可编程宽带噪声干扰源设计*

2020-07-09陈帅霖刘满国闫小东

弹箭与制导学报 2020年1期

陈帅霖，陈炜，吕芳，刘坤，刘满国，闫小东

(1 西安现代控制技术研究所, 西安 710065； 2 93811部队, 兰州 730000)

0 引言

为验证多个项目中雷达导引头的抗干扰性能，并方便在内场与外场兼顾使用，需要设计一款设置灵活、参数可调的宽带干扰源。噪声调频干扰具有较大的干扰带宽和较高的噪声功率，是目前阻塞式干扰中最常用的一种干扰形式，广泛的运用于对雷达、导引头、GPS、无线图传、遥测、无线通信等系统中[1]。

噪声调制信号发生器的实现方式有3种，分别为模拟式、数字式、混合式[2]。模拟式噪声调制信号发生器的调制信号与控制信号都通过模拟电路来产生，技术较为成熟，但功能单一，干扰样式固定；数字式噪声调制信号发生器的调制信号与控制信号都通过数字技术来产生，以直接数字频率合成器(direct digital synthesizer, DDS)为基础，具有较高的灵活性；混合式噪声调制信号发生器的调制信号由模拟电路产生，宽带干扰信号由DDS生成，兼顾了模拟调制随机性强和数字方式输出灵活的优点，但存在模拟调制噪声源单一的缺点[3]。

目前，国内大多数数字式噪声调制信号发生器中的噪声源信号都是通过调用函数库，利用超载函数完成调频功能，计算量大，运行速度慢，灵活性差；大多数模拟式噪声调制信号发生器中的噪声源信号都采用物理方法产生，随机性较好，但对外界环境较为敏感。文中研究一种基于DDS的纯数字噪声调频信号产生方法，生成的干扰波形具有严格的相干性和可重复性，对环境不敏感，并且具有高速、灵活、可控等优点，可满足在内场与外场对雷达导引头或其他信号灵活多变的干扰任务需求。

1 方案设计

1.1 系统方案

为了兼顾噪声调频信号与欺骗式干扰信号的生成，并保证信号产生速度与质量，采用专用DDS芯片AD9915进行干扰信号产生。系统有3个分系统：上位机系统、数字中频系统、射频系统。上位机系统用于输入指令，控制输出干扰信号的中心频率、带宽、功率等参数，控制数据存储与回放；数字中频系统用于产生宽带中频干扰信号，将干扰信号控制字存储至外部存储器，读取外部存储器中的干扰信号控制字并回放定制干扰，是系统的核心；射频系统用于上变频，将前级系统生成的中频干扰信号混频至所需射频频段[4]。系统框图如图1所示。

图1 系统总体框图

产生噪声调频干扰信号的流程如下：

首先，在FPGA内部产生符合高斯分布的随机序列。高斯随机序列的产生分为两个步骤：第一步，产生均匀分布的随机序列；第二步，根据中心极限定理，将均匀分布的随机序列处理成为高斯随机序列。

其次，将FPGA产生的高斯随机序列作为噪声源，依据系统输出要求，计算相应的DDS控制字，由DDS产生符合要求的中频宽带干扰信号。

最后，经过低通滤波、混频、带通滤波、功率放大，得到最终的射频输出噪声干扰信号。

在该方案中，通过FPGA，可以设置不同的干扰参数，控制DDS芯片实现欺骗式与压制式的多种样式的干扰。此外，还可以加载和存储定制干扰的DDS控制字，以生成定制干扰波形。

1.2 数字中频系统

数字中频系统是可编程宽带干扰源中的核心，主要功能是由FPGA生成高斯白噪声序列作为噪声调频信号的噪声源，由FPGA计算出相应的频率控制字，来控制DDS芯片产生宽带中频干扰信号。数字中频系统的原理框图如图2所示。

图2 数字中频系统框图

首先，由FPGA中的线性反馈移位寄存器，产生相对独立且均匀分布的伪随机序列。

其次，根据中心极限定理，利用伪随机序列产生符合高斯分布的随机序列，将此高斯随机序列作为噪声源。

再次，根据输入要求，如带宽、时宽、频率分辨率等参数，计算时宽范围内噪声调频信号的瞬时频率，由此得到DDS芯片控制字。

最后，将控制字输入DDS芯片，得到中频噪声调频信号。

2 关键技术及解决途径

2.1 噪声调频信号生成

噪声调频信号的时域表达式如下：

(1)

式中：vN(t)为高斯分布限带噪声；Am为载幅；fc为载频；Kf为调频指数；φ0为载相。

vN(t)的概率密度函数为：

(2)

式中：σv为噪声方差的均方根。

令ωc= 2πfc，则瞬时角频率ω(t)为：

ω(t)=ωc+KfvN(t)

(3)

功率谱GN(ω)为：

(4)

令Kfσv=ωde，Δω=ω-ωc=KfvN(t)，其中ωde为有效频偏，Δω为瞬时频偏，则有：

(5)

式中：P0为总功率，与载波总功率相同，为：

(6)

当有效调制指数mfe=Kkσv/Δfv≫1(其中，Δfv为噪声源带宽)，即当噪声源功率一定，所需输出带宽远大于噪声源带宽时，噪声调频信号的半功率频谱带宽Δf0.5可近似表示为：

(7)

由式(7)可得，噪声调频信号的带宽只与噪声调频斜率Kf及噪声源功率均方根σv有关，且成正比。一般FPGA生成的噪声源随机序列都会做归一化处理，所以只要控制Kf，就能得到所需的噪声调频信号带宽。

2.2 噪声源随机序列产生

要产生噪声调频干扰信号，先需要产生一个高斯白噪声随机序列，作为调频的噪声源。产生高斯随机序列分两步：首先产生均匀随机序列，再由该序列生成高斯随机序列[5]。

数字产生伪随机码的方式有许多种，其中M序列具有较理想的伪随机性，自相关函数尖锐，性能较好，最为常用[6]。并且大部分FPGA中都有现成的线性反馈移位寄存器(linear feedback shift register, LFSR)的IP核可以直接调用，用来生成均匀分布的随机序列十分方便，这里不再赘述[7]。

生成n个独立同分布的均匀随机序列X1,X2,…,Xn后，根据中心极限定理将其累计相加，再对相加的结果进行标准化处理，即可得到高斯随机序列[8]。假设生成随机序列的期望和方差为：

将X1,X2,…,Xn累加后，随机变量Yn满足：

(8)

Yn的分布函数Fn(x)对于任意x满足：

(9)

得到的结果服从高斯分布。n的取值越大，即用来累加的均匀分布随机数越多，变换得到的随机数越接近于高斯分布。