高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機計量方法研究

盛永鑫 楊 露 陶成忠

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230031)

0 引言

高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機廣泛用于各類雷達場景模擬器的技術指標測試驗證和復雜環境場景性能評價,它主要是完成高密度脈沖流下的頻率、幅度、脈沖調制和頻率捷變、脈內調頻、脈內調相等復雜信號測量識別。它是一個專用測試設備,其本身的準確性與可靠性將直接影響測試結果,直接影響相關武器裝備的質量和作戰性能,必須引起足夠的重視。因此為了保證其準確、可靠需開展計量,但它具有信號數量多、頻率范圍寬、瞬時帶寬寬、信號樣式復雜、信號密度高等特點,目前無相應的計量方法,需要開展計量方法研究。[1-2]

1 計量方法研究

高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機,在一定頻率測量范圍、幅度測量范圍、分析帶寬、脈沖流密度下,具備脈沖調制、捷變頻、脈內調頻、脈內調相等測量功能。其參數的計量包含常規參數和復雜信號的計量兩部分。其中,常規參數包括頻率、幅度等參數;復雜信號包括捷變頻、脈內調頻、脈內調相等信號形式。頻率、幅度等基本物理參數能溯源到國防最高計量標準。而頻率捷變、脈內調頻、脈內調相等復雜信號參數的測量識別,是基于采用數學、計算機技術學、統計分析學實現計量,屬于調制域的計量,該計量領域是全新的,沒有通用的、標準計量方法,一般采用一致性測試、相互驗證等比測驗證方法進行。

1.1 常規參數的計量

目前國內在頻率、幅度等基本參數建立了相應計量標準,能滿足高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機計量需求。

通過帶外時基的信號發生器產生標準頻率信號對高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機頻率測量能力進行計量;通過信號發生器產生激勵信號利用功率計和標準衰減器對高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機幅度測量能力進行計量。具體溯源圖如圖1所示。

1.2 復雜調制信號的計量技術研究

高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機的高密度脈沖流下的脈沖調制和頻率捷變、脈內調頻、脈內調相等的指標計量常規需要提供滿足要求的激勵信號,一般有以下幾種方式提供激勵信號[3-4]:

實際作戰環境。這種方式需要架設多部雷達來發射多種信號,而且還需要在空基、地基、海基等真實環境中去,耗費大量時間、人力。雖然這是一種實際作戰環境的測試驗證方法,但是由于這種方法有復雜性大、成本高、信號真實特性及其容易受周圍環境和天氣等因素的影響等缺點,從而限制了它在計量校準中的應用。

基于通用測試儀器的模擬器。目前的矢量信號源、任意波形發生器等儀器可以利用它們的矢量調制能力完成數字信號到微波射頻信號的轉換,具備雷達場景復雜信號的產生功能。使用相關軟件來編輯雷達系統所需要的電磁環境,任意選擇雷達信號波形形式和各種參數的設定。同時,由于這些儀器使用通用接口,擴展性強,能在需要反復驗證接收信號準確性時重復使用,基本參數可以直接計量,已經廣泛在計量校準等領域進行應用。

近些年來,國內在數字與矢量信號計量校準做了大量的工作,制定并實施了《JJF 1128-2004矢量信號分析儀校準規范》《JJF(電子) 30301-2006數字及矢量信號發生器校準規范》和《JJF 1174-2014數字信號發生器校準規范》等。目前,部分計量技術機構依據規范建立了各類數字及矢量測量儀器計量校準裝置,使得數字及矢量測量儀器計量工作向前邁出了堅實的一步。關于數字與矢量信號計量校準方法,規范中所用方法都沒有溯源到現有的基本量,現有測量標準都以目前指標最高的儀器作為標準器具,就是用矢量信號分析儀校準矢量信號發生器,反過來,又用矢量信號發生器校準矢量信號分析儀,采用閉環互測[5-6]。

借鑒上述計量思路,利用物理和數學相結合的方法,應用雷達信號設計理論和雷達信號合成技術,通過基于通用測試儀器的模擬器提供激勵信號,模擬高密度脈沖流下的脈沖調制和頻率捷變、脈內調頻、脈內調相等的復雜調制信號,采用矢量信號分析儀和高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機比測驗證方式實現計量。

2 復雜調制信號計量裝置建立

采用基于通用測試儀器的模擬器提供激勵信號,將激勵信號功分,一路給高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機,一路給矢量信號分析儀。將矢量信號分析儀測試結果作為標準值,來驗證高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機測量結果準確性,從而到達計量目的。

