多模式可重构复杂电磁信号环境模拟器研究

2019-01-19张坤峰

舰船电子对抗 2018年6期

张坤峰，梁晶，张允

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州 225101)

0 引言

现代信息化战争条件下，雷达和电子战装备面临的战场电磁环境日趋复杂，战场环境已由“海、陆、空、天”四维战场扩展到了“海、陆、空、天、电磁”五维战场，战场复杂电磁环境也成为雷达和电子战装备能否达到实战性能和能否发挥作战效能的重要考验。对雷达系统而言，现代雷达面临着复杂电磁环境下的多种威胁，雷达运动空间、散射特性、极化特性、频谱特性等方面呈现在复杂电磁环境下的生存已经成为决定战争双多样化的趋势[1]。对电子战系统而言，在复杂电磁环境下由于信号的交迭和参数的多变，现役的告警电子支援和情报侦察等电子战系统对威胁辐射源信号的识别都有虚警太多和漏警日益严重的问题，这关系到电子战系统在实战中的可用性和效能[2]。因此，只有在逼真的战场复杂电磁信号环境下，才能真正检验出雷达和电子战装备的实战性能和作战效能，为装备的作战使用提供真实可信的技术依据。利用雷达与电子战装备模拟仿真设备在内场、外场构建战场复杂电磁环境已成为检验雷达与电子战装备在复杂电磁环境下作战效能的必要手段之一，不但可满足装备研制、生产、调试、测试、试验、检验的需求，而且可训练和培训作战人员在复杂电磁环境下的作战装备使用技能。其中，雷达信号模拟器是现代信息化条件下构建密集、复杂多变电磁环境信号的必要手段[3]。随着雷达与电子战模拟仿真技术的发展，多模式、可重构已成为雷达与电子战装备模拟仿真设备的重要发展方向之一。多模式、可重构不但扩展了雷达与电子战模拟仿真设备的功能和用途，也决定了各种类型仿真模拟器研制成本和研制周期的控制程度。通常，为了节省成本，减少重复投资，缩短研制周期，必须采用可重构技术快速实现多种模拟器的研制，因此模拟器的构架必须是可重构的[4]。同时，模拟器的可重构能力也要通过对软件和硬件进行精心的系统设计获取[5]。本文结合工程实际，提出了一种多模式可重构复杂电磁信号环境模拟器，对复杂电磁信号环境模拟器的研制具有较好的技术参考价值。

1 战场复杂电磁环境

随着现代战场信息化的迅速变革和发展，各种电子信息系统释放的高密度、高强度、多频谱、多体制、动态变化的电磁波信号，构成了日益复杂的战场电磁环境。战场复杂电磁环境的复杂性是对战场电磁环境最本质特性的描述，是指在一定的战场时空范围内，自然电磁现象、人为电磁辐射、敌我双方激烈对抗等综合作用而形成的电磁环境，呈现出信号密集、种类繁杂、对抗激烈、动态变化等特性，包括多种辐射源的有限空间交织、无数作战装备在有限频谱资源中的密集分布、辐射源在时间上的时而密集时而静默、辐射源能量上时强时弱的动态变化等。战场复杂电磁环境涉及不同武器平台和安装在武器平台上的各种辐射源，以及作战装备所处的背景环境。其中，主要武器平台包括典型预警机、战斗机、无人机、战斗攻击机、电子战飞机和各种大、中、小型水面舰艇等，各平台的典型辐射源包括机载雷达、舰载雷达、地面防空雷达、火控雷达、导引头雷达、通信设备、电子战装备、数据链、联合战术信息分发系统(JTIDS)等。这些辐射源从时域、频域、空域、调制域、功率域等方面释放出动态变化的战场复杂电磁信号，体现了雷达及电子战装备在实战环境下面临的各种电磁辐射信号在频率、时域、频域、空域的分布状况。虽然构成战场复杂电磁环境的武器平台和武器装备辐射源众多而复杂，然而从雷达及电子战模拟仿真技术的角度而言，复杂电磁信号环境模拟可归结为各种体制雷达信号模拟、通信信号模拟、塔康信号模拟、敌我识别信号模拟、数据链信号模拟、GPS信号模拟和背景信号模拟等多个方面，并通过对复杂多变的战场作战场景规划，形成各种作战场景下的典型作战态势，利用作战场景驱动复杂电磁环境模拟器设备模拟产生雷达与电子战装备所面临的逼真、复杂、动态、贴近实际的战场复杂电磁环境。

