通用雷達(dá)信號(hào)場(chǎng)景系統(tǒng)的研制

摘要 為滿足多種型號(hào)雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試的要求，場(chǎng)景系統(tǒng)必須能產(chǎn)生多體制、高質(zhì)量的雷達(dá)信號(hào)。提出一種通用雷達(dá)信號(hào)場(chǎng)景系統(tǒng)方案，以AWG7082C任意波形發(fā)生器、E8267D矢量信號(hào)源及N9030A矢量信號(hào)分析儀組成的具有校準(zhǔn)功能的寬帶信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)，使用安捷倫Pulse Build ing軟件編輯生成一系列常見的雷達(dá)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可生成多種體制高質(zhì)量的雷達(dá)信號(hào)，特別是系統(tǒng)經(jīng)校準(zhǔn)后大幅抑制了鏡頻的影響，滿足大多數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試需要。

隨著雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷提高，日臻成熟的復(fù)雜調(diào)制技術(shù)也大量應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中。對(duì)雷達(dá)測(cè)試所使用激勵(lì)設(shè)備的信號(hào)質(zhì)量提出更高的要求，給現(xiàn)有測(cè)試儀器帶來(lái)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)場(chǎng)景系統(tǒng)只結(jié)合某一種基帶信號(hào)發(fā)生器和射頻微波調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，適用于特定型號(hào)雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試，難以產(chǎn)生多種雷達(dá)或調(diào)頻、編碼等特殊體制波形的信號(hào)，無(wú)法與其它系統(tǒng)測(cè)試共享設(shè)備。為解決傳統(tǒng)測(cè)試的弊端，提出了一套高性能、高性價(jià)比、高可重復(fù)性的通用雷達(dá)信號(hào)場(chǎng)景系統(tǒng)方案。

1 雷達(dá)場(chǎng)景信號(hào)特點(diǎn)

雷達(dá)系統(tǒng)使用的載頻范圍幾乎覆蓋了全部可用頻段，從2 MHz載頻的地波超視距雷達(dá)，到高分辨率雷達(dá)使用的毫米波，一些激光雷達(dá)的載波甚至近百GHz。但多數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)在20 GHz以下頻率運(yùn)行。根據(jù)信號(hào)特征，雷達(dá)主要分脈沖雷達(dá)與連續(xù)波雷達(dá)兩大類，而脈沖雷達(dá)是目前使用最廣的一種。

1.1 脈沖壓縮技術(shù)

根據(jù)基本雷達(dá)方程，距離會(huì)隨著發(fā)射功率提高而最大化，空間分辨率則會(huì)隨著發(fā)射信號(hào)脈寬變窄而提高。采用脈沖壓縮技術(shù)的雷達(dá)之所以可以提高威力距離，是由于其發(fā)送較長(zhǎng)的脈沖使得峰值功率一定時(shí)的平均功率會(huì)提高，同時(shí)在接收回波的處理中使用匹配濾波器進(jìn)行處理“壓縮”脈沖，會(huì)大幅提高雷達(dá)的空間分辨率。由于兼顧了作用距離和分辨率的兩方面要求，脈沖壓縮技術(shù)被廣泛應(yīng)用于當(dāng)今脈沖式雷達(dá)系統(tǒng)中。

1.2 實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮方法

脈沖壓縮要求對(duì)雷達(dá)脈沖進(jìn)行內(nèi)部調(diào)制脈沖壓縮方法主要有：線性調(diào)頻(LFM)和相位調(diào)制。

該技術(shù)采用線性快速掃描(LFM)或非線性快速掃描(NLFM)方法。由于線性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生和處理均較容易，其壓縮脈沖的形狀和信噪比對(duì)多普勒頻移不敏感，且技術(shù)成熟，因此雷達(dá)系統(tǒng)中多采用線性調(diào)頻信號(hào)作脈壓信號(hào)。而非線性調(diào)頻(NLFM)在帶寬方面具有某些優(yōu)勢(shì)，因此也可以改善接收機(jī)靈敏度、提高接收機(jī)上的信噪比。