高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機,在一定頻率測量范圍、幅度測量范圍、分析帶寬、脈沖流密度下,具備脈沖調制、捷變頻、脈內調頻、脈內調相等測量識別功能。這些需求決定了采用基于通用測試儀器的模擬器屬于復雜信號產生設備,目前國內外儀器廠商如是德、R&S、中國電科41所、成都玖錦等都生產相關儀器。是德的E8267D、R&S的SMW200A、中國電科41所1465-V等矢量信號發生器,采用各自的信號產生軟件能產生符合要求的單通道的信號。在信號采集分析上是德的N9030B、R&S的FSW系列、中國電科41所4052系列、成都玖錦PSA5000A等信號分析儀具備捷變頻、脈內調頻、脈內調相、重頻參差等信號測量功能。故路徑是可行的。擬采用R&S公司儀器搭建計量裝置。具體原理框圖如圖2所示[7-10]。

圖2 校準裝置溯源組成框圖

SMW200A第三代矢量信號源能將將真實雷達場景搬進實驗室,載波頻率最高可達44GHz、具有雙通道輸出功能,帶寬最大2GHz、DAC采樣率2.4Gs/s、bit位高達14bit、無雜散動態范圍大于55dB、存儲空間最大2GB,可存儲相當長的波形。如通過PDW脈沖描述字的方式產生脈沖波形,能夠大大擴展了可用波形的時間長度。結合Pulse Sequence軟件,可以方便地產生寬帶雷達信號,自由定義信號的時域、頻域以及調制信息。能夠產生的雷達信號包括脈沖、多普勒、脈沖壓縮(線性調頻、巴克碼、PSK、MSK…)、連續波調頻以及捷變頻(跳頻)信號。

FSW第四代信號分析儀,真正三合一的雷達系統分析利器,可實現2GHz超寬帶雷達信號分析,單臺頻率范圍可覆蓋2Hz～67GHz,內置雷達分析軟件實現脈沖信號參數自動測量,獨特的捷變頻雷達信號分析軟件FSW-K6,獨特的連續波雷達信號分析軟件FSW-K60,可以方便地分析信號的時間參數、功率參數、頻率及相位參數,針對脈寬、周期、上升沿、下降沿、過沖、頂降等脈沖參數進行分析,針對線性調頻的調頻周期、調頻帶寬、調頻斜率、線性度、相位特性進行分析,還能夠分析跳頻信號的跳頻圖譜、頻率、電平、時間準確度等。

矢量信號發生器能夠產生復雜的寬帶矢量調制信號,再結合相應的模擬信號編輯軟件,可具備PDW自定義功能,產生復雜脈沖信號,為本裝置溯源提供技術支撐。信號分析儀等儀表具備矢量信號的測量能力,可對一定量的矢量信號進行采集、分析處理,且提供信號分析的二次開發功能,可為本標準提供比測驗證設備支持[11]。

矢量信號分析儀具有高精度接收機,硬件指標可溯源至國家計量標準或NIST。內部帶有一系列標準協議及信號算法,此類算法作為標準算法,受到業內公認;另一方面,用于本校準裝置的比測,面對高脈沖密度流下的復雜信號,需采用信號分析儀的測量分析軟件對采集到的復雜信號進行解析,達到比測驗證的目的。

3 實驗驗證

結合高密度脈沖流狀態下的復雜信號測量識別的計量技術研究,開展基本波形片斷的驗證典型狀態選取等研究,最終實現利用基于通用測試儀器的模擬器產生高密度脈沖流環境下的復雜信號,同時利用信號分析儀和校準裝置對復雜調制信號進行比測驗證,驗證復雜調制信號測量準確性,實現高脈沖密度流下復雜調制信號計量。

根據計量需求,選取基本波形片斷具體如表1所示,組合成典型狀態,利用Pulse Sequence軟件進行仿真并完成高密度脈沖流狀態下的復雜調制信號建立,并下載到SMW200A中,產生復雜調制信號,利用FSW和高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機進行信號測量驗證分析,通過兩者比測驗證達到計量效果。

表1 基本波形片斷表

選取載頻2GHz,脈沖密度流50萬/s,帶寬為0.5GHz下,基于脈沖調制信號、捷變頻、脈內調頻、脈內調相等基本波形片斷的復雜調制信號,進行實驗驗證,測試數據結果如表2所示。通過實驗結果表明,該方法可行,解決高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機高脈沖流密度下脈沖調制、捷變頻、脈內調頻、脈內調相等測量功能計量。

表2 驗證測試數據結果

為了進一步驗證校準裝置性能,在上述實驗條件下,增加性能相當的信號源分析儀4052、PSA5000A進行比測驗證,比測驗證數據結果如表3所示。以3種信號分析儀測試數據平均值為標準值,實驗分析表明,裝置測試一致性較好。

表3 比測驗證驗證數據結果

4 結束語

利用數字與矢量信號計量校準思路,建立了基于通用測試儀器的復雜調制信號計量裝置,以矢量信號發生器產生基于基本波形片斷的高密度脈沖流下復雜調制信號為激勵,采用矢量信號分析儀和高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機比測驗證,實現對高密度脈沖流復雜調制信號測量接收機計量。由于采用了通用測試儀器,其具備信號樣式編輯模擬等功能,該方法具有通用性,可以應用到復雜電子環境的模擬及驗證等領域測試計量。