2 数学模型

战场复杂电磁环境涉及各种体制雷达信号模拟、通信信号模拟、塔康信号模拟、敌我识别信号模拟、数据链信号模拟、GPS信号模拟、背景信号模拟以及战场作战场景规划、场景驱动模拟等方面，需要进行大量数学模型的建立和验证，本文仅从雷达信号、通信信号、塔康信号、敌我识别信号模拟方面，选择部分典型信号的数学模型加以阐述和探讨。

2.1 雷达信号模型

雷达装备种类和型号众多，典型的雷达装备包括机载雷达、舰载雷达、地面防空雷达、火控雷达、导引头雷达等，从雷达信号类型上来讲，又包括连续波雷达、常规脉冲雷达、脉冲多普勒雷达、重频滑变雷达、重频抖动雷达、重频参差雷达、频率捷变雷达、频率分集雷达、脉冲压缩雷达、各种组合体制雷达等，本文仅阐述部分典型雷达信号数学模型。

2.1.1 频率捷变信号模型

频率捷变信号主要包括脉间频率捷变信号和脉组频率捷变信号，2种典型信号的数学模型如下：

(1) 脉间捷变信号模型

脉间捷变信号模型可表达为公式：

(1)

式中：fn为第n个脉冲的载频，脉冲与脉冲之间的载频是跳变的；φ(t)为脉内调制，可以是调频、调相；Tr(n-1)为前(n-1)个脉冲的重复周期之和，由于每个脉冲的重复周期可能不同，并不等于(n-1)Tr；n为捷变点数。

(2) 脉组捷变信号模型

脉组捷变信号模型可表示为：

(2)

式中：fn为第n个脉组的载频，n为脉组总数，每个组内的M个脉冲的载频都是相同的，组与组之间的载频是跳变的；φ(t)为脉内调制，可以是调频、调相；Tr(m-1)为每个脉组中前(m-1)个脉冲的时间和；Tr(n-1)M为前(n-1)个脉组的时间之和。

2.1.2 脉冲压缩雷达信号

脉冲压缩雷达信号主要包括脉内调频信号和脉内相位编码信号，脉内调频信号又可分为脉内线性调频信号和脉内非线性调频信号等，几种典型信号的数学模型如下：

(1) 脉内调频信号

(a) 脉内线性调频信号

脉内线性调频信号模型可表示为：

(3)

式中：fi为每个脉冲的第i个子脉冲的载频；N为子脉冲的个数，每个子脉冲的载频是跳变的；φ(t)为信号相位，可以为脉内调频、调相，模拟脉内线性调频信号时，φ(t)可表达为公式：

φ(t)=±k(t-Tp/2)2

(4)

式中：Tp为脉冲宽度；k=±B/TP，为调频斜率，B为调制带宽，符号“±”表示调制斜率可正可负。

(b) 脉内非线性调频信号

脉内非线性调频信号模型可表达为公式：

(5)

根据f(t)的表达式可将结果分为不同的调制类型，如正弦、S型、三角等函数，利用正弦、S型、三角等函数作为脉内频率调制函数，可实现脉内正弦调频信号、脉内S型调频信号和脉内三角调频信号的模拟。

(2) 脉内相位编码信号

脉内相位编码信号模型可表达为公式：

(6)

式中：Tp为脉冲宽度；φ(t)为随时间调制的相位。

根据φ(t)的表达式定义相位调制类型和码型，常用的相位调制类型包括二相码和四相码，常用的二相码包括巴克码和M序列码、L序列码等伪序列码，常用的四相码包括泰勒码四相码、自定义码型等。

对于连续波雷达、常规脉冲雷达、脉冲多普勒雷达、重频滑变雷达、重频抖动雷达、重频参差雷达、频率分集雷达等雷达信号的数学模型，以及各种雷达天线扫描模型和天线方向图模型不做赘述。

2.2 通信信号模型

通信信号体制包括模拟体制和数字体制，其中模拟体制通信信号包括调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)、单边带(SSB)、双边带(DSB)、残留边带(VSB)、连续波(CW)等，数字体制通信信号包括移幅键控(ASK)、移频键控(FSK)、移相键控(PSK)、幅度键控(APK)、正交移相键控(QPSK)、正交频率多路区分传输(OFDM)等。本文仅简要阐述SSB、DSB、VSB、QPSK、OFDM几种典型通信信号的数学模型。

2.2.1 模拟体制通信信号模型

(1) SSB信号

单边带调制SSB信号的数学模型可表达为公式：

(7)

式中：“-”表示上边带信号；“+”表示下边带信号；Am为信号幅度；ωm为信号频率。

(2) DSB信号

DSB信号的数学模型可表达为公式：

SDSB(t)=m(t)cos(ωct)

(8)

式中：m(t)可以是确知信号，也可以是随机信号；ωc为载频。

(3) VSB信号

残留边带调制VSB信号的数学模型可表达为公式：

[M(w-wc)]H(w)

