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復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境射頻級仿真研究
2017年電子技術應用第1期
白 玉1，楊斌斌1，楊承志2，王 龍2
1.沈陽航空航天大學 電子信息工程學院，遼寧 沈陽110136；2.空軍航空大學 信息對抗系，吉林 長春130022
摘要： 復雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境對于如何有效評估現有電子裝備的生存能力及訓練電子戰(zhàn)裝備作戰(zhàn)人員提出了嚴峻考驗。介紹了一種戰(zhàn)術與技術相融合的思想，采用戰(zhàn)術層仿真并結合信號層仿真實現了一種高逼真度的戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)。研究了典型作戰(zhàn)場景下目標輻射源的戰(zhàn)術與運動行為模型，結合輻射源目標數據庫，將輻射源的脈沖描述字通過PCIE高速串行總線實時更新到FPGA板，FPGA采用DDS方案，驅動高速DAC產生不少于20路經過復雜調制的基帶雷達信號。該方案已成功應用到某型戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)的設計實現中。
中圖分類號： TN974
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.023
中文引用格式： 白玉，楊斌斌，楊承志，等. 復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境射頻級仿真研究[J].電子技術應用，2017，43(1)：88-91.
英文引用格式： Bai Yu，Yang Binbin，Yang Chengzhi，et al. The complex battlefield electromagnetic environment simulation on RF level[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：88-91.
The complex battlefield electromagnetic environment simulation on RF level
Bai Yu1，Yang Binbin1，Yang Chengzhi2，Wang Long2
1.School of Electronic and Information，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China； 2.Department of Electronic Countermeasures，Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China
Abstract： The complex battlefield electromagnetic environment has made a serious ordeal for how to effectively evaluate the viability of the existing electronic equipment and training the personnel of EW equipment operator. A simulation thought of combine tactical and technical was proposed, with which a high fidelity of battlefield electromagnetic environment simulation system that tactical layer combined with signal simulation was realized. The typical operational scenarios tactics and behavior model of target radiation source were studied, combined with the database of target radiation source, the PDW of signal source was updated timely to FPGA board by the high speed serial bus PCIE, with the method of DDS, the high speed DAC was driven by FPGA to produce no less than 20 complex modulation baseband radar signals. The method has been successfully applied to the design of a certain type of battlefield electromagnetic environment simulation system.
Key words : battlefield；FPGA；DDS；high speed DAC

0 引言

    現代戰(zhàn)爭中異常激烈的電子對抗行動，使得作戰(zhàn)雙方所處戰(zhàn)場空間的電磁環(huán)境異常復雜。如何有效評估我國現有電子裝備在復雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境下的生存能力，研制或改進電子戰(zhàn)裝備，訓練電子戰(zhàn)裝備的作戰(zhàn)人員，已成為我軍迫切需要解決的問題。

    國內外眾多組織機構展開了對復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境的研究工作。文獻[1]介紹了美軍在電子靶場復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境構建方面的一些經驗和取得的進展；文獻[2]簡述了國內關于戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真研究的現狀，提出了電磁環(huán)境仿真的關鍵技術、仿真方式和實現手段；文獻[3]以全軟件的方法對典型的幾種雷達信號展開了軟件仿真；文獻[4]以MATLAB為工具，對雷達系統(tǒng)的回波信號進行了建模與仿真。

    從公開發(fā)表的文獻資料來看，國內關于戰(zhàn)場電磁環(huán)境的仿真，一些從信號仿真的角度出發(fā)，對典型的雷達信號、目標回波信號以及環(huán)境噪聲等展開仿真研究；其他的對戰(zhàn)場電磁環(huán)境構建的整體原則、關鍵技術、實現方式做了深入探討，這些研究均沒有將目標輻射源的戰(zhàn)術行為模型與運動行為模型等戰(zhàn)場態(tài)勢與雷達的輻射源的信號層仿真相結合，即未能完成對整個戰(zhàn)場電磁環(huán)境下雷達系統(tǒng)的戰(zhàn)術層仿真與信號層仿真相結合。本文從該角度出發(fā)，提出了基于信號級的、戰(zhàn)術與技術相融合的戰(zhàn)場電磁環(huán)境射頻級仿真系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

