一种基于AV1443矢量信号源的雷达信号发生系统设计方法

刘举 刘志林 费曰振 郝露华

摘  要：基于虚拟仪器技术，提出了一种通用的模拟雷达信号发生系统，使用Python语言设计控制程序控制AV1443矢量信号源，利用MATLAB仿真各类雷达信号得到相应的数据后，通过LAN网络将信号写入AV1443信号源中进行播放，实现雷达信号的产生，并通过一个具体示例展示该雷达信号发生系统的应用。该设计形式对于雷达信号模拟器模块化设计具有很好的借鉴意义。

关键词：虚拟仪器;雷达信号模拟;矢量信号源;复合调制

Abstract：Based on the virtual instrument technology，a general analog radar signal generating system is proposed. The control program is designed with Python language to control the AV1443 vector signal source. After simulating various radar signals with MATLAB，the corresponding data is obtained，and the signal is written into the AV1443 signal source through LAN network for playback，so as to realize the generation of radar signal with a specific example shows the application of the radar signal generating system. This design form has a good reference for the modular design of radar signal simulator.

Keywords：virtual instrument;radar signal simulation;vector signal source;composite modulation

0  引  言

现如今，雷达对抗装备在现代战争中是夺取战争胜利的关键因素之一，各国不断地投入资金和人力来研究、制造各种性能更加先进的雷达及雷达对抗装备。随着技术的不断发展，雷达及雷达对抗装备普遍具有工作频带宽、信号样式复杂和信号处理方法先进等特点，它们在战场中成体系的运用和对抗使得战场电磁环境日益复杂。在电子对抗中，雷达经常会作为辐射源使用，而不同的对抗环境对辐射源的要求差别较大，因此，一套能适应多种对抗环境的雷达信号发生系统具有很高的实用价值。本套系统的主要仪器AV1443矢量信号源由中国电子科技集团公司第四十一研究所提供，具有频带宽、信号样式丰富、精度高和可扩展等优点，能满足产生各种复杂雷达信号的需求。本单位根据实际对抗需要，设计了一套远控软件，使其能够产生所需的雷达信号，从而应用于多个对抗场景中。

1  设计原理

首先对需要产生的雷达脉冲信号进行编码，“1”表示高电平，“0”表示低电平，根据典型雷达信号样式，可设定每位编码代表脉宽为0.05 μs。信号样式编码后，利用计算机程序计算出相应的I/Q数据，然后经过Simulink仿真、重采样和滤波后，输入到AV1443矢量信号源，其D/A模块将数字信号转换为I/Q两路基带模拟信号输出，其I/Q调制模块则对I/Q两路基带信号进行正交载波的调制，将信号中心频率搬移至所需频段，最后输出雷达信号[1，2]。

在系统构成上，利用脉冲信号源、AV1443矢量信号发生器作为硬件平台，利用标准的I/O函数库NI-VISA作为控制接口，基于Python 3.7语言的进行控制软件开发，由控制软件调用MATLAB仿真计算得到的外部I/Q数据，通过LAN网络写入AV1443矢量信号源的I/Q存储器，由信号源发出真实的雷达信号。

1.1  系统硬件结构设计

基于AV1443矢量信号源的雷达信号发生系统连接图如图1所示。用一台性能较好的台式机作为雷达基带信号的产生器，利用MATLAB强大的计算功能和Simulink仿真模块，完成基带或中频模拟信号的计算和输出，送入AV1443矢量信号源后经过载频调制后输出射频信号。其主要的工作过程如下：在工控机控制界面上设置雷达信号的相关参数，通过网络传输给信号仿真机，信号仿真机通过对相应参数进行计算，得到基带信号I/Q数据后，通知工控机数据计算完成，工控机通过调用信号仿真机的计算结果，将结果写入AV1443矢量信号源，待结果写入完成后，工控机调用程控播放功能，结合脉冲发生器的控制，使AV1443矢量信号源产生射频输出信号。

