通用电磁环境信号模拟仪器设计与实现

杨　静,张清原,黄　真

(北京理工大学 信息与电子学院,北京 100081)



通用电磁环境信号模拟仪器设计与实现

杨静,张清原,黄真

(北京理工大学 信息与电子学院,北京 100081)

摘要:针对电磁信号环境的特点,基于计算和实时回放思想,设计实现了一种通用的电磁环境信号模拟仪器,解决了信号建模、多部辐射源交错脉冲流信号产生、大容量缓存空间开辟管理等问题。测试结果表明，所开发仪器功能正确,并在软硬件方面均具有较好可扩展性,可以满足教学和科研活动对复杂电磁信号环境模拟仪器的需求。

关键词:电磁环境;信号模拟;叠加脉冲;固定帧长

现在的电磁信号环境越来越复杂。一方面是辐射源的数量多、分布密度大,导致辐射源在空域和参数域(包含频域)上拥挤,时域上重叠,信号同时到达概率增加,脉冲重叠几率增大。另一方面是随着信号产生技术和处理技术的发展,一部辐射源往往能够根据需要,改变发射信号的载频或其他调制参数,尽量破坏信号的规律性,导致辐射源信号调制复杂,参数多变、快变[1]。上述原因使得电磁信号环境一般复杂多变、信号波形种类多、信号形式和频率变换快、总体无重复规律,因此采用固定的信号产生方法,很难产生该类复杂信号。电子信息专业的实验教学和电子信息设备的开发、调试、测试经常需要能够模拟电磁环境信号的信号源。

在标准仪器实现信号模拟方面[2-3],Tektronix的高端任意波形发生器AWG7122C具备9.6 GHz的射频输出能力,并且信号带宽可达5.6 GHz,信号的转换率最高可达24 GS/s,它配合信号生成软件RFXpress可以模拟通信信号、雷达信号和环境信号,但是该信号发生器的存储容量最大只有64 MB点,所以在最高转换率时,只能模拟267 μs的信号,若想长时间模拟只能重复播放,难以真实模拟信号环境的整个历程。Agilent的高端信号发生器E8257D具备20 GHz的射频输出能力,它配合信号生成软件Signal Studio可以模拟通信信号、GPS导航信号和脉冲信号。标准仪器搭建环境信号模拟平台,存在相应局限性,研制新型的宽带长时间复杂电磁环境信号模拟仪是必要的。

笔者针对电磁信号环境的特点,采用预存信号数字数据回放方式,设计实现了一种通用的电磁环境信号模拟仪器,并完成了功能测试,证明了该仪器的通用性和可扩展性。

1信号模拟仪参数及系统架构设计

1.1信号模拟仪参数设计

根据教学和科研的使用要求,同时考虑到扩展性,信号模拟仪主要参数设计指标为:

1) 模拟信号通道数:输出信号通道数1;

2) 信号带宽范围: 50 MHz ～200 MHz;

3) 输出信号动态:30～60 dB;

4) 辐射源数量: 可设;

5) 回放数据存储容量:384 GB .

1.2系统架构设计

环境信号综合模拟仪信号产生的原理和过程如图1所示[4],系统组成包括:回放信号数据仿真计算

机、大容量数据缓存、DAC等模块。回放信号数据仿真计算机主要根据人机界面设置产生各种情况下回放的数字信号数据;大容量数据缓存模块缓存待回放数据,以便高速回放;DAC模块完成数模转换,实现回放信号输出。

图1　系统组成原理框图Fig.1　Diagram of the Simulation System

系统首先由人机界面设置需要仿真模拟信号的参数,上位机计算产生仿真数字信号数据,形成数据文件,然后加载数字信号数据至NAND存储板,最后选择回放记录,DAC板读取存储板数据,进行数模转换输出,上述架构实现的信号源模拟设备具有以下特点:

1) 复杂电磁信号环境模拟,可产生数量众多、信号重叠交错、多种类电子设备的信号环境；

2) 覆盖捷变频带宽,模拟时间较长；

3) 回放信号数据可任意仿真和实验产生。

上位机软件作为电子环境信号模拟设备的数字信号计算产生软件部分,运行在CPCI主机板上,主要完成系统人机交互(系统显控)、回放数字信号数据仿真生成、数据存储、信号播放等功能,上位机软件的功能设计如图2所示。

图2　电子模拟信号设备软件结构图Fig.2　Software Structure of the Simulator

上位机软件的主要工作流程如下所示:

