基于軟件無線電的電子偵察設備電氣數字樣機建模技術研究

宋悅剛，徐利兵，侯智鵬，侯仁波

（中國電子科技集團公司29所，成都 610036）

0 引 言

參照目前較成熟的結構數字樣機，本文定義反映電子偵察設備電氣特征的仿真系統為電氣數字樣機。電氣數字樣機是對電子偵察設備的工作原理、時序、控制邏輯以及具體設計實現的建模仿真，主要完成電子偵察設備功能、性能的預測性仿真設計，提前發現問題、解決問題。

理想狀態的電氣數字樣機為了能夠反映電子偵察設備的電氣特征，其信號采樣帶寬應該滿足采樣定理。但局限于現有的軟硬件系統，滿足采樣定理的仿真系統運行速度慢，尤其針對帶寬大的電子偵察設備不具有廣泛應用價值。目前針對帶寬大的設備只能分級建立電氣數字樣機并逐級細化，直至滿足各個階段的設計要求。

本文定義的基于軟件無線電技術的中頻信號仿真系統是電子偵察設備的電氣數字樣機之一。目前基于軟件無線電技術的中頻信號仿真系統已經成熟，但中頻信號仿真系統與射頻系統的聯合仿真目前尚無統一的解決方案。本文提出的基于軟件無線電技術的電氣數字樣機構建技術，是對中頻信號仿真系統與射頻系統聯合仿真的解決途徑之一。

通過構建基于軟件無線電技術的中頻信號仿真系統，集成射頻設計和中頻信號處理設計，測試驗證射頻設計對中頻信號處理的影響，測試系統邏輯時序是否滿足系統設計需求。

建設基于軟件無線電技術的中頻信號仿真系統會碰到輻射源種類繁多、信號體制多樣、作戰對象輻射源的頻段分布廣泛、電子偵察設備帶寬大的問題。本文提出一種基礎的敏捷設計框架，針對性地解決上述問題，從而能夠構建反映電子偵察設備特征的電氣數字樣機，測試和驗證系統和專業設計。

1 電氣數字樣機解決方案

1.1 敏捷設計框架

通過構建基于知識模型的敏捷設計框架，實現電子偵察設備的多專業知識模型的集成設計，實現基于知識模型的電子偵察設備的方案優化技術。

基于知識模型的敏捷設計框架包含的模型包括：

（1）作戰對象模型，包括各種地基、海基和空基雷達模型。

（2）作戰場景模型，包括各種雷達模型搭載平臺的運動模型及與電子偵察設備搭載平臺的相對運動關系，有時甚至包括空間天氣模型、天線專業模型、射頻專業模型、信號處理專業模型等。

電子偵察設備的工作頻段寬達幾十GHz，如果直接采樣，則仿真數據量大、運行速度緩慢。基于軟件無線電技術的中頻信號仿真系統前端采用帶通采樣定理，減小作戰對象輻射源的信號采樣帶寬，帶有載頻信息的中頻信號通過天線和射頻設計模型處理后，通過等效合成恢復為電子偵察設備的中頻信號，并送入信號處理模型，如圖1所示［1］。

因為電子數字樣機對抗仿真系統的建模限制（包括了計算資源限制、仿真時間限制等）導致系統采樣率小于信號處理專業模型的輸入信號帶寬，使得射頻專業模型的輸出不能直接作為信號處理專業模型的輸入，而必須做一次轉換，將多路射頻專業模型轉換合并成信號處理專業模型的輸入。通過使用等效合成模型，可以完成上述轉換。

1.2 等效合成模型

等效合成模型主要完成多路信號的上采樣和頻率中心的移動。通過上采樣，將輻射源發射信號的采樣率變為與信號處理專業模型的輸入信號采樣率相等；通過頻率中心的移動，體現電子偵察設備對接收信號下變頻的處理結果。

電子偵察設備電氣數字樣機對抗仿真系統如圖1所示。在系統建模時，為節省計算資源、提高運行速度，整個系統的仿真采樣率設定為fs。

信號處理模型的輸入信號采樣率為fsi，因此需要將fs的信號上采樣至fsi。對fs的信號上采到fsi，采樣前后的時域信號形式如圖2所示。采樣點少的線表示采樣率為fs的信號，采樣點多的線表示上采樣至fsi信號。

信號上采樣完畢后，需要對信號中心頻率進行遷移，才能完成信號的等效合成。雷達發射信號波形的中頻采樣信號的數學表達式為［2］：

對實信號通常通過Hilbert變化后，對實部和虛部加以處理而改變信號的中心頻率，處理過程如下所示：

而在SystemVue中，復包絡信號已經是經過Hilbert變化后的信號，因此直接對復包絡信號的實部和虛部加以調制，即可改變復包絡信號的中心頻率。

對采樣頻率fs的信號上采樣到fsi，并將復包絡信號的中心頻率由10MHz變為30MHz，信號的時域對比圖如圖3所示。

圖2 信號上采樣前后的時域信號對比

圖3 信號中心頻率由10MHz變為30MHz前后對比圖

例如某個數字樣機對抗仿真系統其系統采樣率為fs，而信號處理專業模型的采樣率為fsi。經過射頻專業模型處理后輸出的信號是采樣率為fs的信號，信號的載頻和幅度發生了變化。如果考慮諧波和交調，則會產生多路這樣的信號。這時需要將多路小帶寬、低采樣率的信號轉換成1路大帶寬、高采樣率的信號。

假設2個輻射源的信號通過射頻專業模型后，生成了4個信號。其中信號1的中心頻率在F1，幅度為1；信號2的中心頻率在F2，幅度為0.5；信號3的中心頻率在F3，幅度為1／3；信號4的中心頻率在F4，幅度為0.25。

