基于DSP 与FPGA 的LPI 辐射源信号仿真系统
2020-12-19刘冬利
刘冬利，兰 慧
(海军大连舰艇学院 信息系统系，辽宁 大连 116018)
0 引 言
在对舰艇电子侦察设备进行性能测试时，需要提供逼真、多频段、多样式的LPI 辐射源信号环境。依赖仿真技术提供复杂多变的辐射源信号环境，因其成本低、重复性好的优点而广受关注。现有的LPI 辐射源信号仿真多采用信号级仿真，利用软件仿真方式，将信号从中频注入舰艇电子侦察设备。由于此方法产生的辐射源信号单一，无法在射频端对舰艇电子侦察设备性能进行测试，且在仿真过程只考虑了辐射源雷达天线的增益，而忽略天线波束扫描对辐射源信号功率带来的影响，导致无法模拟辐射源信号的动态变化过程，信号逼真度不够，影响了检测的全面性和真实性。因此，本文基于DSP 与FPGA 技术，采用半实物仿真的方法，设计了能够灵活产生多种调制样式的LPI 辐射源信号仿真系统。
1 LPI 辐射源信号仿真系统硬件实现
系统硬件采用模块化设计，硬件结构框图如图1所示。由于系统要快速产生多种样式辐射源信号，运算量大，实时处理能力要求高，具备一定的灵活性和通用性，因此采用Ti 公司的TMS320C6678型DSP 芯片，该芯片具有高性能体系结构，具有高运算精度、低功耗、低电压的特点，能对功率进行动态管理，再搭载ALTERA 公司的FPGA 芯片，以及AD 公司的AD9129 芯片共同组成宽带DDS 电路，控制并生成多种调制样式的基带信号。
图1 系统硬件模块化框图Fig.1 Block diagram of system hardware
1.1 主控单元
主控单元主要实现系统工作模式设置、参数配置、运行控制及工作状态监控等功能，为用户提供友好的人机交互界面，通过人机交互界面设置辐射源信号参数，包括辐射源类型、信号调制样式、工作频率等参数。通过PCIE 总线将信号参数传送到辐射源信号产生单元，控制辐射源信号的生成。
1.2 辐射源信号产生单元
辐射源信号产生单元主要由DSP、FPGA、高速D/A 以及存储电路构成，主要完成基带信号的生成，如图2 所示。
图2 辐射源信号产生单元组成框图Fig.2 Block diagram of radar emitter signals generation unit
DSP 接收主控单元传送来的信号描述参数，生成脉冲控制字，然后将脉冲控制字发送到SDRAM 进行存储。除此之外，DSP 还完成配置时钟芯片、配置数模转换芯片及自检等任务。FPGA 主要负责逻辑组合、时序控制，在上一个脉冲信号的脉冲重复间隔时间到来时，从RAM 中读取脉冲控制字，并利用DDS模块产生带宽大于300 MHz 的基带信号，包括常规脉冲、重频参差、线性调频、相位编码、脉间频率捷变、脉组频率捷变等基带信号，然后通过高速D/A 转换为模拟基带信号。在脉冲信号产生后，FPGA 将发送下一次中断给DSP。FPGA 还根据脉冲描述字，计算生成本振频率控制码、功放码和衰减控制码，控制辐射源信号的上变频和功率放大。
1.3 标频电路
标频电路由高稳定/低相噪100 MHz 晶振、分路器、谐波产生器、滤波器及放大器组成，为系统提供频率源基准信号和系统时钟信号。晶振选用相位噪声为−150 dBc/Hz@1 kHz、稳定度为10−7量级的高性能100 MHz 晶振。晶振输出信号通过分路器后分为两路，一路送往上变频电路做为上变频本振单元的基准信号，另一路通过谐波产生器，产生1 GHz 的时钟信号作为系统时钟信号。
1.4 本振及上变频电路
本振及上变频电路由PPL 频率合成器、混频器、开关滤波器组和匹配放大器组成。PLL 频率合成器接收标频电路提供的100 MHz 基准信号，在频率控制码的控制下倍频产生混频器所需的本振信号。基带信号通过滤波放大器滤除掉杂散频率分量后在混频器与本振信号进行混频。由于基带信号的中心频率只有1.25 GHz，而变频后的信号要求覆盖2 GHz，为提高信号质量，在混频器后采用开关滤波器组的方式进行滤波处理，匹配放大器将射频信号放大至高功率放大模块所需的输入功率电平。
1.5 高功率放大模块
高功率放大模块由放大器、程控衰减器、推动放大器和功率放大器组成。高功率放大模块主要对射频信号进行功率放大。程控衰减器由6 bit 程控衰减器来实现，衰减步进为0.5 dB，总衰减量达31.5 dB，根据衰减控制码控制射频信号的输出功率，实现天线扫描调制。考虑设备小型化和电路性质，功率放大器采用GaAs 宽带MMIC 固态功放实现，输出功率Po≥ 40 dBm。固态功放设计有电源调制功能，受功放码控制，当有信号输入时才提供电源，从而减小固态功放的加电时间，降低固态功放的工作占空比。
2 LPI 辐射源信号仿真系统数学模型
2.1 信号波形模型
2.1.1 固定载频信号
