通用雷達信號場(chǎng)景系統的研制

摘要 為滿(mǎn)足多種型號雷達系統測試的要求，場(chǎng)景系統必須能產(chǎn)生多體制、高質(zhì)量的雷達信號。提出一種通用雷達信號場(chǎng)景系統方案，以AWG7082C任意波形發(fā)生器、E8267D矢量信號源及N9030A矢量信號分析儀組成的具有校準功能的寬帶信號調制系統，使用安捷倫Pulse Build ing軟件編輯生成一系列常見(jiàn)的雷達信號。實(shí)驗證明，該系統可生成多種體制高質(zhì)量的雷達信號，特別是系統經(jīng)校準后大幅抑制了鏡頻的影響，滿(mǎn)足大多數雷達系統測試需要。

隨著(zhù)雷達系統復雜性的不斷提高，日臻成熟的復雜調制技術(shù)也大量應用于雷達系統中。對雷達測試所使用激勵設備的信號質(zhì)量提出更高的要求，給現有測試儀器帶來(lái)挑戰。傳統雷達信號場(chǎng)景系統只結合某一種基帶信號發(fā)生器和射頻微波調制器實(shí)現，適用于特定型號雷達系統測試，難以產(chǎn)生多種雷達或調頻、編碼等特殊體制波形的信號，無(wú)法與其它系統測試共享設備。為解決傳統測試的弊端，提出了一套高性能、高性?xún)r(jià)比、高可重復性的通用雷達信號場(chǎng)景系統方案。

1 雷達場(chǎng)景信號特點(diǎn)

雷達系統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，到高分辨率雷達使用的毫米波，一些激光雷達的載波甚至近百GHz。但多數雷達系統在20 GHz以下頻率運行。根據信號特征，雷達主要分脈沖雷達與連續波雷達兩大類(lèi)，而脈沖雷達是目前使用最廣的一種。

1.1 脈沖壓縮技術(shù)

根據基本雷達方程，距離會(huì )隨著(zhù)發(fā)射功率提高而最大化，空間分辨率則會(huì )隨著(zhù)發(fā)射信號脈寬變窄而提高。采用脈沖壓縮技術(shù)的雷達之所以可以提高威力距離，是由于其發(fā)送較長(cháng)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)被廣泛應用于當今脈沖式雷達系統中。

1.2 實(shí)現脈沖壓縮方法

脈沖壓縮要求對雷達脈沖進(jìn)行內部調制脈沖壓縮方法主要有：線(xiàn)性調頻(LFM)和相位調制。

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

相位編碼又稱(chēng)“相位調制”，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(cháng)決定，而空間分辨率則由每個(gè)符號時(shí)長(cháng)決定。在二進(jìn)制相位編碼中，載波的相位在0°～180°之間變化，在對準不完美時(shí)，自動(dòng)相關(guān)度會(huì )比較低。如Barker碼是一種應用較廣泛的相位編碼方法。

無(wú)論發(fā)射信號的脈沖相位特點(diǎn)如何，接收的回波信號是由多個(gè)相位疊加信號組成。這是由于將有多個(gè)任意延遲的目標回波，來(lái)自相同目標由于多路徑引起達到時(shí)間不同而產(chǎn)生多個(gè)回波，目標相對速度引起的多普勒效應頻移、發(fā)射機本身產(chǎn)生各類(lèi)噪聲雜波，目標的RCS也會(huì )引起回波的幅度和相位的瞬時(shí)變化，因此回波信號復雜程度遠大于發(fā)射信號的情況，而雷達信號場(chǎng)景系統就是要盡可能還原或模擬這些復雜信號環(huán)境。

2 雷達場(chǎng)景信號系統的工作原理

2.1 雷達場(chǎng)景信號生產(chǎn)方法的討論

基本可以通過(guò)使用現有的常用激勵設備，有3種不同的方法可以生成雷達信號：

(1)內部寬帶調制。僅需一臺可直接輸出已調載波的雷達射頻微波信號的高性能激勵設備。除某些濾波器或放大器外，不要求其他信號處理模塊。系統組成最簡(jiǎn)單，但現有激勵設備難以實(shí)現。泰克AWG70000系列任意波形發(fā)生器可實(shí)現直接輸出雷達射頻微波信號，但價(jià)格昂貴。

(2)內部窄帶調制。采用一臺可產(chǎn)生相對較低載頻的已調制信號的高性能激勵設備。在半實(shí)物仿真環(huán)節，中頻可以直接應用到接收機或發(fā)射機的某個(gè)信號處理模塊上。在其他情況下，必須使用上變頻器模塊到達最后載頻?？刹捎冒步輦怑8267D矢量信號發(fā)生器實(shí)現，但輸出信號的調制帶寬都會(huì )受到調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(mǎn)足目前雷達系統測試的需求。

