基于軟件無線電的雷達電子戰系統設計研究

袁興鵬，陳正寧

（91336部隊 河北 秦皇島 066326）

軟件無線電的核心思想是在構建一個具有開放性、標準化的通用硬件平臺基礎上，將各種功能，如工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等通過軟件編程來實現，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線電系統。軟件無線電的概念雖然是從軍事通信領域產生并迅速發展起來的，但是軟件無線電的這種新概念、新理論、新技術對于我們從事的雷達電子戰仿真這個領域具有極其重大的應用價值。

雷達電子戰系統的發展可以分為模擬和數字兩個階段。在數字階段，現階段基本發展方向是沿著將已有模擬接收機數字化，結合數字信號處理技術及器件的飛速發展，逐步向寬帶、超寬帶數字接收機方向靠近。基于軟件無線電的雷達電子戰系的電概念就是在數字化階段提出來的，其思想就是把原來一些用硬件實現的功能盡可能地用軟件去完成，盡量減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環節，把數字化處理（A/D和D/A變換）盡量靠近天線，使雷達電子戰系統具有可編程、可擴展及靈活性高的特點。

1 軟件無線電的基本原理

軟件無線電的基本思想是以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現系統的各種功能，從基于硬件、面向用途的專用系統的設計方法中解放出來。功能的軟件化實現勢必要求減少功能單一、靈活性差的硬件配置，尤其是減少模擬環節，把數字化處理（A/D和D/A變換）盡量在射頻段。軟件無線電強調體系結構的開放性和全面可編程性，通過軟件的更新改變硬件的配置結構，實現多樣化的功能。軟件無線電采用標準的、高性能的開放式總線結構，以便于硬件模塊的不斷升級和擴展。理想的軟件無線電的組成結構圖如圖1所示。

圖1 軟件無線電結構圖Fig.1 Software radio system architecture

軟件無線電主要由天線、射頻前端、寬帶A/D和D/A轉換器、通用和專用數字信號處理器及各種軟件構成。射頻前端在發射時主要完成上變頻、濾波、功率放大等功能，接收時實現濾波、放大、下變頻功能。DSP實時信號處理模塊主要用來處理前端接收下來的信號或將要從功放發射出去的信號，對信號進行頻譜分析、解調、類型識別以及進行數字上下變頻、各種數字調制、數字濾波、編碼等等。

2 軟件化雷達電子戰系統功能需求分析

2.1 軟件化雷達電子系統設計需求分析

雷達電子戰系統主要功能是是：1）截獲射頻信號；2）從截獲到的信號中分離出雷達信號；3）測量所選信號的參數；4）引導雷達干擾設備實施干擾。現代雷達電子戰系統種類繁多，但總的說來尚無一種系統能滿足電子偵察和干擾的所有要求。傳統的雷達電子戰系統的接收機采用模擬方法實現，在接收過程中由于模擬器件的限制，極易導致信號的頻率和相位等方面的信息丟失，系統可變性差。常規接收機系在寬帶信號接收中都具有一定的局限性。系統適應能力及反應時闖無法滿足電子偵察要求。所以研究開發工作頻段寬，接收適應能力強，擴展性好，系統可變性強，能夠適應多種信號的偵察接收機，是電子戰發展的必然要求。

通信領域軟件無線電的成功應用為電子偵察系統的發展提供了一種理想的模式軟件化的雷達電子戰系統。所謂軟件化雷達電子戰系統是指基于軟件無線電原理，利用可編程器件對目標信號進行分析識別、特征提取和參數測量，通過更改運行于可編程器件上的軟件，實現對目標偵察信號進一步分析處理的電子戰偵察分析接收機，并將需要干擾的威脅目標，通過信號生成系統轉發產生相應的干擾信號。

2.2 雷達電子戰系統模型的功能模塊化構成

在進行具體的軟件無線電雷達電子戰系統的設計時需要對系統進行功能建模，按典型的雷達電子戰系統物理結構來進行功能模塊劃分。功能模塊劃分在結構上具有層次化，每一層模塊可以通過下層基本模塊構建。根據雷達電子系統模塊化特點和層次化建模原則，將雷達電子戰系統分為雷達偵察和雷達干擾兩大模塊。

雷達偵察模塊主要由天線模塊（一般包括測頻、測向等部分）、接收機模塊、信號處理模塊（一般由預處理機和主處理機兩部分組成）、顯示操控模塊、記錄系統模塊；雷達干擾模塊主要由干擾控制計算機、干擾樣式控制模塊、功率管理模塊和發射天線陣模塊等部分組成。

