復雜電磁威脅信號環境模擬器的設計與實現

楊博盛

(1.解放軍91404部隊,河北 秦皇島 066001；2.解放軍91336部隊，河北 秦皇島 066326)

0 引 言

當今世界信息化變革和軍事發展迅速，復雜電磁環境日益成為人們關注的焦點，尤其是在軍事領域[1]。隨著各種電子信息裝備釋放的高密度、高強度、多頻譜、多體制的電磁波的不斷增加，電磁空間也成為一個重要的戰場空間，現代戰場環境已由海、陸、空、天的四維戰場空間發展成了海、陸、空、天、電磁五維戰場空間，構成了現代戰場的實際戰區復雜電磁環境[2]。由于空間電磁設備的不斷擴張，戰場環境發生了重大改變，迫使信息化戰場從傳統的奪取制空權轉換為制電磁權[2]，作為信息戰中的電子戰裝備必須適應日益復雜的電磁環境。

復雜電磁信號環境是存在于給定場所的所有電磁活動和現象的總和，也是電磁空間的一種具體表現形式，體現了電子系統或電子裝備在執行規定任務時遇到的各種電磁輻射強度在頻域、時域、空域內的分布態勢。對戰場電磁環境最本質的特性描述就是復雜性，描述了電磁環境在一定的戰場時域、空域范圍內，自然電磁現象、人為電磁輻射、敵我雙方激烈對抗等綜合作用所形成的電磁環境的信號密集性、體制繁雜性、動態多變性、對抗激烈性等復雜特性。電磁活動和現象包括自然電磁現象、民用電磁現象、敵對雙方的電磁應用和反電磁應用活動，涉及雷達、電子對抗、通信、導航、定位等，這些綜合形成了電子戰裝備面臨的復雜、密集、動態的電磁環境和電子威脅。

復雜電磁威脅信號環境模擬器的核心任務就是在實驗室、試驗場、電子靶場等場所為電子戰裝備提供試驗所需的復雜電磁信號環境和電子威脅信號，以考核電子戰裝備的復雜電磁環境適應能力和雷達威脅識別能力，已成為電子戰裝備提供試驗必不可少的重要試驗配試設備。

1 系統組成

復雜電磁威脅信號環境模擬器的技術基礎為半實物仿真技術。半實物仿真技術又稱硬件在回路[3-4]，它是將數學模型、實體模擬和物理設備聯系在一起，是計算機技術與物理效應仿真相結合的產物[5]。復雜電磁威脅信號環境模擬器通過半實物仿真技術，構建了集雷達威脅信號、通信信號、塔康信號、敵我識別信號、數據鏈信號模擬于一體的半實物仿真系統，主要由顯示控制計算機、基帶信號產生單元、微波射頻系統、功放天線單元等組成，其系統組成原理框圖如圖1所示。

圖1 復雜電磁威脅信號環境模擬器系統組成原理框圖

2 運行原理

根據電子戰裝備調試、試驗、訓練、演練需求，通常要求復雜電磁威脅信號環境模擬器具備雷達威脅信號、通信信號、塔康信號、敵我識別信號、數據鏈信號等電磁信號模擬能力。

雷達信號模擬時，通過顯示控制單元的人機界面設置輻射源類型，輻射源數量，載頻、重頻、脈寬、脈內調制等輻射源參數，天線掃描等參數和輻射源開啟時刻、模式切換時刻、關閉時刻等動態特征進行設置，生成初始戰情數據，發送給基帶信號產生單元。基帶信號產生單元通過現場可編程門陣列(FPGA)和高速數模轉換器(DAC)構建具有調頻調相功能的寬帶直接數字合成器(DDS)，根據收到的初始戰情數據，在每個仿真周期內完成對射頻信號的頻率、脈寬、重頻以及幅度等多種形式調制信號的實時解算，解算出輻射源的脈沖描述字(PDW)，包括每個輻射源的到達時間(TOA)、頻率(RF)、脈寬(PW)、脈幅(PA)及脈內調制信息，并根據脈沖丟失準則進行脈沖排隊，完成多個脈沖的時序排隊，生成所有雷達輻射源的脈沖描述字(PDW)數據流，控制寬帶DDS，模擬產生各種體制雷達輻射源信號的中頻基帶信號。雷達脈沖描述字控制流主要是控制每一個脈沖的出現時間、頻率、脈內調制、脈寬、幅度。基帶信號產生單元產生的各種體制雷達威脅輻射源中頻基帶信號經微波射頻系統完成上變頻和幅度控制，從而生成各種體制雷達威脅輻射源射頻信號。各種體制雷達威脅輻射源射頻信號通過射頻電纜注入被試電子戰裝備，或經過功放、天線單元輻射至被試電子戰裝備。

