基于MATLAB間斷照射雷達信號仿真技術研究

任黎麗 徐海燕

(上海精密計量測試研究所，上海 201109)

1 引 言

在間斷半主動系統中，制導站中的跟蹤制導雷達在照射期間采用了間斷照射技術實現對多目標照射能力。制導站的照射雷達、目標和導彈構成了無線電尋的系統的三要素[1]。照射期間按照一定程序給每發導彈發送識別碼與指令信號，該信號的特點是調制信號波形復雜、定時精確、傳輸誤碼率低，導引頭直波接收機從直波信號中提取約定的識別碼與指令信息[2]。因此，這種復雜調制信號的仿真是制導末段間斷半主動導引頭體制研究的基礎。

傳統的基于FPGA的編程的方法具有效率低、擴展性不強等缺點。大多數實驗室已有的信號源在微波波段可以產生一些簡單的脈沖信號，但是不能滿足導引頭實驗測試需要，需要外部加載所需的脈沖信號，這種信號可以通過仿真軟件模擬；目前的任意波形發生器不僅能產生正弦波、方波、鋸齒波等規則波形，而且可以通過上位機或下位機編輯，產生真正意義上的任意波形[3]。因此，研究基于實驗室的標準儀器儀表和仿真技術來產生這種復雜信號的方法具有重要意義。

基于MATLAB的間斷照射雷達信號仿真技術可以應用于制導末段間斷半主動導引頭體制研究。MATLAB是用于算法開發、數據分析及數值計算的高級技術計算語言和交互環境[4]。對于越復雜的波形，定義描述過程就越困難，對高度復雜并需要全部細節的波形，要求波形存儲器的長度足夠長。在MATLAB編程時，復雜的副載波調制信號必須按時間段分別定義，并按序列串聯起來，這些分別定義的波形文件可組成波形庫，方便調用。

在實驗室環境中，我們用計算機軟件編程的方式來模擬雷達信號模型，建立MATLAB數學模型，得到一個周期的仿真波形，利用所建立信號的數學模型生成雷達信號波形數據。本文介紹了模擬該信號的具體設計與實現方法。

2 間斷照射雷達信號特點

復雜間斷照射雷達信號是一個周期性的、間斷輻射的連續波信號，在間斷輻射的持續輻射階段，該信號是一個疊加了多個副載波信號的復合調制形式。信號形式為[5]

(1)

式中：K——開關信號；f0——載波頻率；fi——副載頻；ai——位信息(0或1)；A(t)——平滑振幅包絡線；β0——相位調制指數。

副載波信號由i個副載波頻率信號組合的信號形式，其出現的情況也是突變的，由ai決定，而且副載波調制幅度也是時變的，由β0決定，導致在頻域上來看副載波的頻率是跳頻、幅度是跳變的形式，間斷輻射射頻信號的載波與副載波的幅度比也是變化的，因此形成的修正指令信號非常復雜。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 Sequence diagram for intermittent illumination 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[6]。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

m(t)=β0A(t)cos2πfit

(2)

式中：β0——相位調制指數；τd——副載波包絡周期；fi——副載波頻率。

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。根據調制信號特點，同一時刻，信號頻譜上同時存在多個副載頻，而且同一副載頻會在不同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，關鍵點是如何獲取復合調制的基帶信號，這種復雜調制信號含副載波頻率fi、副載波包絡周期τd以及相位調制指數β0及編碼信息等。

3 復雜間斷照射雷達信號的設計

3.1 整體設計方案

本文利用任意波形產生器的直接內存操作編輯法產生波形。該方法是一種更利于產生復雜信號的方法。它利用外部開發的程序對波形數據進行計算，然后將數據通過外部高速接口傳送到任意波形發生器的波形存儲器或目錄存儲器中，并將兩路波形通過不同通道輸出。

具體實現過程為：通過MATLAB軟件對副載頻調制信號進行仿真，按照時序要求對碼信息進行排列，建立MATLAB數學模型，得到一個周期的仿真波形。通過Keysight公司的波形編輯軟件33503A將MATLAB仿真產生的副載波調制信號和脈沖開關信號分別加載到任意波形發生器33500B的通道1和通道2，將通道1輸出的副載波信號加載到微波信號源E8257D上進行相位調制，將通道2輸出的脈沖開關信號加載到微波信號源E8257D上進行脈沖調制，從而輸出一個復雜的間斷照射雷達信號。具體波形產生方案如圖2所示。

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圖2 復雜間斷照射雷達信號波形產生方案框圖Fig.2 Waveform generation scheme of complex intermittent irradiation Radar signal

