一種間斷照射雷達信號的調制參數測試方法研究

任黎麗 徐海燕 張 穎

（上海精密計量測試研究所，上海 201109）

1 引 言

在采用半主動尋的制導的武器系統中，雷達、導彈和目標是制導系統的三要素。地面、艦艇或飛行器上的照射雷達向目標發射照射信號，彈上導引頭接收目標散射信號并提取目標信息。間斷照射半主動尋的制導形式是目前較為通用的武器系統制導體制，該體制不僅可以實現對多目標的時分照射和跟蹤，使武器系統具備攻擊多目標的能力，而且還可以實現照射雷達和跟蹤雷達時分合一［1-2］。間斷照射雷達采用了多維副載頻調制（即存在多個副載頻的編碼調制），采用軟件無線電技術生成指令組合和信號，裝訂間斷照射周期、調幅度、調制指數等指標以及指令編碼協議，在雷達照射期間按照一定程序給每發導彈發送識別碼與修正指令。副載波頻率、調制指數等調制參數以及編解碼特性是半主動雷達研制、維護和保障過程中的關鍵測試指標，關系到導彈成功截獲目標的概率。

目前常用的測試方法是通過多個匹配導引頭比對測試來評價雷達信號是否合格，這一方法無法滿足雷達系統開發和測試的需求。本文通過分析照射雷達信號的特征，提出了基于R/S公司FSW頻譜分析儀并結合軟件無線電技術的一種間斷照射雷達信號調制參數的便攜式測試方案，為雷達測試系統的開發和性能測試提供幫助。

2 間斷照射雷達信號的基本特征

間斷連續波信號是一種含無線電修正指令信息的典型復合調制信號，其信號形式見公式（1）。

式中：K——消隱開關脈沖信號；f0——照射載頻；fd——多普勒頻率；m(t)——副載波頻率調制信號，其表達式如式（2）：

式中：fi——副載波頻率；i——副載波的個數；ai——位信息（0或1）；a(t)——平滑振幅包絡線；β0——為相位調制指數。

振幅包絡信號a(t)形式如式（3）：

令fc=f0-fd，間斷連續波信號的表達式可以展開為［3］：

該信號的時序圖如圖1所示。

圖1 間斷照射信號時序圖Fig.1 Time sequence diagram of discontinuous irradiation signal

圖1中，TI為照射期持續寬度，Tr為照射周期（Tr＞＞TI）。照射器在照射時間TI內輻射含有無線電修正指令的調制信號，在Tr-TI這段時間內不含有任何指令信息［4］。當傳送的信息碼各位均為1時，在照射時間TI內，副載波頻率調制信號形式為：

可以看出，調制信號中包含經過幅度調制的副載波信息和副載波包絡等信息。根據修正指令特點，同一時刻，信號的頻譜上同時存在多個副載頻，而且副載頻之間具有相關性，在解調時，對其它幾個副載頻的抑制度不夠將會導致誤碼。由于間斷性照射的特點，同一副載頻會在不同的時間出現在信號頻譜上。因此，從頻域上看，信號非常復雜。對這樣一個復雜的調制信號，關鍵點和難點是如何獲取副載波頻率調制信號m(t)，并進行逐級解調得到副載波頻率fi、副載波包絡周期τd以及相位調制指數β0及編碼信息。

3 測試方法

要獲取解調參數和解碼信息，首先要解決信號采集和調制參數解調問題。要采集一個完整照射周期的信號，數據量非常大。傳統的頻譜分析儀中頻采集數據的辦法實現起來比較困難，一般的數采卡內存滿足不了需求，存儲和處理數據速度慢、效率低。

本系統采用中頻數字化方案，在進行信號處理前，先對其進行數字化正交接收處理，將信號變換為兩個正交數字序列，通過軟件無線電正交解調算法，實現信號的相位和幅度信息的快速提取。同時，還可在一定程度上能克服因衰落或多普勒頻移等因素引起同頻同相不滿足而導致的信號失真。