相位編碼又稱“相位調(diào)制”，每個(gè)脈沖有一串較短的脈沖組成，其中載波相位有某個(gè)自動(dòng)相關(guān)度低的二進(jìn)制序列控制。平均功率由序列的總時(shí)長(zhǎng)決定，而空間分辨率則由每個(gè)符號(hào)時(shí)長(zhǎng)決定。在二進(jìn)制相位編碼中，載波的相位在0°～180°之間變化，在對(duì)準(zhǔn)不完美時(shí)，自動(dòng)相關(guān)度會(huì)比較低。如Barker碼是一種應(yīng)用較廣泛的相位編碼方法。

無(wú)論發(fā)射信號(hào)的脈沖相位特點(diǎn)如何，接收的回波信號(hào)是由多個(gè)相位疊加信號(hào)組成。這是由于將有多個(gè)任意延遲的目標(biāo)回波，來(lái)自相同目標(biāo)由于多路徑引起達(dá)到時(shí)間不同而產(chǎn)生多個(gè)回波，目標(biāo)相對(duì)速度引起的多普勒效應(yīng)頻移、發(fā)射機(jī)本身產(chǎn)生各類噪聲雜波，目標(biāo)的RCS也會(huì)引起回波的幅度和相位的瞬時(shí)變化，因此回波信號(hào)復(fù)雜程度遠(yuǎn)大于發(fā)射信號(hào)的情況，而雷達(dá)信號(hào)場(chǎng)景系統(tǒng)就是要盡可能還原或模擬這些復(fù)雜信號(hào)環(huán)境。

2 雷達(dá)場(chǎng)景信號(hào)系統(tǒng)的工作原理

2.1 雷達(dá)場(chǎng)景信號(hào)生產(chǎn)方法的討論

基本可以通過(guò)使用現(xiàn)有的常用激勵(lì)設(shè)備，有3種不同的方法可以生成雷達(dá)信號(hào)：

(1)內(nèi)部寬帶調(diào)制。僅需一臺(tái)可直接輸出已調(diào)載波的雷達(dá)射頻微波信號(hào)的高性能激勵(lì)設(shè)備。除某些濾波器或放大器外，不要求其他信號(hào)處理模塊。系統(tǒng)組成最簡(jiǎn)單，但現(xiàn)有激勵(lì)設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)。泰克AWG70000系列任意波形發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)直接輸出雷達(dá)射頻微波信號(hào)，但價(jià)格昂貴。

(2)內(nèi)部窄帶調(diào)制。采用一臺(tái)可產(chǎn)生相對(duì)較低載頻的已調(diào)制信號(hào)的高性能激勵(lì)設(shè)備。在半實(shí)物仿真環(huán)節(jié)，中頻可以直接應(yīng)用到接收機(jī)或發(fā)射機(jī)的某個(gè)信號(hào)處理模塊上。在其他情況下，必須使用上變頻器模塊到達(dá)最后載頻。可采用安捷倫E8267D矢量信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，但輸出信號(hào)的調(diào)制帶寬都會(huì)受到調(diào)制器或上變頻器的限制。雖然此種方式價(jià)格適中，但無(wú)法滿足目前雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試的需求。

(3)外部寬帶調(diào)制。激勵(lì)設(shè)備生成基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)外部調(diào)制后射頻輸出。簡(jiǎn)單信號(hào)通過(guò)控制某個(gè)載波的包絡(luò)來(lái)生成脈沖，單通道激勵(lì)設(shè)備輸出信號(hào)被應(yīng)用到AM調(diào)制器上。對(duì)要求復(fù)雜數(shù)字調(diào)制或快速掃頻的信號(hào)，必須控制瞬時(shí)載波的幅度和相位。在這種情況下，最靈活、實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)便的解決方案是正交調(diào)制器。其要求兩路I、Q基帶信號(hào)。這兩個(gè)基帶信號(hào)通過(guò)一臺(tái)擁有兩條通道的激勵(lì)設(shè)備或經(jīng)同步后的兩臺(tái)單通道激勵(lì)設(shè)備生成?？僧a(chǎn)生信號(hào)帶寬可達(dá)2 GHz，但寬帶正交調(diào)制對(duì)I/Q不平衡或正交誤差特別敏感。必須要經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，才能獲得優(yōu)質(zhì)信號(hào)。由于性價(jià)比較高，是目前大多數(shù)雷達(dá)場(chǎng)景系統(tǒng)的首選。