等效合成模型就是將射頻專業模型輸出的4路fs的信號轉換成采樣率為fsi的合成信號。信號處理專業模型的輸入信號應該是上述信號之和，其時域信號和頻譜如圖4所示。

圖4 信號處理專業模型輸入信號

2 電氣數字樣機功能

2.1 驗證射頻設計對中頻信號處理的影響

電子偵察設備的電氣數字樣機能夠驗證系統的工作時序、處理流程、控制邏輯，能夠驗證電子偵察設備的告警效能、虛警概率等。典型電子偵察設備的電氣數字樣機如圖5所示。

在此系統中集成了射頻模型、信號處理模型。通過使用SystemVue軟件的RF＿LINK模塊集成了射頻設計模型，如圖6所示。集成的射頻設計包括了前端接收機、射頻分頻器、瞬時測頻（IFM）模塊和變頻模塊。

圖5 典型設備的電氣數字樣機

圖6 典型設備的射頻專業數字樣機模型

整個系統的工作流程為：輻射源信號經過戰場環境模型、天線模型、前端接收機、射頻分配器后，送入瞬時測頻（IFM）模型進行處理。處理信號如圖7所示。

通過構建電子偵察設備的電氣數字樣機，可以提前測試和驗證這種信號對IFM模型的影響，從而修正射頻專業設計［3］。如圖8所示，輸入信號噪聲電平過高造成IFM模型測頻無輸出或者輸出信息錯誤。目前電氣數字樣機中發現此問題，在實際設備的調試中也遇到此問題，從而證明通過建設電子偵察設備的電氣數字樣機模型，可以提前驗證系統的功能、性能等，提前進行射頻設計與信號處理設計的協同仿真驗證。

圖7 IFM模型的輸入信號

圖8 IFM模型的輸出信號

2.2 驗證系統邏輯時序

電氣數字樣機通過對電子偵察設備的模塊組成、控制時序、處理邏輯建模，可以測試、驗證系統邏輯時序，針對偵察在戰場環境下的響應，對整個系統的工作時序劃分、邏輯控制處理的體制框架、對系統功能需求的支撐進行驗證，從系統整體的角度對設計方案的合理性進行一定的評估。

某電子偵察設備的電氣數字樣機在圖9所示的仿真場景中進行測試。在此仿真場景中有2部脈沖多普勒（PD）雷達、1部有源相控陣雷達。PD雷達保持跟蹤狀態，有源相控陣雷達在仿真過程中由測距＋搜索模式轉入搜索＋跟蹤模式。

通過建設電子偵察設備的電氣數字樣機，可以統計輻射源脈沖融合成功率。輻射源脈沖融合成功率指預處理模塊中完成測向融合的脈沖描述字（PDW）的數目與超過截獲接收機靈敏度的PDW數目之比，反映電子偵察設備接收機的偵收效率。有源相控陣雷達的輻射源脈沖融合成功率如圖10所示。由圖10可知，有源相控陣雷達脈沖融合成功率最高為100%，最低為45%。

綜上所述，通過建設電子偵察設備的電氣數字樣機，可以有效評估電子偵察設備接收機的偵收效率，為接收機設備的選型提供參考和仿真驗證。

圖9 仿真場景1示意圖

圖10 AESA雷達脈沖融合成功率統計圖

2.3 分析、驗證信號處理模塊功能

通過建設電子偵察設備的電氣數字樣機，集成實際設備中的嵌入式軟件信號處理算法，驗證信號分選識別算法的告警效能，測試和驗證系統設計的虛警概率，從而為系統改進提供思路。

對電子偵察設備的電氣數字樣機進行測試。仿真0.29s時，方位13.6°的有源相控陣雷達的告警結果存在虛警現象。分析信號分選識別算法模型的中間記錄數據，發現現象起因是在0.29s時，PD雷達的脈沖融合成功率為45%，沒有成功測向的PDW占一半多，從而導致信號分選識別算法出錯。

圖11為仿真過程截圖，上半部分表示截獲接收機，下半部分表示測向接收機。通過分析仿真過程數據，發現當2部雷達重頻參數相近且發射時間相同時，容易產生告警結果重頻信息錯誤。這種現象尤其容易發生在雷達參數是高重頻的情況下。如圖11所示，接收機規律性地丟掉脈沖，引起了輻射源告警結果的重頻信息錯誤。內場測試時，上述仿真結果得到了測試數據的驗證。

圖11 0.29s時截獲和測向接收機偵收狀態

上述分析說明，通過建設電子偵察設備的電氣數字樣機模型，集成實際設備的分選識別算法，可以提前驗證分選識別算法的有效性，驗證系統設計的告警率和虛警率。

3 結束語

針對電子偵察設備構建電氣數字樣機（基于軟件無線電技術的中頻信號仿真系統），進行系統組成模塊建模、控制邏輯建模、處理時序建模，完成系統設計驗證、專業設計驗證、系統功能驗證。電氣數字樣機主要支持系統論證、設計工作，支撐產品多概念選擇方案的設計、論證和選擇。電氣數字樣機針對電子偵察設備在戰場環境下的響應，對整個系統的工作時序劃分、邏輯控制處理的體制框架、系統功能需求的支撐進行驗證，從系統整體的角度對設計方案的合理性進行一定的評估。

［1］ 張景林，盛龍，陶佰睿.基于Systemvue的 MFCC特征參數提取［J］.齊齊哈爾大學學報（自然科學版），2009（3）：46-48.

［2］ 李祖賀，田二林，張堯.基于Systemvue的直序擴頻通信仿真［J］.鄭州輕工業學院學報（自然科學版），2007（S1）：158-161.

［3］ 黃文準，王永生，王頂.混合擴頻技術在低軌衛星測控鏈路中的仿真［J］.測控技術，2009（7）：99-101.