具有开放性、标准化和模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式和通信协议等用软件来完成，选用不同软件模块就可以实现不同的功能，而且软件可以升级更新，其硬件也可以像计算机一样不断地升级换代。对于不断增加的信号体制或模式只要增加一个新的软件模块即可。充分利用软件无线电技术的灵活性、集中性的特点，将一个开放的硬件平台，通过软件编程与下载，使同一平台具备多种功能、多种体制的能力［4，5］。

作为靶标使用的通信系统，能满足各种频率及其组合频率信号产生的要求，考虑到A/D转换器工作带宽、采样速率的能力，采用软件无线电技术在中频直接数字化的方式，组成框图如图1所示。

图1 视频中频信号产生单元组成

数字中频产生单元主要采用大规模可编程逻辑器件FPGA、DDS和高动态宽带DA等组成。产生中频频率;数字基带模块由信源数据产生子模块、DSP处理子模块、FPGA处理子模块、数模转换子模块、CAN总线控制子模块、动态加载子模块和时钟子模块组成。

由信源数据产生子模块接收由控制模块转发的控制信息，根据控制信息产生相关的数据信息，经由CAN总线传送至CAN总线控制模块，再发至DSP处理子模块，形成依据剧情而定的数字基带信号，FPGA处理子模块将数字基带信号变至中频数字信号，传送给数模转换子模块进行数模转换形成模拟中频信号送出。

2.2 软总线实现系统重构

为了将各种不同类型、不同属性的设备连接组成一个开放的系统，通信信号模拟系统采用软总线技术。将各功能模块通过标准的软总线接口挂接在总线上，同时将一些通用的或者专用的功能模块封装起来，最终组成一个完整的应用系统。各功能模块之间以一个公共的接口互相连接，做到各模块的即插即用、无缝集成。各模块接口规范是一致的，通信的复杂度大大降低。

同时，各模块可位于不同的系统平台，通过各自的适配器向软总线发出请求，软总线对其进行解释并确定接收方的位置，向网络层发送消息，完成通信并实现互操作。当系统需要增加功能和设备时只需设计不同的适配器就能最大限度地使用已有的软件实现系统集成。通过CORBA中间件，应用软件协议进行数字传输、交换与控制。可以将空间分布的各个单体有机地联系成一个总体，方便实现信号的空间分布模拟［6-11］。

软件可分为:监控软件、剧情编辑软件、剧情模型库管理软件、信号模型库管理软件、数据交互平台(软总线中间件)、接口代理和驱动模型库软件等部分，软件组成如图2所示。

图2 软件组成

2.3 宽频段低杂散射频技术实现频域覆盖

采用软件无线电技术产生中频信号，构建了开放的硬件平台，受技术和成本的限制，在生成微波信号仍需要采用传统的上变频方案。通信信号模拟系统模拟卫通信号和连续波雷达信号，还兼顾靶场复杂电磁环境模拟，因此频率覆盖为L、S、C、X和Ku，每个频率均为全频段范围。

变频单元由频率源、混频器和滤波器、功率控制等单元组成，完成中频调制信号到所要求高频射频信号的频谱搬移。由于各频段的上变频器均是全频段设计要求，因此低杂散输出是变频链路设计的难点。为了抑制交调信号，保证低杂散设计，上变频器采用多次变频及分段滤波放大的方案［12］。

作为通信靶标的发射机，要求频率范围宽、杂散抑制高、频段平坦度好，发射机还具有功率保护和温度保护等功能，防止天线被摧毁或波导故障时的反射功率烧毁发射机。因此对功率放大器的设计提出了较高的要求。考虑到靶标工作频率范围宽，可结合固态发射机和行波管发射机综合考虑。

2.4 典型应用

2.4.1 在复杂电磁环境模拟中的应用

复杂电磁环境需要模拟的信号源主要包括:电子对抗模拟源、雷达信号模拟源、通信信号模拟源和光电信号模拟源等。每一类型的模拟源又由不同类型的电磁辐射源生成，组成图如图3所示。各个信号模拟源产生的信号要达到在空域上纵横交错、在时域上持续不断、在频域上密集重叠、在效能上随机多变的效果，才能达到构建复杂电磁环境的目的。

通信信号模拟系统的主要功能是模拟地面卫星通信固定站信号，兼顾模拟连续波雷达信号，提供多种频谱和调制样式的电磁波。从图3可以看出通信信号和雷达信号是复杂电磁环境辐射源信号模拟的重要部分。因此，通信信号模拟系统的建设是复杂电磁环境建设的重要基础。结合其他信号模拟设备的使用，共同在复杂电磁环境建设中发挥作用。

图3 复杂电磁环境信号模拟源组成

2.4.2 在靶场试验和建设中的应用

通信信号模拟系统已在靶场试验中多次使用，试验结果表明系统满足技术要求，为复杂电磁环境构建打下良好基础。

通信信号模拟系统在实际布站使用时，可以单独使用单一频段的设备，也可组合使用几个频段的设备。可以产生单一干扰/卫通信号模拟、连续波雷达信号模拟，也可产生这些信号的组合信号。从布站距离上，可将各频段的辐射源系统、天线与信号产生设备间隔几千米布站，各个独立设备在物理距离上可以相距较远。

通信信号模拟系统还充分考虑到扩展应用，预留了扩展接口，可以直接将靶场现有的通信和雷达设备接入进来，进行集中控制，作为复杂电磁环境信号产生的真实模拟源，既解决了各个独立系统的烟囱式结构，还可以将一些退役的通信和雷达设备变废为宝，进行集中统一控制，在复杂电磁环境模拟中发挥作用。

3 结束语

通信信号模拟系统为靶场测试试验提供了卫星通信信号和连续波雷达模拟信号，同时采用软件无线电技术、软总线技术和宽频段低杂散射频技术，在时域、空域和频谱特性域(频率、幅度、调制方式和功率等)等方面到达可控动态变化的要求，对于靶场复杂电磁环境模拟提供了技术基础。该系统已经在靶场试验中多次使用，满足试验要求，下一步还可在频段扩展、雷达诱饵等方面进一步做工作。

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