通信信號模擬時，通過顯示控制單元的人機界面設置通信信號參數，包括調幅(AM)、調頻(FM)、調相(PM)、單邊帶(SSB)、雙邊帶(DSB)、殘留邊帶(VSB)、連續波(CW)等模擬體制通信信號參數和幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)、幅相鍵控(APK)、正交相移鍵控(QPSK)、正交頻移差異多路技術(OFDM)等數字體制通信信號參數，發送給基帶信號產生單元，在基帶信號產生單元中完成調制映射、多速率內插濾波、多相濾波、正交上變頻等處理，生成各種體制通信信號的基帶信號。各種體制通信信號的基帶信號經微波射頻系統完成上變頻和幅度調制，從而生成各種體制通信信號。

對塔康(TACAN)信號的模擬包括基本編碼(X工作模式、Y工作模式)、基準編碼(主基準脈沖群、輔基準脈沖群)、識別編碼(識別脈沖、平衡脈沖)、應答狀態。塔康信號脈沖序列的發射優先次序為主基準脈沖群、輔助基準脈沖群，其次是識別脈沖和平衡脈沖，最后是回答脈沖和填充脈沖。塔康信號模擬時，主要根據塔康信標各種信號的格式及編碼格式進行脈沖排隊，并控制幅度控制器進行幅度調制，實現塔康信號的產生。

敵我識別(IFF)信號MARK X工作頻率為詢問信號1 030 MHz、應答信號1 090 MHz，其工作模式有1、2、3/A、C、模式4(仿)、S模式等工作模式。模式1、2為軍用識別詢問，模式3/A(簡稱A模式)為兼用軍用識別和民用識別詢問，模式B只用于民用識別，模式C用于高度詢問；模式D為備用詢問模式，常用A、C兩種模式。其詢問信號的形式通常由3脈沖(分別為P1，P2，P3)詢問體制確定。即不同詢問信號的模式由脈沖P1與脈沖P3之間的不同間隔確定。P1和P2間隔在任何模式都是2 μs±0.15 μs，其中P1-P3模式詢問脈沖，詢問波束主瓣輻射。P2為旁瓣抑制脈沖(控制脈沖，抑制副瓣方向上應答機的應答)控制波束輻射。對MARK XII、MARK系列的碼型也可以在獲得碼型后進行升級擴展。IFF信號的產生原理與塔康信號產生原理類似。

3 模型體系

復雜電磁威脅信號環境模擬器屬雷達與電子戰模擬仿真領域的核心設備，其實現離不開完備、逼真的仿真模型，其仿真模型體系如圖2所示。

圖2 復雜電磁威脅信號環境模擬器仿真模型體系

4 設計與實現

復雜電磁威脅信號環境模擬器包括顯示控制計算機、基帶信號產生單元、上變頻單元、頻率合成器、射頻通道單元、功放天線單元等組成部分。其中，基帶信號產生單元設計和微波射頻系統設計是模擬器實現的兩大關鍵。