上面將雷達電子戰系統的軟件化進行了模塊化分析，其模塊的具體功能結構組成以及模塊間的關系如圖2所示。

圖2 電子戰系統的軟件化功能模型圖Fig.2 Function model diagram of EW system

3 軟件無線電雷達電子戰系統的結構設計

3.1 軟件化雷達偵察系統設計

軟件化雷達偵察系統設計是指基于軟件無線電原理而實現的用于對目標信號進行分析識別、特征提取和參數測量的電子戰雷達接收機。這種接收機是一種多頻段、多模式、多功能的電子戰雷達接收機。這種接收機對波形的適應性要求更高，對信號分析處理的功能要求更強，而且頻帶要求更寬。接收機模擬各種體制雷達接收機的工作原理，信號處理單元完成對各種雷達信號處理模式的仿真，以及各種抗干擾技術的工作原理。

這種電子戰雷達接收機由可以覆蓋幾乎整個無線電頻段。但目前還不能采用射頻直接采樣技術來對射頻信號進行數字化，因此，必須借助模擬處理技術把寬帶信號變換為適合于A/D采樣的中頻信號，然后進行采樣數字化，其構成如圖3所示。

圖3 軟件化電子戰雷達接收機結構圖Fig.3 Software radio structure diagram of electronic warfare radar receiver

模擬前端變換電路是為了適應寬頻段變換的要求而設置的模擬信號處理環節。模擬處理環節還設置了多個通道以對應不同的頻段。信號前端電路經過濾波、放大和混頻，被變換成中頻信號。中頻信號分兩級，一中頻信號的中頻頻率將根據不同的頻率值，以能較好地滿足互調抑制、中頻抑制、鏡像抑制等要求。不同的一中頻信號再經過中頻變換為系統的二中頻信號。二中頻信號被放大到足夠電平后，送到高速A/D進行采樣數字化，高速A／D數據再送到后續的正交數字下變頻單元，進行正交變換和采樣率變換，得到與信號帶寬相適應的正交低速率數字信號，以便于后續的DSP進行目標信號特征提取與分析識別和參數測量。同時該組成方式也可對電子戰雷達偵察機進行準實時仿真，根據軟件加載的不同實現信號的分選，信號的特征分析及“指紋”提取。

3.2 軟件化雷達干擾系統設計

軟件化雷達干擾系統就是采用軟件實現各種干擾樣式的形成以及干擾信號整個產生過程。開放式的硬件平臺只涉及發射信號的載頻特征，發射信號的內部特征完全有不同的軟件來定義。這樣的干擾樣式可控，完全適應了目標信號變化。其系統組成與軟件化電子戰信號環境模擬器的相似。其原理圖如圖4所示。

圖4 軟件化干擾發射機的結構圖Fig.4 Software radio structure diagram of jamming transmitter

4 雷達電子戰軟件無線系統關鍵技術

將軟件無線電技術應用于雷達導引頭設計受到一些軟硬件技術水平的制約。需要進行研究的主要關鍵技術有：高速A/D及D/A技術、高速并行DSP技術、系統建模技術等。

4.1 寬帶/多頻段天線與RF模塊

現代雷達電子戰系統，工作頻段越來越寬，低截獲雷達威脅越來越多，因此，需要實現寬帶高靈敏度偵收是雷達電子戰系統中亟待解決的問題。寬帶/多頻段天線與RF模塊是軟件無線電不可替代的硬件出入口。軟件無線電要求天線能覆蓋所有頻段，能用程序控制方法對其功能及參數進行設置。可采用智能化天線技術。 智能天線也稱自適應陣列天線，由天線陣、波束形成網絡、波束形成算法3部分組成。它通過滿足某種準則算法調節各陣元信號的加權幅度和相位，進而調節天線陣列的方向圖形狀，來達到增強所需信號，抑制干擾信號的目的。

射頻部分包括預放大和功率輸出兩部分。射頻發射機和接收機，由通用平臺和多個射頻發射機模塊組成，其工作頻帶應足夠寬，并采用數字頻率合成技術設置，對每種標準應能夠多載波工作。發射機包括多只高功率放大器，要求具有高線性。

4.2 高速數據采集轉換技術

數字化是軟件無線電的基礎，模擬信號必須經過采樣轉化成數字信號才能用軟件進行處理。軟件無線電體系結構的一個重要特點是將A/D和D/A盡量靠近射頻前段。A/D和D/A器件在軟件無線電中的位置非常關鍵，它直接反映了軟件無線電系統的軟件化可操作程度。為減少模擬環節及適應錯綜復雜的電磁環境，要求A/D器件具有較高的采樣頻率、較高的工作速度、較寬的工作帶寬和較大的動態范圍。在設計無線電系統時，選擇模數器件依據的性能指標有：信噪比、轉換靈敏度、無散雜動態范圍、非線性誤差、互調失真、全功率模擬輸入帶寬等。