(9)

式中：“-”表示上边带信号；“+”表示下边带信号；H(w)为所需的残留边带滤波器的传输特性，H(w)应按残留边带调制的要求来进行设计。

2.2.2 数字体制通信信号模型

(1) QPSK信号

正交相移键控(QPSK)信号为又称为4PSK， QPSK信号的数学模型可表达为公式：

SQPSK(t)=Acos(ωct+φn)

(10)

(2) OFDM信号

OFDM信号的数学模型可表达为：

(11)

式中：Bk为第k路子载波的振幅，它受基带码元的调制；fk为第k路子载波的频率；φk为第k路子载波的初始相位。

2.3 塔康信号模型

塔康信号模拟涉及塔康信号-X信号、塔康信号-Y信号、主基脉冲群、辅基脉冲群、塔康信号-空地/空空模式、塔康信号-252个X/Y波道等的模拟。本文仅简要阐述塔康信号-X信号、塔康信号-Y信号、主基脉冲群、辅基脉冲群的信号模型。

(1) 塔康-X信号、塔康-Y信号

X频率为：962 MHz～1 024 MHz，1 151 MHz～1 213 MHz；

Y频率为1 025 MHz～1 150 MHz。

其信号波形如图1所示(X模式为脉冲对；Y模式为单脉冲)。

图1 塔康-X、塔康-Y信号波形示意图

其中，脉冲顶部的瞬时幅度不低于该脉冲最大幅度的95%，脉冲上升时间2.0±0.25 μs，脉冲下降时间2.5±0.50 μs，脉冲宽度3.5±0.50 μs。

(2) 主基脉冲群

X模式：由12个脉冲对组成，脉冲对间隔30 μs±0.1 μs；

Y模式：由13个单脉冲组成，脉冲间隔30 μs±0.1 μs；

主基脉冲群重复频率：15 Hz±0.03 Hz。

(3) 辅基脉冲群

X模式：由6个脉冲对组成，脉冲对间隔24 μs±0.1 μs；

Y模式：由13个单脉冲组成，脉冲间隔25 μs±0.1 μs；

辅基脉冲群重复频率：135 Hz±0.27 Hz；

辅基脉冲被主基脉冲锁相并同步，在时间上与主基脉冲群重合的位置上，应只出现主基脉冲群。

2.4 敌我识别信号模型

敌我识别信号模拟包括MARK X、MARK XII、MARK系列(MARK10/MARK12/MARK12 A)模式询问和应答信号、S模式等模拟。本文仅简要阐述MARK X:1、2、3/A、B、C、D的模型。MARK XII、MARK系列(MARK10/MARK12/MARK12 A)模式询问和应答信号、S模式等模拟模型不做赘述。

MARK X中的模式1、2为军用识别询问，模式3/A(简称A模式)为兼用军用识别和民用识别询问，模式B只用于民用识别，模式C用于高度询问；模式D为备用询问模式，常用A、C 2种模式。其询问信号的形式通常由3个脉冲(分别为P1，P2，P3)询问体制确定。即不同询问信号的模式由脉冲P1与脉冲P3之间的不同间隔确定。P1和P2间隔在任何模式都是2 μs±0.15 μs，其中P1～P3模式询问脉冲，询问波束主瓣辐射。P2为旁瓣抑制脉冲(控制脉冲，抑制副瓣方向上应答机的应答)控制波束辐射。MAPK X 询问模式信号格式如图2所示，脉冲信号询问形式如图3所示，P1～P3的脉冲间隔如表1所示。

图2 MAPK X 询问模式信号格式

图3 MAPK X脉冲信号询问形式

其中，P1到P3之间的间隔为P1和P3脉冲0.5电平处脉冲前沿之间的间隔，小数表示允许的公差。P1、P2、P3的0.5电平脉冲宽度均为0.8 μs±0.1 μs，脉冲前沿宽度(0.1到0.9电平)均为0.05 μs～0.1 μs，脉冲后沿(0.9到0.1电平)均为0.05 μs～0.2 μs。

表1 P1～P3的脉冲间隔表

3 技术实现

多模式可重构复杂电磁信号环境模拟器主要由场景规划及操控显示单元、可编程实时控制及高速数据交换单元、大容量存储及播放单元、任意波形产生器单元、变频滤波单元、射频通道单元、宽带精细步进捷变频率合成器单元、功放单元、天线单元和供电电源等组成，其系统组成如图4所示。