1) 由人机界面设置需要仿真模拟信号的参数；

2) 上位机计算产生仿真数字信号数据,形成数据文件；

3) 加载数字信号数据至NAND存储板；

4) 最后选择回放记录,DAC板读取存储板数据,进行数模转换输出。

2硬件平台构建

图3　系统组成原理框图Fig.3　Hardware Structure of the Simulator

环境信号综合模拟仪组成及数据控制流关系如图3。所有板卡集成在一个标准的CPCI机箱中,主机板完成设备人机交互、回放数字信号数据仿真生成、数据下载等功能;存储板存储仿真计算的或采集

的数字信号数据;DAC板完成DUC和数模转换功能;时钟时序板产生DAC回放时钟、回放启动、回放同步等时序信号;辅助数据接口板以串行接口或并行接口方式输出与回放信号相关的辅助控制状态信号,或接收用户系统命令和参数控制[5]。

仪器硬件中的最主要两个模块是NAND存储板和高速DAC回放板。经过系统参数论证,最终采购商业通用板卡R9-DRFM-D1200(双通道1.2 G SPS DAC板)和R9-MEM-384G(NAND存储板),完成硬件平台搭建。

3软件功能设计

3.1主要数据结构

数字信号计算和产生软件是本仪器的核心功能程序,其回放信号数据文件生成流程图如图4所示。

图4　回放信号数据文件生成流程图Fig.4　Generation of Playing-Back Signal Data File

数据结构的合理设计是一个系统软件算法高效实现的保证。数字信号计算和产生软件是本设备的核心功能程序,与模拟仪器的基本功能和总体工作流程相对应的各阶段数据结构如图5所示。

图5　数字信号计算产生软件中的数据结构总体概况Fig.5　Data Structures in Digital Signal Calculation and Generation

以雷达辐射源为例,雷达通常发射的是脉冲序列信号,每个脉冲信号的发射时刻和波形参数都有可能快速变化,对于给定的仿真时间,不同的雷达参数使得其对应的脉冲信号到达时间[6-7](TOA，Time of Arrival)节点信息序列所包含脉冲个数是不能预知的,所以TOA结点信息序列的长度也是不能预知的;另一方面,多部雷达脉冲信号序列重合交叠又会带来脉冲序列的交错穿插,这就要求单部雷达的TOA信息序列具有灵活删节、添加等特性。

模拟仪器选用了一维单向链表的结构表示TOA结点信息序列。单向链表中的每个结点包括两个域,数据域存储数据元素的信息;存储指针域直接存储后继存放位置的地址[8-9]。一维单线链表的组成和基本操作示意图如图6所示。

图6　单向链表示意图Fig.6　Sketch of One-Way Linked List

采用一维单向链表构建TOA节点信息序列,避免了按照最大值开辟空间带来的空间冗余的问题。当得到一部发射脉冲信号的雷达辐射源每一个对应的TOA信息节点,以一维单向链表结构形式链接起来后,即构成最终所需的雷达TOA节点信息序列TOA-List,并且很方便实现后面多辐射源脉冲信号序列的合并与拆分。对应的链表插入和删除两项基本操作如图7所示。

a-在单向链表插入一个结点;b-在单向链表删除一个结点图7　单向链表插入和删除操作示意图(a) Insert Operation;(b) Delete OperationFig.7　Insert and Delete Operations of One Way Linked List

3.2基于固定帧长的波形数据文件产生

3.2.1叠加扩展脉冲的概念

当有多部发射脉冲信号的辐射源同时存在时,同一时刻可能出现多个脉冲的情形,即存在脉冲重叠情况。具体波形数据生成时,可以考虑把有重叠情况的若干个脉冲拼接成一个大的脉冲,按照“叠加扩展脉冲”进行处理。扩展脉冲的每一时刻数据是实际上叠加脉冲在同一时刻的叠加,起始时间(POS:Position of Start)为所有叠加脉冲前沿到达时间最小值,结束时间(POE:Position of End)所有叠加脉冲后沿到达时间最大值,叠加扩展脉冲的合成时间参量关系如图8所示。

图8　叠加扩展脉冲示意图Fig.8　Diagram of Superimposed Extended Pulse

按照上述思路生成叠加扩展脉冲的波形数据后一次下载,可以简化数据产生流程,也可以在设备脉冲存储时,大大降低对存储空间的需求。

3.2.2固定长度的波形数据产生

为了尽量缩短生成数据所需要的时间,保证较快的运行速度,波形缓存应该存放在内存中。但对于脉冲流密度及辐射源脉冲参数非常复杂的模拟场景中,存在叠加脉冲时间持续时长甚至超过内存容量的情况。当出现如图9所示的叠加扩展脉冲宽度很大时,可能因为无法开辟相应大小的内存空间,导致无法生成数据。