1.2  控制软件的设计

系统的软件组成如图2所示。基于Python语言的软件开发环境配置的Python版本号为3.7。开发工具有Anaconda3、PyQt5、PyCharm、NI-VISA1800、NI-VXI1600，其中Anaconda3是集成工具包，PyQt5是图像界面开发工具包，PyCharm是一款Python集成开发工具，NI-VISA1800是美國国家仪器公司开发的一种屏蔽了底层硬件异质性的标准的I/O函数库。在开发过程中，可以充分利用Python语言简洁易懂、图形化用户界面编写容易的特点进行用户界面的开发。Simulink是MATLAB中一种可视化仿真工具，利用其操作简单、功能强大的特点，可实现动态建模、仿真和分析，本系统中Simulink就用于基带信号的建模和计算，最终得到我们需要的中频数据。

1.3  基于驱动程序的信号源控制模块设计

信号源的I/O函数库是实现仪器功能的控制函数和参数的集合，信号源在出厂时附带了相应的驱动程序。为兼顾控制软件的通用性，本系统采用一种标准化的NI-VISA函数库作为系统的驱动程序。远控软件建立在信号源驱动程序之上，用户通过主控软件设置信号参数，参数通过调用I/O函数库的指令形式发送至信号源，完成远程控制信号源产生雷达信号的任务[2]。本系统软件控制的流程如图3所示。

系统软件的主要功能是初始化仪器、生成并读取波形文件以及对相参、时钟、输出功率、触发源、中心频率等参数的设置。其中，波形回放功能在任意波的产生中起着至关重要的作用，它能通过调用波形发生器驱动程序的函数，对txt和WAV等格式的波形文件进行回放。因此，用户只需编辑波形文件的数据，然后通过波形回放功能即可产生所需的任意波。

2  对一种复合调制雷达信号的模拟与分析

利用本文设计的雷达信号产生系统可以生成复合调制信号，对该复合调制信号模型进行Simulink仿真后，可以将得到的信号数据送入AV1443矢量信号发生器进行播放，向外发射真实的复合调制信号，为进一步研究这类雷达信号特性提供真实场景。

以常见的线性调频信号和相位编码信号为例，来研究这两种信号复合调制后的信号特性。线性调频信号的复数表达式为：

由仿真结果可以看出，无论是在时域上还是频域上，复合调制信号都结合了两种单一调制信号的优点。

线性调频信号的带宽较大，进行脉压处理后有较大的输出旁瓣，但其匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，因此线性调频信号主要适用于多普勒频率变化范围较大且对旁瓣要求不高的场合;相位编码信号则具有很强的时延和多普勒分辨能力，且较容易实现波形捷变，但当回波信号的多普勒频移与匹配滤波器失谐时，无法实现脉冲压缩的功能，因此相位编码信号主要适用于目标多普勒频率变化不大的场合[3]。复合调制信号将会综合两者的优点，在多普勒频移较大的时候仍然具有较强的旁瓣抑制能力，这样就能提升雷达探测目标信号的能力。

3  结  论

本文设计了基于AV1443矢量信号源的雷达信号产生系统，该系统与通常的雷达信号系统相比主要有以下几个优点：

一是通用性，该系统能根据用户需要设置信号的输出功率、中心频率和调制方式等参数，且能实现全频带带宽覆盖。

二是能通过软件定义系统功能，系统升级更加方便，容易集成其他功能模块（如功放、发射分系统等）到系统中，扩充系统功能。

三是在雷达研发和试验阶段的测试中能有效利用矢量信号源，降低了开发成本。

参考文献：

[1] 徐梅.基于仪表的多通道雷达信号模拟器研究 [D].哈尔濱：哈尔滨工业大学，2012.

[2] 张艳艳.雷达相位编码信号的研究和应用 [D].西安：西安交通大学，2007.

[3] 皇甫堪，陈建文，楼生强.现代数字信号处理 [M].北京：电子工业出版社，2003.

作者简介：刘举（1994—），男，汉族，湖北仙桃人，技术人员，助理工程师，学士学位，本科，研究方向：雷达对抗。