基于数字射频存储的引信面目标回波模拟器

张 珂，王 震，舒建涛，王中洋，张 翔

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065；2.德州市公安局信息通信处，山东 德州 253013)



基于数字射频存储的引信面目标回波模拟器

张 珂1，王 震1，舒建涛2，王中洋1，张 翔1

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065；2.德州市公安局信息通信处，山东 德州 253013)

针对对称三角连续波调频引信回波模拟设备无法满足回波信号与发射信号的相参性与相关性以及精确距离、功率及速度模拟的问题，提出了基于数字射频存储的引信面目标回波模拟器。该模拟器采用射频直采技术对引信发射信号经频谱下搬移的射频信号进行采样，由高速数字信号处理器实现对采样信号的高精度延迟，并采用多个散射点独立进行多普勒频率调制、幅度及相位调制，结合多散射点合路的处理方式，实现引信面目标回波模拟。仿真及实验室测试表明：该模拟器能够精确进行回波距离、速度、功率模拟，且具有与所截获引信发射信号相参、相关且“高保真”的回波特性。

对称三角连续波调频引信；数字射频存储；面目标回波模拟

0 引言

随着智能化弹药研制进程的加快，引信作为武器系统能否发挥最大作战效能的核心部件，在研制、生产及测试中对其智能化程度，可测化水平均提出了更高的要求。适用于“智能化”引信检测的回波模拟设备层出不穷，它能够用于模拟引信动态弹目交会条件下的目标回波信号，从而实现对引信整机的闭环测试，是近炸引信在研制过程乃至生产、交验中非常重要的测试设备。

引信回波模拟器的基本工作原理是针对引信发射信号经距离延迟、幅度调制及多普勒调制后，由转发天线空馈或微波传输线线馈的方式，转发至引信接收机进行回波模拟。文献[1]在考虑环境因素的影响下建立基于多散射中心的脉冲多普勒体制引信回波的数学模型并生成仿真数据，提出了通过FPGA控制SRAM进行仿真数据回放进行回波模拟的方法。文献[2]提出了一种基于静磁波延迟线的通用调频引信回波模拟器，该模拟器通过电压(电流)控制延迟时间，实现回波速度和起始距离的模拟，通过对发射信号的幅度调制实现了回波信号的幅度模拟。然而，上述文献中所提及的通用模拟器实现方案无法满足对称三角连续波调频(Symmetric Triangular Frequency Modulation Continuous Wave，STMFCW)引信回波模拟信号对时延的精确性、功率的精准性要求，同时也很难实现回波模拟信号与发射信号相参性及相关性。

基于数字射频存储(Digital Radio Frequency Memories，DRFM)实现的回波模拟器，通过对发射信号进行截获、存储、复制、转发或正交变换、卷积调制等技术手段生成模拟回波信号，且生成的模拟信号在延迟时间、复制次数等重要参数上均能高保真地还原原始发射信号[3]。因而，基于DRFM方式实现的回波模拟器较文献[1]以仿真数据为背景的模拟器，所模拟的回波信号具有更好的相参性、相关性[4-6],较文献[2]中采用微波低损耗传输电缆或电磁导线作为定点模拟的产生方式，该方法具有更加精确的距离、速度、回波功率模拟能力[7]。文献[8]论证了将DRFM技术用作无线电引信信号源的可行性，然而该文献仅对脉冲雷达体制下单一点目标回波进行模拟，针对STMFCW引信探测的面目标回波并不适用。本文针对此问题，提出了一种基于DRFM的STMFCW引信面目标回波模拟器。

1 数字射频存储器原理

1.1 STMFCW引信面目标回波模拟原理

STMFCW体制引信是发射信号的频率调制规律，按照对称三角波规律变化的连续波无线电引信[9]，其频率调制规律如图1所示。

图1 STMFCW引信工作原理图Fig.1 Schematic of principle in STMFCW fuze

如图1所示，f0是STMFCW引信发射信号载波频率，B是调制带宽，Tm是对称三角波信号调制周期，STMFCW引信发射对称三角波线性调频信号(粗实线)，由于运动目标回波信号(虚线)在空间传播产生的时间延迟，其到达接收机时瞬时频率与发射信号频率具有频差，而频率差正比于空间传输距离。因而将回波信号与发射信号混频，取出差频信号，根据其幅频分布，可得到弹目距离信息[10]。

根据引信回波信号理论，针对面目标的回波可以等效为N个散射中心产生的回波信号的叠加，并且不同散射中心回波信号相对于STMFCW引信发射信号具有不同的延迟、多普勒频移和幅度衰减[1]。从而，如果准确获取/截获了引信的发射信号并对其经相关幅度衰减、距离延迟、多普勒频移等信号处理工作即可模拟STMFCW引信面目标回波信号。