2.2 信號(hào)場(chǎng)景的系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用外部寬帶調(diào)制方式，先由激勵(lì)設(shè)備產(chǎn)生兩路I、Q基帶信號(hào)，然后通過(guò)外部寬帶正交調(diào)制后輸出雷達(dá)射頻信號(hào)，加入了校準(zhǔn)設(shè)備保證輸出雷達(dá)射頻信號(hào)的質(zhì)量。信號(hào)場(chǎng)景系統(tǒng)主要由泰克AWG7082C任意波形發(fā)生器、安捷倫E8267D矢量信號(hào)源及安捷倫N9030A信號(hào)分析儀3部分組成，如圖1所示。

由于雷達(dá)的某些基帶信號(hào)(Barker碼)要求載波抑制，瞬時(shí)相位可能會(huì)取兩個(gè)值(0°和180°或BPSK)，F(xiàn)M線性調(diào)頻、QPSK/QAM及大多數(shù)情況下UWB、OFDM信號(hào)的基帶生成都要求正交調(diào)制器，因?yàn)楸仨毻瑫r(shí)控制載波的瞬時(shí)幅度和相位。仿真包括目標(biāo)特點(diǎn)、多路徑、多普勒頻移、噪聲和人為干擾效應(yīng)的實(shí)際雷達(dá)回波要求正交調(diào)制。因?yàn)橥瑫r(shí)有I和Q信號(hào)，所以基帶信號(hào)的生成需使用雙通道AWG 7082C任意波形發(fā)生器。

對(duì)正交調(diào)制的雷達(dá)信號(hào)，兩個(gè)基帶信號(hào)I和Q成分必須輸送到外部調(diào)制器，安捷倫E8267D矢量信號(hào)源就充當(dāng)了外部調(diào)制器的角色。通過(guò)正交調(diào)制，甚至可以仿真頻率捷變雷達(dá)系統(tǒng)，因?yàn)榛鶐盘?hào)可能會(huì)位于外部調(diào)制器調(diào)制帶寬內(nèi)任何地方，擁有瞬時(shí)頻率開關(guān)功能，沒(méi)有PLL引起的瞬態(tài)信號(hào)。E8267D矢量信號(hào)源也可不接入外部?jī)陕稩、Q信號(hào)，而進(jìn)行內(nèi)部窄帶調(diào)制方式。但由于產(chǎn)生信號(hào)帶寬僅80MHz，難以滿足很多雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試需求。

進(jìn)行外部寬帶正交調(diào)制時(shí)，I和Q信號(hào)之間的匹配對(duì)調(diào)制質(zhì)量至關(guān)重要。盡管任意波形發(fā)生器擁有較高的過(guò)采樣率和高模擬帶寬改善了輸出兩路I、Q信號(hào)的質(zhì)量，兩通道間的均勻性、平坦度和相位線性度。但正交調(diào)制器通常是系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，寬帶正交調(diào)制器響應(yīng)是達(dá)不到平坦的，內(nèi)部I/Q不平衡，可能要遠(yuǎn)高于任意波形發(fā)生器輸出兩路I、Q信號(hào)。如圖2所示，I、Q兩路完美正交時(shí)鏡頻被抵消，正交不平衡時(shí)導(dǎo)致鏡頻產(chǎn)生，這些非期望的鏡頻提高了噪聲，降低了調(diào)制質(zhì)量。因此，系統(tǒng)采用安捷倫N9030A信號(hào)分析做校準(zhǔn)設(shè)備，進(jìn)行校準(zhǔn)及差分校正信號(hào)會(huì)降低正交誤差或不平衡引起鏡頻影響。此外，還應(yīng)特別注意的任意波形發(fā)生器輸出到外部調(diào)制器的I、Q信號(hào)必須要使用盡量等長(zhǎng)的低損耗、低駐波、穩(wěn)相電纜傳輸，而電纜不等長(zhǎng)引起鏡頻可通過(guò)改變?nèi)我獠ㄐ伟l(fā)生器通道延遲參數(shù)或經(jīng)專門軟件校準(zhǔn)后進(jìn)行補(bǔ)償。