4.1 基帶信號產生單元設計

基帶信號產生單元是一種通用的任意波形產生器模塊，是專門針對雷達信號仿真的特點(如切換時間快、脈沖沿陡、波形調制復雜)而設計的通用化模塊，利用模塊強大的軟件波形編輯和系統升級功能，滿足了高密度、多信號、復雜電磁環境仿真的要求[6]。基帶信號產生單元采用高性能FPGA和高速DAC構建具有調頻調相功能的寬帶DDS，采用高性能數字信號處理器(DSP)和高性能FPGA構成信號產生控制器，主要完成信號的時間、頻率、相位、幅度等任意調制，從而實現了任意波形的產生，具有信號瞬時帶寬寬、信號響應速度快、能夠適應目前及將來數字雷達技術發展需求的優點。基帶信號產生單元的DSP是信號解算和控制的實時解算核心，負責戰情的實時解算、模式切換的實時控制，生成信號脈沖描述字數據流，采用TI公司的2片TMS320C-C6678信號處理器，是一款支持浮點運算和定點運算的高性能八核信號處理器，每核心主頻1.0 GHz/1.25 GHz，單核可達40 GMACS和20 GFLOPS，每核心32 kBL1P、32 kBL1D、512 kBL2，4 MB多核共享內存，支持直接存儲器存取(DMA)傳輸，支持千兆以太網。基帶信號產生單元的高性能FPGA用于完成與上級控制系統通信、與DSP通信、基帶調制信號、各微波的實時控制等。FPGA采用Xilinx V6系列芯片，該芯片具有241 152個邏輯單元、3 650個分布式隨機存儲器(RAM)、768個數字信號處理單元、2個PCI總線擴展(PCIE)接口、4個網絡接口以及最多可提供20個GTX高速接口和600根數字IO，可配置成TTL或者低壓差分信號(LVDS)電平形式，該FPGA具有串行、串行外設接口(SPI)、字節外設接口(BPI)等多種配置方式，以及豐富的時鐘資源。基帶信號產生單元的高性能DAC選用AD9739轉換芯片，該DAC芯片是一款14 bit高性能DAC，提供高達2 500 MSPS的采樣速率，支持多個奈奎斯特頻率的基帶多音信號產生，可產生帶寬高達1 GHz的低噪聲、低交調失真的高質量寬帶信號，無雜散動態范圍可達60 dBc@2 GSPS，同時帶有雙端口LVDS接口。基帶信號產生單元的組成原理框圖如圖3所示。

圖3 基帶信號產生單元的組成原理框圖

4.2 微波射頻系統設計

微波射頻系統主要功能是對基帶產生單元生成的中頻基帶信號進行上變頻、幅度調制，模擬產生各種體制雷達威脅信號、各種體制通信信號、塔康信號、敵我識別信號、數據鏈信號的射頻信號，微波射頻系統組成原理框圖如圖4所示。

圖4 微波射頻系統組成原理框圖

4.3 軟件系統設計

復雜電磁威脅信號環境模擬軟件采用VC++和微軟VS工具開發，采用Windows操作系統，符合標準Windows設計風格。復雜電磁威脅信號環境模擬軟件的主要任務是完成模擬器系統的綜合操控、運行控制、綜合顯示，進行模擬器的軟硬件初始化、戰情的設置與運行，戰情解算與分解、態勢和狀態的顯示，實時控制硬件系統完成雷達威脅信號、通信信號、塔康信號、敵我識別信號、數據鏈信號的模擬，以及保障模擬器各組成部分之間的信息通信和密切配合。復雜電磁威脅信號環境模擬軟件流程設計如圖5所示，人機界面設計如圖6、圖7、圖8所示。

圖5 復雜電磁威脅信號環境模擬軟件流程

圖6 綜合控制人機界面

圖7 通信模擬人機界面

圖8 雷達威脅信號模擬人機界面

5 結束語

復雜電磁威脅信號環境模擬器屬雷達與電子戰模擬仿真領域的核心設備，采用半實物仿真技術，是電子戰裝備提供試驗必不可少的重要試驗配試設備，具備雷達威脅信號、通信信號、塔康信號、敵我識別信號、數據鏈信號等電磁信號模擬能力。本文闡述了復雜電磁威脅信號環境模擬器的系統組成、運行原理、模型體系、系統設計與實現，以期作為復雜電磁威脅信號環境模擬器研制的參考。