由上述分析可知，STMFCW引信面回波模拟器通用模型主要由模拟上/下变频器、延迟系统及幅度控制系统构成[2]，其原理框图如图2所示。

图2 STMFCW引信回波模拟器原理框图Fig.2 Schematic of echo simulator for STMFCW fuze

1.2 数字射频存储原理

DRFM本质是一个数字中频存储器，如图3所示，由变频电路和DRFM单元组成,DRFM单元是DRFM处理核心。

如图3所示，DRFM单元中经过可调预选滤波和幅度调整后的中频信号进入高速A/D器转换成数字信号，控制器将采样得到的信号经数字正交解调器得到数字同相分量I及正交分量Q并存入高速实时存储器中，控制器同时作为一个数据处理器，可对采样的数字信号进行I/Q矢量调制、距离延时、波形调制等复杂的数字信号处理，生成具有目标特征信息、距离信息和多普勒频率信息的射频信号。

2 基于数字射频存储的引信面目标回波模拟器

2.1 基于DRFM的引信面目标回波模拟器构成

基于数字射频存储的引信面目标回波模拟器的设计核心在于：采用以DRFM原理的数字化处理方式实现图2所述的延迟系统及幅度控制系统，其设计框图如图4所示。

图4 基于DRFM的引信面目标回波模拟器框图Fig.4 Schematic of echo simulator for STMFCW fuze based on DRFM

如图4所示，基于数字射频存储的引信面目标回波模拟器的信号处理流程为：回波模拟器接收天线截获近炸引信发射天线辐射的射频信号，由下变频器完载波信号的频谱下搬移，即将所截获信号的中心频率搬移至百兆赫兹量级的中频。由DRFM单元对该中频模拟信号进行采样、量化，得到中频数字信号，并由高速数字信号处理器实现信号的幅度衰减、距离延迟、多普勒频移位等处理工作，最终由数模转换电路还原经处理后的中频数字信号为中频模拟信号。由模拟上变频器实现DRFM单元输出中频模拟信号的频谱上搬移，即将信号中心频率搬移至原截获信号的载波信号中心频率，最终由发射天线将所生成的回波模拟信号空馈至近炸引信接收天线。

2.2 基于DRFM的引信面目标回波模拟器原理

根据2.1节所述，基于DRFM的引信面目标回波模拟器在生成模拟回波时，首先对中频数字信号经多路数字抽头延迟单元完成多散射点距离等效模拟，随后对每一独立之路经复数域调制完成多散射点幅相多普勒频移模拟，最后由多路合路器实现面目标等效模拟，其处理流程如图5所示。

图5 基于DRFM的引信面目标回波模拟器工作流程图Fig.5 Figure of procedure based on echo simulator for STMFCW fuze

2.2.1 多散射点距离等效模拟

基于数字射频存储的引信面目标回波模拟器通过对发射信号的采样点延时，实现回波信号距离模拟。具体实现时，将被采样的信号量化后数据存放在数字信号处理器中，处理器通过控制数据读写时序操作完成信号延时，数字信号处理器的读写操作时钟频率决定着延时步进，处理器的容量决定了最大可延迟距离。

多散射点距离等效模拟靠多数字抽头延时单元级联实现，将被采样的信号量化后数据存入数字信号处理器先入先出存储器(First Input First Output，FIFO)中，通过对每个抽头进行延时计数，完成此抽头的延时输出，以具有16个散射点形成的面目标为例，设计框图如图6所示。

图6 数字抽头延时单元框图Fig.6 Schematic of digital tap delay unit

2.2.2 多散射点幅相多普勒频移模拟

基于数字射频存储的引信面目标回波模拟器对输入信号进行的幅相多普勒频移模拟，在数字信号处理器中采用复数乘法器实现，设计框图如图7所示。

图7 幅相多普勒频移模拟单元框图Fig.7 Schematic of doppler AMP and phase simulation unit

由图7所示，令幅度归一化的输入信号为Si=ej(ω t+ψ1)，幅度调制器和相位调制器组合产生调制信号为Sd0=A·ej(ψ0)=A·ej(ωd0t)，多普勒频偏信号为Sd1=ej(ωd1t)，则经频率调制、幅相频移调制后输出信号为：

S0=Si·Sd0·Sd1=A·ej[(ω+ωd0+ωd1)t+ψ1]

(1)