图9　叠加扩展脉冲超出最大内存空间限制Fig.9　Extended Pulse with a Length Exceeding Maximum Memory

为解决有限的内存空间资源与较长叠加扩展脉冲之间的矛盾,引入了固定长度的波形数据产生帧概念,通过分帧处理实现超长叠加扩展脉冲的产生。分帧处理就是当叠加扩展脉冲的长度超过设置的波形数据产生帧的帧长Tc时,将叠加扩展脉冲按Tc长度进行分段截断,在内存中按照设定帧长Tc大小开辟缓存空间,对应得到一帧的数据后,将其下载存储后再进行下一帧数据的产生处理,直到整个叠加扩展脉冲处理完毕,实现过程示意如图10所示。

图10　分帧处理的方法Fig.10　Framing Processing Method

因为分段帧长Tc可根据能开辟的内存空间的大小适当选取,所以可以在保证运行速度的情况下减小对内存的需求。

3.2.3连续波形的产生

上述脉冲存储波形数据产生思路和具体方法可以很容易将其修改适用于连续波形数据的产生,主要考虑以下几个问题:

1) 每一帧都是固定帧长的数据产生过程;

2) 每一帧的POS，POE数值与可能存在的辐射源脉冲信号无关,只与当前帧与仿真起始时刻相对时间有关。

如模拟场景设置中包含有连续波信号(如通信信号)时,只要不断按照当前帧头对应的POS时刻和固定帧长Tc,分别调用相应的连续波信号波形产生函数来实现,最后将具体生成的波形数据与已经完成的数据缓存帧中的脉冲信号进行叠加,完成这一帧数据合成即可。

图11　通信信号波形数据文件产生图示Fig.11　Data File Generation of Communication Signal

3.3软件界面设计

系统主控界面主要包括存储写入、数据擦除、坏块查询、数据回读、数据回放、网络设置6个部分,场景设置功能和辐射源管理功能是2项主要功能[10]。

3.3.1场景设置功能

该功能设置雷达辐射源、通信辐射源,叠加噪声源的参数信息,并最终生成数据文件,该文件用来存入存储板。场景设置控制界面分为左右2个大区域,左边是场景设置及查询功能区,包括场景总体参数设置,雷达辐射源设置,通信辐射源设置,信息数据图示,场景查询5个子界面;右边是场景数据生成的控制命令和状态显示区。

3.3.2辐射源集管理

辐射源集是指用于描述雷达辐射源和通信辐射源的功能、特性等参数的集合。辐射源集可作为场景设置中辐射源的备选库,也可以将场景中新设置的辐射源加入到辐射源集。具体操作包括对辐射源集中所有的辐射源提供查询和删除功能。

4功能测试验证

测试系统用于测量环境信号综合模拟仪的功能和指标,环境信号综合模拟仪的输出信号接入带有数字示波器,可以读取产生波形的时频域参数并记录,与设置值进行比较以判断信号产生是否正确;也可以利用示波器进行波形采集并存储成文件[11]。

4.1脉冲跨处理帧长测试

设置脉冲宽度大于设定处理帧长的一种脉冲波形,生成相应回放信号数据文件,下载后进行回放。在示波器上单次触发模式观测产生信号波形内部是否连续、正确。如果回放脉冲信号分帧处理后与数字产生脉冲波形一致,则脉冲宽度跨处理帧长的实现正确。

表1　跨帧处理测试用基本参数列表

将示波器保持的部分数据导出到Matlab中分析。

两个脉冲之间PRT为0.02 μs,信号载频为50 MHz .从图12中可以看出,示波器采样得到的信号

图12　脉冲跨处理帧长Matlab分析Fig.12　Matlab analysis of framing processing results

自440 μs处开始有效。在3 440 μs处达到数据处理帧长,观测3 440 μs处的数据,检测信号拼接完整。示波器与MATLAB分析得到的PRT与PW分别为5 000 μs,4 000 μs .脉内载频信息为50 MHz .在处理帧长分开两帧数据处,数据拼接完整。