需要注意的是，將產生的波形數據下載到任意波形發生器的波形存儲器中后，需要將兩個通道的任意波形設置為同步觸發。

3.2 軟件設計

對復雜調制基帶信號的仿真，包括消隱脈沖信號和副載波調制信號的仿真。其中副載波調制信號包括振幅包絡信號、地址碼調制信號、信息碼調制信號、一個單元的副載波調制信號以及完整周期的無線電修正指令信號仿真。

計算機系統運行環境為Windows7操作系統，仿真平臺為MATLAB7.0及以上，對于不同的照射頻率，信號產生過程示意圖如圖3所示。

圖3 基帶復雜調制信號產生示意框圖Fig.3 Schematic diagram of base-band complex modulation signal generation

圖3中，通過對不同時序高低電平的控制，產生開關信號；通過將副載波信號與位信息乘積后求和，并進行包絡調制，得到含識別碼和指令信息的副載波調制信號。

基帶信號生成以后，要將基帶信號調制到雷達工作的頻段上，具體復雜間斷照射雷達信號的仿真流程如圖4所示。

圖4 復雜間斷照射雷達信號仿真流程框圖Fig.4 Simulation procedure of complex intermittent illumination radar

1)脈沖信號和副載波調制信號仿真

使用MATLAB軟件仿真產生一個副載波調制信號和一個脈沖信號，然后使用“csvwrite”函數把波形保存成CSV文件；

2)數據導入波形編輯軟件33503A

33503A BenchLink Waveform Builder Pro軟件是適用于脈沖/函數/任意波形發生器的全功能波形生成軟件，可充分結合Keysight 33500B系列波形發生器的信號生成能力，快速生成定制的波形[7]；

打開波形編輯軟件33503A，設置文件的時間長度length和采樣頻率sam與MATLAB仿真的基帶數據相匹配，將生成的兩個CSV文件分別加載到軟件33503A中。可以將分別加載好的兩個波形文件另存為.barb格式的文件，方便以后直接調用。

3)波形導入任意波形發生器33522B

使用33522B可以利用USB、LAN等標準接口連接到PC，結合MATLAB環境創建的波形，并將其下載到任意波形發生器中[8]。利用33503A軟件的communication功能，掃描儀器并確認連接成功后，將33503A軟件中的波形分別導入到任意波形發生器33522B的通道1和通道2中。通過【Parameters】和【Syn】功能鍵設置兩路輸出信號同步觸發；

4)通過信號源E8257D調制到載波上

將微波信號源E8257D設置為外部相位調制，任意波發生器輸出的副載波信號加載到微波信號源E8257D上進行相位調制；將微波信號源E8257D設置為外脈沖調制，將任意波形發生器脈沖信號輸出端連接到E8257D的脈沖輸入端。

設置微波信號源的載波頻率和輸出信號功率，將射頻開關打開，微波信號源將輸出一個復雜的間斷照射雷達信號。

4 試驗數據

試驗過程：選用keysight公司的E8257D微波信號源和33522B任意波形發生器兩臺通用信號產生器，結合MATLAB軟件模擬實際雷達信號。

1)使用MATLAB軟件仿真產生一個脈沖開關信號如圖5所示，然后把波形保存成CSV文件；

圖5 脈沖開關信號波形圖Fig.5 Pulse switching signal

2)使用MATLAB軟件仿真產生一個副載波調制信號如圖6所示，然后把波形保存成CSV文件；

圖6 副載波調制信號圖Fig.6 Sub-carrier modulation signal

3)在33503A中打開保存好的CSV文件，軟件界面如圖7(a)和圖7(b)所示，然后把文件另存為.barb文件，就可以在33503A中打開了；

圖7 33503A軟件界面圖Fig.7 33503A software interface

4)將計算機與任意波形發生器33522B通過LAN口的以太網相連，把生成的.barb文件通過33503A軟件發送到任意波形發生器33522B的存儲器，屏幕上會出現存儲的文件，表明波形導入成功；

5)將計算機與任意波形發生器33522B本系統仿真產生的間斷照射雷達信號，經過微波混頻和頻譜分析下變頻，并通過Labview軟件進行數據分析和處理，可以得到并恢復仿真信號的信息，恢復的基帶仿真信號如圖8所示，經過驗證，調制參數等性能能夠滿足設計的要求。

圖8 仿真信號數據驗證圖Fig.8 Validation diagram based on simulated signal data

5 結束語

本文介紹了間斷照射雷達信號仿真實現的手段，利用MATLAB軟件強大的數學功能，通過分段函數編寫所需的脈沖開關信號和副載波調制信號，利用波形編輯軟件，結合任意波形發生器的數據存儲功能和微波信號源的脈沖調制和相位調制功能，從而輸出所需的復雜間斷照射雷達信號。這種方式組成簡單，性能參數可變，比較靈活，根據要求可重復加載，成本較低，可為測試系統的開發和性能測試發揮重要作用。