复杂电磁威胁信号环境模拟器的设计与实现

杨博盛

(1.解放军91404部队,河北 秦皇岛 066001；2.解放军91336部队，河北 秦皇岛 066326)

0 引 言

当今世界信息化变革和军事发展迅速，复杂电磁环境日益成为人们关注的焦点，尤其是在军事领域[1]。随着各种电子信息装备释放的高密度、高强度、多频谱、多体制的电磁波的不断增加，电磁空间也成为一个重要的战场空间，现代战场环境已由海、陆、空、天的四维战场空间发展成了海、陆、空、天、电磁五维战场空间，构成了现代战场的实际战区复杂电磁环境[2]。由于空间电磁设备的不断扩张，战场环境发生了重大改变，迫使信息化战场从传统的夺取制空权转换为制电磁权[2]，作为信息战中的电子战装备必须适应日益复杂的电磁环境。

复杂电磁信号环境是存在于给定场所的所有电磁活动和现象的总和，也是电磁空间的一种具体表现形式，体现了电子系统或电子装备在执行规定任务时遇到的各种电磁辐射强度在频域、时域、空域内的分布态势。对战场电磁环境最本质的特性描述就是复杂性，描述了电磁环境在一定的战场时域、空域范围内，自然电磁现象、人为电磁辐射、敌我双方激烈对抗等综合作用所形成的电磁环境的信号密集性、体制繁杂性、动态多变性、对抗激烈性等复杂特性。电磁活动和现象包括自然电磁现象、民用电磁现象、敌对双方的电磁应用和反电磁应用活动，涉及雷达、电子对抗、通信、导航、定位等，这些综合形成了电子战装备面临的复杂、密集、动态的电磁环境和电子威胁。

复杂电磁威胁信号环境模拟器的核心任务就是在实验室、试验场、电子靶场等场所为电子战装备提供试验所需的复杂电磁信号环境和电子威胁信号，以考核电子战装备的复杂电磁环境适应能力和雷达威胁识别能力，已成为电子战装备提供试验必不可少的重要试验配试设备。

1 系统组成

复杂电磁威胁信号环境模拟器的技术基础为半实物仿真技术。半实物仿真技术又称硬件在回路[3-4]，它是将数学模型、实体模拟和物理设备联系在一起，是计算机技术与物理效应仿真相结合的产物[5]。复杂电磁威胁信号环境模拟器通过半实物仿真技术，构建了集雷达威胁信号、通信信号、塔康信号、敌我识别信号、数据链信号模拟于一体的半实物仿真系统，主要由显示控制计算机、基带信号产生单元、微波射频系统、功放天线单元等组成，其系统组成原理框图如图1所示。

图1 复杂电磁威胁信号环境模拟器系统组成原理框图

2 运行原理

根据电子战装备调试、试验、训练、演练需求，通常要求复杂电磁威胁信号环境模拟器具备雷达威胁信号、通信信号、塔康信号、敌我识别信号、数据链信号等电磁信号模拟能力。

雷达信号模拟时，通过显示控制单元的人机界面设置辐射源类型，辐射源数量，载频、重频、脉宽、脉内调制等辐射源参数，天线扫描等参数和辐射源开启时刻、模式切换时刻、关闭时刻等动态特征进行设置，生成初始战情数据，发送给基带信号产生单元。基带信号产生单元通过现场可编程门阵列(FPGA)和高速数模转换器(DAC)构建具有调频调相功能的宽带直接数字合成器(DDS)，根据收到的初始战情数据，在每个仿真周期内完成对射频信号的频率、脉宽、重频以及幅度等多种形式调制信号的实时解算，解算出辐射源的脉冲描述字(PDW)，包括每个辐射源的到达时间(TOA)、频率(RF)、脉宽(PW)、脉幅(PA)及脉内调制信息，并根据脉冲丢失准则进行脉冲排队，完成多个脉冲的时序排队，生成所有雷达辐射源的脉冲描述字(PDW)数据流，控制宽带DDS，模拟产生各种体制雷达辐射源信号的中频基带信号。雷达脉冲描述字控制流主要是控制每一个脉冲的出现时间、频率、脉内调制、脉宽、幅度。基带信号产生单元产生的各种体制雷达威胁辐射源中频基带信号经微波射频系统完成上变频和幅度控制，从而生成各种体制雷达威胁辐射源射频信号。各种体制雷达威胁辐射源射频信号通过射频电缆注入被试电子战装备，或经过功放、天线单元辐射至被试电子战装备。

通信信号模拟时，通过显示控制单元的人机界面设置通信信号参数，包括调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)、单边带(SSB)、双边带(DSB)、残留边带(VSB)、连续波(CW)等模拟体制通信信号参数和幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)、幅相键控(APK)、正交相移键控(QPSK)、正交频移差异多路技术(OFDM)等数字体制通信信号参数，发送给基带信号产生单元，在基带信号产生单元中完成调制映射、多速率内插滤波、多相滤波、正交上变频等处理，生成各种体制通信信号的基带信号。各种体制通信信号的基带信号经微波射频系统完成上变频和幅度调制，从而生成各种体制通信信号。

对塔康(TACAN)信号的模拟包括基本编码(X工作模式、Y工作模式)、基准编码(主基准脉冲群、辅基准脉冲群)、识别编码(识别脉冲、平衡脉冲)、应答状态。塔康信号脉冲序列的发射优先次序为主基准脉冲群、辅助基准脉冲群，其次是识别脉冲和平衡脉冲，最后是回答脉冲和填充脉冲。塔康信号模拟时，主要根据塔康信标各种信号的格式及编码格式进行脉冲排队，并控制幅度控制器进行幅度调制，实现塔康信号的产生。