3.1 正交采樣法

射頻信號經過射頻前端處理模塊變為基帶信號，變換為同向分量I（t）和正交分量Q（t），再分別通過A/D轉換后進行量化得到數字化的同向分量I（n）和正交分量Q（n）。正交采樣法原理圖如圖2所示。

圖2 正交采樣法原理圖Fig.2 Schematic diagram of orthogonal sampling

間斷連續波信號U(t)用同相和正交分量可以表示為［5］：

假設公式（1）中信號的包絡KU0用A(t)表示，相位用Φ(t)表示，則：

由（6）式和（7）式可以得到：

信號經過正交雙通道相位檢波得到：

經A/D數字化以后，設置采樣間隔為Δt，得到離散的兩組數據I(nΔt)和Q(nΔt)。

3.2 解調算法

1）脈沖包絡

量化后得到消隱開關脈沖信號包絡：

2）副載波頻率調制信號

對I(t)與Q(t)分別求導，可得：

聯合（8）式和（13）、（14）式得：

圖3給出了由上述分析得到的副載波頻率調制信號正交解調算法原理框圖。

圖3 正交解調算法原理圖Fig.3 Schematic diagram of orthogonal demodulation

采用正交解調算法解調時，若本地載頻有偏差Δω，則：

去除直流分量就可以得到副載波頻率調制信號m(t)。這種正交解調算法解調調頻信號可以克服由于本地載頻測量存在的頻差以及由于信道噪聲和其他干擾影響對幅度的影響。

3）調制指數

由式（4）和式（5）可以得出，調制指數β0為系統最大相位偏移。計算公式為：

式（19）中，Δωm為最大頻偏，Ω為調制頻率，最大頻偏與調制信號的振幅UΩ和調制頻率Ω有關，k為比例系數，與系統調制器件及工作狀態有關。

4）方案實現

在系統解調復合調制雷達照射信號的算法中，解調過程中采用二次正交解調的方式實現，即被測復合調制信號通過數據采集、數據傳輸階段進入數據處理模塊，首先進行一次解調（調頻解調），此時解調出來的信號波為調幅波，該調幅波再經過第二次解調（調幅解調），得到最終的原始副載波調制信號。照射信號解調流程如圖4所示。

利用頻譜分析儀FSW26的數字化零頻處理技術［6-8］，將照射信號轉化為基帶信號，基于GPIB總線分別采集同向分量I（t）和正交分量Q（t）；在計算機上基于Labview軟件，通過正交解調頻算法獲得調幅信號，通過解調幅和FFT算法獲得副載波頻率值fi，通過計算最大頻偏得到調制指數值β0，通過包絡檢波法獲得副載波包絡周期值τd，最后，通過時域頻率時序的分布，確定無線電修正指令的編碼序列。

圖4 照射信號解調流程圖Fig.4 Demodulation flowchart for irradiation signal

4 試驗數據

假設照射信號的載頻為X波段，把仿真信號直接輸入頻譜儀FSW26，由頻譜儀上觀察的信號頻譜圖如圖5所示。

圖5 仿真信號頻譜圖Fig.5 Simulation signal spectrogram

計算機通過GPIB總線控制頻譜儀采集數字化零頻處理后的基帶信號，再由軟件解調獲取最終的調制和編碼信息，如圖6所示。

圖6 間斷照射信號調制參數檢測示意圖Fig.6 Schematic diagram of modulation parameters detection for discontinuous signal

圖6中，測量結果表明解調的副載波頻率誤差小于10Hz，副載波包絡周期誤差小于7μs，信息碼和地址碼調相指數誤差小于3%，根據解碼結果，軟件可以正確解調出修正指令，所測結果滿足要求。

5 結束語

本文簡單介紹了間斷照射雷達信號的基本特性，提出了基于高性能頻譜分析儀，通過軟件的方式實現調制參數的解調和解碼的通用測試方案，可以方便地實現不同工作時序和調制信息的照射信號的調制參數的解調和解碼，為雷達研制、生產和維護提供便攜的測試手段。

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