由公式(1)可见，输出信号S0较输入信号Si已被调制上了幅度、相位信息及多普勒频移信息。

2.2.3 面目标等效模拟

面目标与点目标的区别在于距离上的多点分布和角度上的角闪烁现象，具体到参数上是指每个散射点有着不同的延时、幅度、相位和多普勒频移信息。为实现面目标回波模拟，采用了将每个散射点独立进行延时、幅相及多普勒频移后再经合路器合路生成面目标回波的等效方法。

在数字信号处理器中通过复域调制器及合路器实现多散射点面目标等效模拟，以16个散射点为例，面目标等效模拟单元框图如图8所示。

图8 面目标等效模拟单元框图Fig.8 Schematic of echo simulator of area target

综上所述，基于DRFM的STMFCW引信回波模拟器，采用射频直采技术对引信发射信号经频谱下搬移的射频信号进行采样，由高速数字信号处理器实现对采样信号的精确时延，并采用多个散射点独立进行多普勒频率调制、幅度及相位调制，结合多散射点合路的处理方式实现引信面目标回波模拟。

3 仿真、设计与验证

3.1 数学模型

参照1.1节所述STMFCW引信工作原理，在建立数学模型时仍单周期、点目标为例，在上扫频段周期内，假设所截获的引信发射信号为St,up(t)，本地振荡器产生信号为L(t)，M(t)为下变频后经低通滤波后的中频信号。

t∈Te,up

(2)

L(t)=A1cos(2πfL+φL)

(3)

φ0,up-φL]

(4)

M(t)=ALcos(πμt2+ω1t+φM)

(5)

对其进行中频数字化采样，采样间隔为Ts，则时域离散信号表示为：

M(n)=AL(n)cos{[πμ(nTs)2+ω1nTs+φM]}

n=1,2,3,…

(6)

经过数字正交混频技术，可得到该中频信号的同相与正交分量I(n),Q(n)，其中I(n),Q(n)分别表示为：

(7)

(8)

该基带信号经数字存储延时时间为τ，其中τ=NTs，N为延时周期，每周期为Ts，则经存储延迟后表示为:

(9)

(10)

多普勒信号复数调制信号表达式为：

fdI(n)=cos(ωd(n-N)Ts)

(11)

fdQ(n)=sin(ωd(n-N)Ts)

(12)

(13)

从而得到两个经多普勒调制的复数信号：

φM+ωd(n-N)Ts]

(14)

φM+ωd(n-N)Ts]

(15)

同理，对该复数信号进行数字同相正交上变频，得到：

M′(n)=DIcos(ω1nTs)-DQsin(ω1nTs)=

(ωd+ω1)(n-N)Ts]

(16)

将该信号由数模转换器转换为模拟信号为：

(ωd+ω1)(t-τ(t))]=

(17)

通过上变频器件将频谱搬移至发射信号中心频谱f0处：

φ0,up]+2πfd(t-τ(t)}=

φ0,up]+φd}

(18)

由上述推导过程可知，经DRFM处理能够通过对所截获STMFCW引信发射信号经幅度调整、数据延迟及多普勒相移等处理实现STMFCW引信回波模拟。综上所述，基于DRFM的STMFCW引信回波模拟器延迟时间τ=NTs，较文献[2]中使用延迟线的方式延迟时间更加精准、灵活、可控，用于幅相多普勒频移模拟的附加相移φd相对于STMFCW引信发射信号，较文献[1]具有更好的相参性与相关性。

3.2 算法仿真

为了降低计算机仿真计算量，暂不考虑模拟上/下变频的处理过程，仅对DRFM核心单元进行仿真，仿真参数设定为：DRFM单元采样率900 MHz，对称三角波信号调制速率500 kHz，调制频偏90 MHz，STMFCW信号中心频率180 MHz，延迟时间为τ=2R/C=0.2 μs。对该距离选用16个散射点进行幅度及多普勒频偏调制模拟，生成的回波仿真信号如图9所示。

以弹目距离30 m为例，由STMFCW信号定距公式可知，该弹目距离对应500 kHz调制信号的36次谐波，即差频信号中18 MHz谐波点。图10所示为上述回波仿真信号经相关解调后，所得到的差频信号中18 MHz附近多普勒域，如图所示，该多普勒域由16个离散点构成，其中每个离散点均具有不同功率及频率，该多普勒域表明了模拟器具有在弹目距离30 m处生成面目标回波的能力。

3.3 参数设计

系统延迟主要由变频器固有延时、DRFM固有延迟及可变延迟决定，其中变频系统固有延时由放大器、混频器、衰减器及滤波器等元器件的延时组成，该项延迟小于30 ns。系统设计中ADC转换延迟为4个时钟周期约2 ns，DAC的流水线延迟为4个时钟周期，转换延迟约2 ns，在正常工作模式下，考虑到降速/升速电路和存储器的延时，因而整个DRFM单元的固有延时控制在40 ns以下。此外，本设计中FPGA的 RAM的容量高达14 Mbit，若采样率选择为2.4 GHz，则可实现不小于400 μs的最大延时值。