固定载频信号的载频在一个脉冲重复周期内保持不变，其数学表达式为：
2.1.2 线性调频信号
线性调频信号具有大时宽带宽积，具备良好的距离分辨力和较远探测距离。信号载频随时间可以做正斜率线性增大和负斜率线性减小。其数学表达式为：
2.1.3 相位编码信号
相位编码信号是将大时宽脉冲划分为数个窄子脉冲，每个子脉冲有相同的时间宽度且子脉冲间载频的相位按一定规律进行调制，其数学表达式为：
其中： φ(t) 为相位调制函数； a (t)为幅度调制函数；f0为载频。相位编码信号一般分为二相编码和多相编码，本系统选取最常用的二相编码进行研究。二相编码指 φ (t)取 值只 能为0 或 者π。
2.2 PA 模型
辐射源在运动的过程中，舰艇电子侦察设备接收到的辐射源信号功率不是固定不变，而是随着辐射源与舰艇电子侦察设备的相对位置及辐射源雷达天线扫描而发生变化。因此，要模拟真实的辐射源信号，需要对辐射源信号功率建立精确的数学模型。
2.2.1 距离模型
辐射源在运动过程，辐射源与舰艇电子侦察设备间的距离 R (t)随着时间变化，其数学表达式为：
其中： R0为辐射源与舰艇电子侦察设备的初始距离；v为辐射源的运动速度。
2.2.2 天线方向图模型
LPI 辐射源主要采用单脉冲体制，天线和波束用于发现、观察和跟踪目标，因此在对天线方向图进行模拟时，只考虑和波束。采用与和波束形状相似的辛克函数来模拟，其数学表达式为：
其中： k 为比例系数； θ为舰艇电子侦察设备与辐射源雷达天线波束轴的夹角； θ0为天线零功率波束宽度。
辐射源在跟踪状态时，天线波束正对舰艇电子侦察设备，此时 F(θ)=1；在搜索状态时，天线波束在一定范围内进行扫描， F(θ)为一变化值。当舰艇电子侦察设备在天线主波束照射范围内，舰艇电子侦察设备接收到的是天线主瓣辐射的信号，而其他时刻接收的是副瓣辐射的信号。从而当辐射源工作在搜索状态时，在一个天线扫描周期内，天线的方向图函数可以分段表示为如下形式：
其中： θmax为 波束扫描的最大张角； ω为天线波束水平扫描速度； Q为第一副瓣电平。
2.2.3 信号幅度衰减模型
根据侦察作用距离方程，在舰艇电子侦察设备处接收到的辐射源信号功率密度为：
其中： Pd为辐射源雷达发射功率； Gd为辐射源雷达天线增益； F(θ)为 归一化天线方向图函数； L为电磁波大气传播衰减损耗。
则辐射源信号的总衰减值为：
其中： Ps为系统射频输出信号的最大有效功率； Gs为系统辐射天线的增益； R模为系统与舰艇电子侦察设备的距离。A定由辐射源信号仿真初始值决定，其值在信号生成过程中不会发生变化，因此只需计算天线方向图 F(θ)和辐射源与舰艇电子侦察设备的相对位置 R(t) ，将 AdB转化为6 bit 衰减控制码就可以控制信号输出功率，从而动态模拟出辐射源运动过程，大大减少系统运算量，提高了实时性。
3 试验与仿真结果
以某舰载辐射源信号为例，对基于DSP 与FPGA 的LPI 辐射源信号仿真系统进行性能测试，信号参数如表1 所示，测试结果如图3 和图4 所示。
用频谱分析仪和示波器对系统产生信号进行测量，测得信号中心频率为9.50 GHz，带宽为10 MHz，信号的重复周期为500 μs，测量结果与设置的信号参数一致，系统产生的辐射源信号满足指标要求，验证了方案的可行性。
表1 某舰载辐射源信号参数列表Tab.1 Parameter of an shipborne radar emitter signal
图3 线性调频信号频谱图Fig.3 Spectrum of LFM signal
图4 线性调频信号脉冲宽度时域图Fig.4 Time domain plot of LFM signal
以某舰载反舰导弹末制导雷达信号参数为例，对辐射源信号的逼真度进行仿真比较。信号参数如表2所示，比较结果如图5 所示。
可以看出，系统产生的反舰导弹末制导辐射源信号能够模拟出反舰导弹搜索目标和跟踪目标过程中信号功率的变化，对辐射源信号进行动态模拟，信号逼真度高，为舰艇电子侦察设备识别信号行为特征性能检测提供高逼真度的信号环境。
表2 某舰载反舰导弹末制导雷达参数列表Tab.2 Parameter of an antiship missle radar emitter signal
图5 某舰载反舰导弹辐射源信号功率动态变化对比Fig.5 Comparison of radar emitter signal power
4 结 语
本文基于DSP 与FPGA 技术，设计LPI 辐射源信号仿真系统。系统采用硬件与软件结合的方式生成不同平台不同调制形式的LPI 射频辐射源信号，动态模拟辐射源搜索目标和跟踪目标的运动过程。相较于传统LPI 辐射源信号仿真系统，本系统模拟的LPI 辐射源信号逼真度高，设备运算快，实时性高，效费比低，能够为舰艇电子侦察设备性能及功能检测提供可靠的辐射源信号环境。