敌我识别(IFF)信号MARK X工作频率为询问信号1 030 MHz、应答信号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为军用识别询问，模式3/A(简称A模式)为兼用军用识别和民用识别询问，模式B只用于民用识别，模式C用于高度询问；模式D为备用询问模式，常用A、C两种模式。其询问信号的形式通常由3脉冲(分别为P1，P2，P3)询问体制确定。即不同询问信号的模式由脉冲P1与脉冲P3之间的不同间隔确定。P1和P2间隔在任何模式都是2 μs±0.15 μs，其中P1-P3模式询问脉冲，询问波束主瓣辐射。P2为旁瓣抑制脉冲(控制脉冲，抑制副瓣方向上应答机的应答)控制波束辐射。对MARK XII、MARK系列的码型也可以在获得码型后进行升级扩展。IFF信号的产生原理与塔康信号产生原理类似。

3 模型体系

复杂电磁威胁信号环境模拟器属雷达与电子战模拟仿真领域的核心设备，其实现离不开完备、逼真的仿真模型，其仿真模型体系如图2所示。

图2 复杂电磁威胁信号环境模拟器仿真模型体系

4 设计与实现

复杂电磁威胁信号环境模拟器包括显示控制计算机、基带信号产生单元、上变频单元、频率合成器、射频通道单元、功放天线单元等组成部分。其中，基带信号产生单元设计和微波射频系统设计是模拟器实现的两大关键。

4.1 基带信号产生单元设计

基带信号产生单元是一种通用的任意波形产生器模块，是专门针对雷达信号仿真的特点(如切换时间快、脉冲沿陡、波形调制复杂)而设计的通用化模块，利用模块强大的软件波形编辑和系统升级功能，满足了高密度、多信号、复杂电磁环境仿真的要求[6]。基带信号产生单元采用高性能FPGA和高速DAC构建具有调频调相功能的宽带DDS，采用高性能数字信号处理器(DSP)和高性能FPGA构成信号产生控制器，主要完成信号的时间、频率、相位、幅度等任意调制，从而实现了任意波形的产生，具有信号瞬时带宽宽、信号响应速度快、能够适应目前及将来数字雷达技术发展需求的优点。基带信号产生单元的DSP是信号解算和控制的实时解算核心，负责战情的实时解算、模式切换的实时控制，生成信号脉冲描述字数据流，采用TI公司的2片TMS320C-C6678信号处理器，是一款支持浮点运算和定点运算的高性能八核信号处理器，每核心主频1.0 GHz/1.25 GHz，单核可达40 GMACS和20 GFLOPS，每核心32 kBL1P、32 kBL1D、512 kBL2，4 MB多核共享内存，支持直接存储器存取(DMA)传输，支持千兆以太网。基带信号产生单元的高性能FPGA用于完成与上级控制系统通信、与DSP通信、基带调制信号、各微波的实时控制等。FPGA采用Xilinx V6系列芯片，该芯片具有241 152个逻辑单元、3 650个分布式随机存储器(RAM)、768个数字信号处理单元、2个PCI总线扩展(PCIE)接口、4个网络接口以及最多可提供20个GTX高速接口和600根数字IO，可配置成TTL或者低压差分信号(LVDS)电平形式，该FPGA具有串行、串行外设接口(SPI)、字节外设接口(BPI)等多种配置方式，以及丰富的时钟资源。基带信号产生单元的高性能DAC选用AD9739转换芯片，该DAC芯片是一款14 bit高性能DAC，提供高达2 500 MSPS的采样速率，支持多个奈奎斯特频率的基带多音信号产生，可产生带宽高达1 GHz的低噪声、低交调失真的高质量宽带信号，无杂散动态范围可达60 dBc@2 GSPS，同时带有双端口LVDS接口。基带信号产生单元的组成原理框图如图3所示。

图3 基带信号产生单元的组成原理框图

4.2 微波射频系统设计

微波射频系统主要功能是对基带产生单元生成的中频基带信号进行上变频、幅度调制，模拟产生各种体制雷达威胁信号、各种体制通信信号、塔康信号、敌我识别信号、数据链信号的射频信号，微波射频系统组成原理框图如图4所示。

图4 微波射频系统组成原理框图

4.3 软件系统设计

复杂电磁威胁信号环境模拟软件采用VC++和微软VS工具开发，采用Windows操作系统，符合标准Windows设计风格。复杂电磁威胁信号环境模拟软件的主要任务是完成模拟器系统的综合操控、运行控制、综合显示，进行模拟器的软硬件初始化、战情的设置与运行，战情解算与分解、态势和状态的显示，实时控制硬件系统完成雷达威胁信号、通信信号、塔康信号、敌我识别信号、数据链信号的模拟，以及保障模拟器各组成部分之间的信息通信和密切配合。复杂电磁威胁信号环境模拟软件流程设计如图5所示，人机界面设计如图6、图7、图8所示。

图5 复杂电磁威胁信号环境模拟软件流程

图6 综合控制人机界面

图7 通信模拟人机界面

图8 雷达威胁信号模拟人机界面

5 结束语

复杂电磁威胁信号环境模拟器属雷达与电子战模拟仿真领域的核心设备，采用半实物仿真技术，是电子战装备提供试验必不可少的重要试验配试设备，具备雷达威胁信号、通信信号、塔康信号、敌我识别信号、数据链信号等电磁信号模拟能力。本文阐述了复杂电磁威胁信号环境模拟器的系统组成、运行原理、模型体系、系统设计与实现，以期作为复杂电磁威胁信号环境模拟器研制的参考。