4.2叠加噪声的雷达通信同时发射信号测试

该测试主要体现在连续存储模式下,雷达信号和通信信号同时存在且叠加噪声时,能否正确进行叠加生成相应的波形,噪声是否能连续叠加在产生的信号中[12]。

雷达信号设置一部雷达单个波形,通信信号设置一部通信,参数按照下表所列测试参数。

将噪声功率设置为-20 dBm .然后生成相应回放信号数据文件,下载后进行回放。在示波器上观测产生信号,并将相应信号保存为数据文件,利用Matlab分析信号。

从图13-a可以看出脉宽为10 μs,PRT为50 μs；13-b可以看出载波周期为0.02 μs,载频为50 MHz；图13-c中的115.1～116.1 μs是雷达信号关闭期间,此时只存在ASK与噪声,可以看到纯噪声与叠加噪声的通信信号;此时每个ASK信号含有2的整数倍个正弦载波,基带宽度如图0.08 μs,则载波周期0.04 μs,载波频率为25 MHz .图13-d中的98.3～98.9 μs是雷达信号发射期间,此时存在雷达、ASK与噪声,可以看到雷达信号加噪声,雷达与ASK叠加噪声信号。回放信号的相应参数与设置一致,噪声能够连续叠加在产生的信号中,功能实现正确。

表2　叠加噪声的雷达与通信信号同时发射测试结果记录

5结束语

针对教学和科研中对复杂电磁信号环境模拟仪器的需求,通过各类信号的建模、链表构建脉冲序列解决多部辐射源脉冲流交错产生问题、固定帧长处理方式解决了大容量缓存空间开辟等难点,设计实现了一款基于计算和实时回放的电磁环境信号综合模拟仪。通过测试证明了开发仪器功能的正确性,并且在软硬件方面均具有较好的可扩展性。完成的综合模拟仪可以在信号处理课程实验中用于各类实际信号的模拟和演示,增强学生对各类电磁信号时频特征的感性认识;在电磁环境监测分析等科研项目中用于各类不同信号密度要求的测试信号产生,支持研制设备的功能调试和性能测试。

a-雷达脉宽与PRT观测;b-雷达载频观测;c-叠加观测;d-叠加观测图13　叠加噪声的雷达通信同时发射信号的Matlab分析Fig.13　Matlab analysis of transmitted radar & communication signal(Noise Added)

参考文献：

[1]汪连栋,许雄,曾勇虎,等.复杂电磁环境问题的产生与研究[J].航天电子对抗,2013(2):20-22.

[2]郑灼洋,蔡文琦,孔令峰,等.基于通用仪表的复杂电磁环境构建技术[J].现代雷达,2013(12):89-93.

[3]李为玉,蒋晓红.矢量信号源E8267D在雷达目标信号模拟中的应用[J].测控技术,2011,30(12):128-131.

[4]段连明.电磁信号环境模拟技术实现研究[D].北京:北京理工大学,2010.

[5]高梅国,刘国满,田黎育.高速数字信号处理器结构与系统[M].北京:清华大学出版社,2009.

[6]丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.

[7]赵国庆.雷达对抗原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.

[8]严蔚敏,吴伟民.数据结构(C语言版)[M].北京:清华大学出版社,2011.

[9]谭浩强.C程序设计(第二版)[M].北京:清华大学出版社,1999.

[10]任哲.MFC Windows应用程序设计(第3版)[M].北京:清华大学出版社,2013.

[11]张德丰.详解MATLAB数字信号处理[M].北京:电子工业出版社,2010.

[12]樊昌信.通信原理[M].北京:国防工业出版社,1995.

(编辑：刘笑达)

Design and Implementation of General-Purpose Environmental Signal Simulation Device

YANG Jing,ZHANG Qinqyuan,HUANG Zhen

(SchoolofInformationandElectronics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081，China)

Abstract:Modern electromagnetic signal environment has some common features,such as complex and variable, multiple types, fast transition in waveform and frequencies. Aimed at all the key problems above, this paper designs and implements one kind of general-purpose environmental signal simulation device by using the architecture of computation in advance and playback in real time applications. The given test results show that the device can function properly in corresponding signal generation and has good expansibility in both hardware and software aspects.It can meet the requirements for environmental signal simulation in teaching and researching.

Key words:electromagnetic environment;signal simulation;overlapped pulses;fixed length frame

文章编号:1007-9432(2016)02-0200-07

*收稿日期：2015-08-21

基金项目：国家自然科学基金资助项目：空间监视网传感器高效调度关键技术研究(61401024)

作者简介：杨静(1977-)，女，山西五台人，博士，实验师，主要从事信号与信息处理研究，(E-mail)yang_jing@bit.edu.cn

中图分类号:TP301

文献标识码:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.02.015