图4 系统组成框图

其中，场景规划及操控显示单元为一台高性能计算机系统，承担着多模式可重构复杂电磁信号环境模拟器的系统配置与操控显示、战场态势规划与场景设置、场景解算及战情分配、运行控制及状态显示等功能，是整个系统的控制中心。可编程实时控制及高速数据交换单元为场景规划及操控显示单元实际执行机构，主要完成系统各单元的实时控制和时序控制，同时具备高速数据交换能力，实现大容量存储及播放单元和任意波形产生器单元之间的大数据量实时传输。任意波形产生器单元用于产生各种体制雷达信号、通信信号、塔康信号、敌我识别信号，是战场复杂电磁环境信号产生的核心单元，具备任意波形产生能力和可编程能力。变频滤波单元主要是将任意波形产生器单元输出的包括雷达信号、通信信号、塔康信号、敌我识别等在内的基带复杂电磁信号变频为射频信号，并采取放大、滤波等措施，保证输出射频信号的质量。射频通道单元对变频滤波单元输出的射频复杂电磁信号进行大动态幅度调制。宽带精细步进捷变频率合成器单元为变频滤波单元提供上、下变频所需的本振信号。射频通道单元输出的射频复杂电磁信号经功放单元进行功率放大后，通过天线单元辐射至雷达与电子战装备。

多模式可重构复杂电磁信号环境模拟器具有实时信号模拟和信号回放2种工作方式，工作模式包括复杂信号模拟模式、雷达信号模拟模式、通信信号模拟模式、塔康信号模拟模式、敌我识别信号模拟等。基于现场可编程门阵列(FPGA)的动态可重构+数字信号处理器(DSP)软件动态加载的多模式可重构技术和基于高速DSP+高性能FPGA+高速数模转换器(DAC)的任意波形产生器技术是多模式可重构复杂电磁信号环境模拟器实现多模式、可重构能力的关键。

4 多模式可重构技术

为了实现模拟器的多模式、可重构功能，多模式可重构复杂电磁信号环境模拟器的可编程实时控制及高速数据交换单元、任意波形产生器单元中均采用了DSP器件和FPGA可编程逻辑器件。通过基于FPGA的动态可重构技术和DSP软件动态加载技术实现了模拟系统的多模式可重构。其中，通过FPGA动态可重构技术能够动态地使系统的可编程硬件快速重构为系统所需模式的相应功能固件；通过DSP软件动态加载技术，使系统软件快速更换，控制系统重构，并在多种模式之间切换。

可重构技术是近几年发展起来的一种基于可编程逻辑器件为硬件基础的新技术，可重构技术也将成为一个新的研究热点[6]。当试验发生变化时，模拟器能够从一种临时固定状态转换为另一种临时固定状态，这种状态转换称之为重构[7]。FPGA动态可重构技术可以在FPGA运行时对其进行全逻辑功能或部分逻辑功能的重新配置而不中止器件运行[6]。文献[8] 叙述了FPGA动态可重构技术原理和实现方法，文献[9]对FPGA动态可重构进行了部分重构实验。DSP软件动态加载技术也是目前较为成熟的软件重构技术之一，目前已经得到了普遍和广泛的应用。因此，不再对基于FPGA的动态可重构技术和DSP软件动态加载技术进行赘述。

5 任意波形产生器技术

任意波形产生器是一种多波形的信号发生器，它不仅能产生正弦波、指数波等常规波形，也可以表现出载波调制的多样化，产生调频、调幅、调相和脉冲调制等[10]。任意波形发生器用于产生各种制式的发射信号或者测试信号，在雷达、航天等领域具有重要作用[11]。基于DDS的任意波形产生器不但能实现高稳定度、高精度、高分辨率的要求，而且具有体积小、价格便宜等特点[12]。多模式可重构复杂电磁信号环境模拟器通过高速DSP、大规模FPGA、高速DAC构建了具有调频、调相能力的高速宽带DDS器件，实现了模拟器的任意波形产生器，可通过软硬件重构产生所需的各种信号波形。任意波形产生器单元组成原理如图5所示。

图5 任意波形产生器单元组成原理框图

任意波形产生器单元主要由高速DSP、大规模FPGA、高速DAC、光模块、千兆网模块、DDR3、FLASH、时钟电路、差分驱动、单端驱动及外围供电电路组成。其中，DSP选用TI高性能DSP-TMS320C6678；大规模FPGA选用Xilinx公司生产的V7 系列FPGA芯片；高速DAC选用ADI公司的ADC9739芯片，最高转换速率可达 2.5 GHz，转换数据位数可达 14 bit；光模块将光信号转换为电信号后通过差分信号与FPGA高速SERDES相连，在FPGA内实现相关通信协议转换；千兆网接口采用千兆以太网接口芯片实现；高速DSP和大规模FPGA还连接有DDR3芯片、FLASH和相应时钟电路；差分驱动和单端驱动分别采用LVDM1677和74LVCC3245实现。