数字抽头延时单元的基本模块是高速FIFO，它的工作时钟是FPGA内部工作时钟，频率不小于300 MHz，因此可以实现3.3 ns的延时步进。若设计的存储深度不小于600采样单元，则实现的多散射点最大延时量2 μs，即通过数字抽头延时单元可实现面目标的多个散射点之间的位置关系模拟，实现的最小距离模拟为0.5 m。

面目标多散射点的幅度(功率)模拟范围由DAC的位数决定，本方案采用的高速DAC为14 bit位宽，可实现大于50 dBc的功率变化范围。

DDS模块的工作主时钟频率为FPGA内部工作时钟频率的2倍频，为600 MHz，匹配FPGA内部工作速率，输入频率控制字是32 bit，可以实现精度为600 MHz/(232-1)=0.14 Hz的频率变化。DDS模块输入端有符号控制位，可以控制输出得到cos(ωdt)+jsin(ωdt)和cos(ωdt)-jsin(ωdt)，得到正负频率，可实现-3～+3 MHz的频偏要求。

图9 STMFCW面目标回波仿真信号Fig.9 Figure of area target echo simulation signal for STMFCW fuze

图10 16个散射点模拟18 MHz附近多普勒域Fig.10 Doppler freguency area near 18 MHZ simulation by 16 scattering points

3.4 系统验证

基于数字射频存储技术的对称三角连续波调频引信回波模拟器在实验室完成测试，测试方法如图11所示。

根据以上设计计算，该模拟器的回波模拟精度及能力如下表1所示。

图11 系统测试框图Fig.11 Block schematic of system testing

变频器固有延迟/nsDRFM单元固有延迟/nsDRFM最大可变延迟/μs距离模拟分辨力/m功率动态范围/m多普勒频偏/分辨率/Hz≤30≤404000.550±3×106/0.14

由表1可知，该模拟器可实现±3 MHz范围内由于多普勒效应引起的频率偏移，70 ns～400 μs的数据延迟，3.3 ns的延时步进以及50 dB的回波信号动态范围模拟，此外通过设置变频器中心频率可实现C、Ka、Ku等常用波段STMFCW引信回波模拟。以Ka波段8毫米波STMFCW引信为例，在考虑所模拟回波功率的情况下，该模拟器能够以0.5 m的距离步进进行约10.5～60 m弹目距离范围内的回波模拟，且能够以不大于0.1 m/s的速度分辨率实现1 800 m/s以内的弹目交会速度模拟。

4 结论

本文提出了基于数字射频存储技术的对称三角连续波调频引信面目标回波模拟器。该模拟器采用射频直采技术对引信发射信号经频谱下搬移的射频信号进行采样，由高速数字信号处理器实现对采样信号的精确时延，并采用多个散射点独立进行多普勒频率调制、幅度及相位调制，结合多散射点合路的处理方式，实现引信面目标回波模拟。经仿真及实验室测试表明：该模拟器能够以0.5 m的距离分辨率实现约10.5～60 m距离范围内的弹目距离模拟，能够以0.14 Hz的频率分辨率在±3 MHz多普勒频偏范围内实现弹目速度模拟，模拟回波信号具有50 dB动态范围且具有与所截获引信发射信号相参、相关且“高保真”的回波特性。

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Echo Simulator of Area Target Based on DRFM

ZHANG Ke1，WANG Zhen1,SHU Jiantao2, WANG Zhongyang1，ZHANG Xiang1

(1.Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi’an 710065，China; 2.Information Commanication of Dezhou Municipal Public Sesurity Bureau, Dezhou 253013, China)

An echo simulator of area target based on DRFM was put forward to solve the problem of coherent property between transmit and simulation echo signal,and the precision of simulation echo signal in range,power,velocity for radio fuze. Firstly,The spectrum of transmitting signal was made down frequency by direct RF sampling technology.And then，using the Doppler frequency modulation,amplitude,phase modulation and multi-channel mixing method,the sampled time discrete signal was processed by the DSP.Finally,the echo simulation signal for radio fuze was fulfilled.The prototype test result showed that the simulator could realize the high-precision range,velocity and power simulation for radio fuze,and the echo simulation signal had the coherent property with the original transmit signal.

symmetric triangular frequency modulation continuous wave fuze；digital radio frequency memories； echo simulator of area target

2016-05-15

张珂(1983—)，男，甘肃金昌人，硕士，研究方向：无线电引信信号处理。E-mail：32578792@qq.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)05-0015-07