(3)外部寬帶調制。激勵設備生成基帶信號經(jīng)過(guò)外部調制后射頻輸出。簡(jiǎn)單信號通過(guò)控制某個(gè)載波的包絡(luò )來(lái)生成脈沖，單通道激勵設備輸出信號被應用到AM調制器上。對要求復雜數字調制或快速掃頻的信號，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)現最簡(jiǎn)便的解決方案是正交調制器。其要求兩路I、Q基帶信號。這兩個(gè)基帶信號通過(guò)一臺擁有兩條通道的激勵設備或經(jīng)同步后的兩臺單通道激勵設備生成?？僧a(chǎn)生信號帶寬可達2 GHz，但寬帶正交調制對I/Q不平衡或正交誤差特別敏感。必須要經(jīng)過(guò)校準后，才能獲得優(yōu)質(zhì)信號。由于性?xún)r(jià)比較高，是目前大多數雷達場(chǎng)景系統的首選。

2.2 信號場(chǎng)景的系統組成

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

由于雷達的某些基帶信號(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)，FM線(xiàn)性調頻、QPSK/QAM及大多數情況下UWB、OFDM信號的基帶生成都要求正交調制器，因為必須同時(shí)控制載波的瞬時(shí)幅度和相位。仿真包括目標特點(diǎn)、多路徑、多普勒頻移、噪聲和人為干擾效應的實(shí)際雷達回波要求正交調制。因為同時(shí)有I和Q信號，所以基帶信號的生成需使用雙通道AWG 7082C任意波形發(fā)生器。

對正交調制的雷達信號，兩個(gè)基帶信號I和Q成分必須輸送到外部調制器，安捷倫E8267D矢量信號源就充當了外部調制器的角色。通過(guò)正交調制，甚至可以仿真頻率捷變雷達系統，因為基帶信號可能會(huì )位于外部調制器調制帶寬內任何地方，擁有瞬時(shí)頻率開(kāi)關(guān)功能，沒(méi)有PLL引起的瞬態(tài)信號。E8267D矢量信號源也可不接入外部?jì)陕稩、Q信號，而進(jìn)行內部窄帶調制方式。但由于產(chǎn)生信號帶寬僅80MHz，難以滿(mǎn)足很多雷達系統測試需求。

進(jìn)行外部寬帶正交調制時(shí)，I和Q信號之間的匹配對調制質(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信號的質(zhì)量，兩通道間的均勻性、平坦度和相位線(xiàn)性度。但正交調制器通常是系統中的薄弱環(huán)節，寬帶正交調制器響應是達不到平坦的，內部I/Q不平衡，可能要遠高于任意波形發(fā)生器輸出兩路I、Q信號。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)導致鏡頻產(chǎn)生，這些非期望的鏡頻提高了噪聲，降低了調制質(zhì)量。因此，系統采用安捷倫N9030A信號分析做校準設備，進(jìn)行校準及差分校正信號會(huì )降低正交誤差或不平衡引起鏡頻影響。此外，還應特別注意的任意波形發(fā)生器輸出到外部調制器的I、Q信號必須要使用盡量等長(cháng)的低損耗、低駐波、穩相電纜傳輸，而電纜不等長(cháng)引起鏡頻可通過(guò)改變任意波形發(fā)生器通道延遲參數或經(jīng)專(zhuān)門(mén)軟件校準后進(jìn)行補償。

3 創(chuàng )建雷達場(chǎng)景信號波形

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(kāi)發(fā)一款脈沖信號生產(chǎn)軟件，與寬帶任意波形發(fā)生器和矢量信號發(fā)生器搭配使用(Wideband IQ with Calibration PSG模式)，可生成載頻高達44 GHz、帶寬高達2 GHz的波形。該軟件校正引擎與16位ARB和PSG結合，可為用戶(hù)提供44 GHz的動(dòng)態(tài)范圍。

簡(jiǎn)單的界面構造不但可以靈活地創(chuàng )建、存儲和調用復雜的寬帶脈沖碼型，也可導入Agilent ADS和Matlab創(chuàng )建的脈沖定義文件。情景模式可進(jìn)行詳細設置：每段波形可以設置脈寬、上升/下沿時(shí)間、占空比、抖動(dòng)時(shí)間、抖動(dòng)類(lèi)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、重復間隔、重復數量、頻率、相位、功率偏置、幅度ALC和游標等。

3.2 儀器校準和信號校正的軟件方法

如圖4為校準設置界面。系統采用SSB的12音頻信號作為測試校準信號，因為其可在整個(gè)調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制頻率的相位和幅度匹配程度。在設置自動(dòng)校準后，自動(dòng)調用N9030A信號分析儀測得與調制頻率有關(guān)的正交誤差和不平衡，使AWG7082C生成差分校正信號，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)對已經(jīng)預先校正的信號重復進(jìn)行校準，獲得更好的結果。

4 結束語(yǔ)

該雷達信號場(chǎng)景系統可生成載頻高達44 GHz，帶寬達2 GHz生成多種體制復雜的雷達信號。由于設備參數漂移的影響，會(huì )導致校準數據有效周期較短，每次開(kāi)啟系統前須進(jìn)行的設備校準和信號校正，但確保了系統輸出的雷達射頻信號有良好的品質(zhì)。目前，該雷達信號場(chǎng)景系統已正式投入到多個(gè)型號雷達產(chǎn)品研制階段中，對方案驗證與改進(jìn)、系統測試、產(chǎn)品驗收等方面工作起到了重要的作用。