3 創(chuàng)建雷達(dá)場(chǎng)景信號(hào)波形

3.1 使用Pulse Building軟件編輯波形

N7620B Signal Studio for Pulse Building是安捷倫公司開發(fā)一款脈沖信號(hào)生產(chǎn)軟件，與寬帶任意波形發(fā)生器和矢量信號(hào)發(fā)生器搭配使用(Wideband IQ with Calibration PSG模式)，可生成載頻高達(dá)44 GHz、帶寬高達(dá)2 GHz的波形。該軟件校正引擎與16位ARB和PSG結(jié)合，可為用戶提供44 GHz的動(dòng)態(tài)范圍。

簡(jiǎn)單的界面構(gòu)造不但可以靈活地創(chuàng)建、存儲(chǔ)和調(diào)用復(fù)雜的寬帶脈沖碼型，也可導(dǎo)入Agilent ADS和Matlab創(chuàng)建的脈沖定義文件。情景模式可進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置：每段波形可以設(shè)置脈寬、上升/下沿時(shí)間、占空比、抖動(dòng)時(shí)間、抖動(dòng)類型。此外，可以將每段不同波形添加到序列中，波形序列播放時(shí)間、重復(fù)間隔、重復(fù)數(shù)量、頻率、相位、功率偏置、幅度ALC和游標(biāo)等。

3.2 儀器校準(zhǔn)和信號(hào)校正的軟件方法

如圖4為校準(zhǔn)設(shè)置界面。系統(tǒng)采用SSB的12音頻信號(hào)作為測(cè)試校準(zhǔn)信號(hào)，因?yàn)槠淇稍谡麄€(gè)調(diào)制帶寬上估算有用的載波和非期望的鏡頻載波。由于鏡頻幅度將取決于一定調(diào)制頻率的相位和幅度匹配程度。在設(shè)置自動(dòng)校準(zhǔn)后，自動(dòng)調(diào)用N9030A信號(hào)分析儀測(cè)得與調(diào)制頻率有關(guān)的正交誤差和不平衡，使AWG7082C生成差分校正信號(hào)，在找到匹配的差分校正濾波器后，最終獲得I與Q成分之間的完美平衡和相位。也可通過(guò)對(duì)已經(jīng)預(yù)先校正的信號(hào)重復(fù)進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得更好的結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

該雷達(dá)信號(hào)場(chǎng)景系統(tǒng)可生成載頻高達(dá)44 GHz，帶寬達(dá)2 GHz生成多種體制復(fù)雜的雷達(dá)信號(hào)。由于設(shè)備參數(shù)漂移的影響，會(huì)導(dǎo)致校準(zhǔn)數(shù)據(jù)有效周期較短，每次開啟系統(tǒng)前須進(jìn)行的設(shè)備校準(zhǔn)和信號(hào)校正，但確保了系統(tǒng)輸出的雷達(dá)射頻信號(hào)有良好的品質(zhì)。目前，該雷達(dá)信號(hào)場(chǎng)景系統(tǒng)已正式投入到多個(gè)型號(hào)雷達(dá)產(chǎn)品研制階段中，對(duì)方案驗(yàn)證與改進(jìn)、系統(tǒng)測(cè)試、產(chǎn)品驗(yàn)收等方面工作起到了重要的作用。