A/D器件性能的局限及采樣時引入的頻譜混迭、量化誤差等，會對軟件無線電臺的性能產生不良影響，但這種影響尚缺乏定量分析。軟件雷達電子戰系統要求A/D和D/A盡量靠近射頻，靠近射頻采樣要求A/D具有很高的采樣速率。雷達電子戰系統一般要求很高的動態范圍，所以A/D變換器必須具有較多的位數。在系統設計中，擬采用DR公司的DR PMC/XMC AD變換和數字下變頻器模塊。該模塊內部集成了高精度、高速AD采樣和數字下變頻器，采用PMC/XMC形式，具有4路通道數處理能力，14位的采樣位數，最大采樣率125 MHz，可以滿足單通道的高速采集的應用。在既有單片ADC技術的基礎上，要進一步提高其采樣速率和工作帶寬，目前主要有兩種方案：基于時間交替采樣的并行多路ADC技術和基于子帶劃分的并行多路ADC技術。

4.3 高速并行DSP技術

雷達電子戰系統信號處理的主要任務對輸入的實時PDW信號流進行輻射源分選、參數估計、輻射源識別、威脅程度判別和作戰態勢判別等。DSP是軟件無線電必需的基本器件，是其靈魂和核心所在。系統在射頻或中頻（IF）對接收信號進行數字化處理，通過軟件編程靈活地實現寬帶數字濾波、直接數字頻率合成、數字上下變頻、調制解調、差錯編碼、信令控制、信源編碼及加解密功能。接收時，來自天線的信號經過RF處理和變換，由寬帶A/D數字化，然后通過可編程DSP模塊進行所需的各種信號處理，處理后的數據信號送至多功能用戶終端。發送時，通過類似接收信號處理流程的逆過程將數據通過天線發射出去。可見，軟件無線電的靈活性、開放性、兼容性等特點主要是通過以數字信號處理為中心的通用硬件平臺及DSP軟件實現的。

目前的DSP無論在功能上還是在性能上，都不能滿足無線電的要求，很難用單片DSP直接處理寬帶射頻或中頻信號，可以先采用數字變頻技術對寬帶射頻或中頻信號進行處理，然后再用DSP完成各種信號處理功能。數字變頻的組成與模擬變頻組成類似，包括數字混頻器、數字控制振蕩器和低通濾波器三部分，所不同的是數字變頻采用正交混頻。數字變頻具有載頻和數字濾波器系數可編程性、不存在非線性失真、頻響特性好及造價低等優點。

軟件雷達電子戰系統的DSP要求具有很強的實時性、數據量大，即對信號的處理時間不能超過預定的幀周期。由于很大一部分模擬電路由軟件實現，DSP必須采用較為復雜的算法，具有極高的運算速度。使用單處理器結構很難滿足要求。雷達偵察系統是多通道結構本身就是并行的，非常適合并行處理。采用通用的高性能POWER PC處理器組成的處理板，該處理器板由MOTOROLA公司生產，型號為MVME6100。該處理器具備板載的雙通道PMC接口，接口標準為PCI－X，64 bits/66，100 MHz。數字信號處理芯片具有很強的數據處理能力和非常高的運算速度，并可以方便地構成多種高性能的多處理器并行系統，解決軟件雷達電子戰系統的信號處理難題。

4.4 數字仿真模型計算技術

模型是仿真的基礎，對于雷達電子戰系統的仿真來說，首先就要對雷達偵察系統和雷達干擾系統進行模型分析。雷達電子戰系統的建模，以真實的雷達電子戰系統的物理結構為背景，以已有的電子戰系統數學模型為基礎，在此基礎上對模型進行層次化、模塊化處理，建立系統的、功能明確的和通用的模塊化模型。電子戰系統虛擬樣機模型采用分層結構，主要包括系統模型、基本單元模型。系統模型是雷達電子戰虛擬樣機的骨架，屬于電子戰虛擬樣機模型的頂層，系統模型的建立決定了系統的工作機理。

通過對軟件化雷達電子戰系統模型的分析，系統的基本單元模型主要有以下幾類：

1）顯示控制模型：文本單元模型、波形單元模型、文件單元模型、I/O單元模型以及操作臺控制單元模型等；

2）信號處理模型：D/A轉換模型、A/D轉換模型、時域頻域變換模型以及參數分選模型等；

3）微波射頻模型：濾波器模型、開關模型、本振源模型以及波導傳輸模型等；

4）功率模塊模型：放大器模型、衰減器模型以及功率管理模型等；

5）天線模型：波束控制模型、天線掃描模型以及天線極化方式模型等。

雷達電子戰系統的大部分功能模型由軟件完成。系統需要多同時到達信號情況下的快速信號檢測、分離、調制類型識別和參數估計。目前，基于原子分解和EM算法、高階統計量、神經網絡、循環信號處理和時頻分析的方法性能良好，但運算量很大，不易實時處理。因此，需要研究快速的算法解決這一問題。軟件算法設計和驗證在系統設計和升級改進中占據了非常重要的地位，整個系統的性能和可靠性很大程度上取決于軟件算法的性能。

5 結束語

將軟件無線電[12]思想引入到雷達電子戰系統設計研究，使用系統具有結構簡單、可靠性高、易于維護升級、抗干擾性能強等優點，隨著硬件性能提高以及數字信號處理技術水平的發展，新一代先進采用軟件無線電技術的雷達電子戰系統已經成為必然趨勢。

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