    復雜戰(zhàn)場電磁仿真系統(tǒng)的整體結構包括戰(zhàn)術層仿真和信號層仿真兩個方面。戰(zhàn)術層仿真由運行在計算機板上的戰(zhàn)術層仿真軟件完成，戰(zhàn)術層仿真主要完成戰(zhàn)場場景編輯、情報調用、波形編輯、場景播放等任務，在場景播放過程中解算相應的目標輻射源參數，通過PCIE高速串行總線，將輻射源的脈沖描述字實時更新到信號產生板；信號產生板主要完成信號層的仿真，其主要由一片高性能的FPGA芯片和一塊高速DA芯片組成，信號產生板接收到計算機板通過PCIE總線傳輸過來的輻射源參數后，用FPGA驅動高速DAC來產生不少于20路經過復雜調制的基帶雷達信號，將得到的基帶信號送至后續(xù)的變頻器，經過上變頻后經由天線輻射到外場空間去，即可完成高逼真度的戰(zhàn)場電磁環(huán)境的仿真再現。整個仿真系統(tǒng)的結構如圖1所示。

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2 戰(zhàn)術層仿真

    戰(zhàn)術層仿真由運行在計算機載板上的戰(zhàn)術層仿真軟件實現，戰(zhàn)術層仿真軟件使用C++語言在Visual Studio 2012環(huán)境中編程實現。戰(zhàn)術層仿真主要模擬典型作戰(zhàn)場景下的戰(zhàn)場態(tài)勢，及相應戰(zhàn)場態(tài)勢下目標輻射源的戰(zhàn)術行為與運動行為模型等。設計中，將戰(zhàn)術層仿真[3]分為電磁環(huán)境輻射源目標編輯系統(tǒng)與輻射源目標任務規(guī)劃推演系統(tǒng)，其中，電磁環(huán)境輻射源目標編輯系統(tǒng)依托大量真實輻射源構成的輻射源目標數據庫，能夠實現對戰(zhàn)場真實信號的輻射特性、掃描特性、戰(zhàn)術特性的描述與編輯。需要編輯的輻射源參數包括：雷達型號、國別、雷達模式、雷達PDW參數（載頻類型、載頻值、脈寬類型、脈寬值、間隔類型、間隔值）、威脅等級、雷達類型（地面武器控制雷達、機載火控雷達、艦載雷達等）、掃描類型（圓周掃描、扇形掃描、圓錐掃描）、掃描參數（功率、增益、掃描周期、掃描類型、天線俯仰角）；輻射源目標任務規(guī)劃推演系統(tǒng)能夠實現輻射源與偵察機戰(zhàn)術行為的編輯，結合真實的戰(zhàn)場地圖坐標數據，預先設定好輻射源與偵察機的航線規(guī)劃、輻射源位置及偵察機發(fā)現范圍，設置好后即可按照規(guī)劃好的戰(zhàn)場態(tài)勢進行作戰(zhàn)推演。推演過程中配置的各個輻射源的參數通過PCIE總線以xml文件的形式送至信號產生板，信號產生板依據真實雷達信號的參數產生所需的基帶雷達信號，通過上變頻后送至發(fā)射天線，由天線輻射到外場空間，即可得到高逼真度的射頻級雷達信號。

3 信號層仿真

    信號層仿真是用信號產生板產生各種調制類型的雷達信號的過程，即雷達信號源的設計。本設計選用FPGA驅動高速DAC來產生基帶雷達信號，要求能夠產生不少于20部的雷達信號，每部雷達信號瞬時帶寬大于950 MHz，且信號的調制類型、起始頻率、終止頻率、輸出功率、掃描參數等均可獨立配置，配置完畢后FPGA采用直接數字頻率合成(Direct Digital frequency

Synthesis，DDS)的方案，同時輸出多路復雜調制的波形數據，多路信號的輸出相加后，寫入高速DAC作數模轉換，即可得到相應的基帶信號。整個基帶雷達信號源的體系結構如圖2所示。

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3.1 基于DDS的信號產生原理

    DDS是一種基于相位累加結構的信號產生技術，與其他頻率合成方法相比具有很寬的輸出頻率帶寬，且具有頻率轉換時間短、分辨率高、可編程、全數字化等一系列優(yōu)點。本文結合DDS專用芯片的原理設計了如圖3所示的具有二階相位累加結構的DDS模塊[5]，在FPGA中使用多個該模塊來產生所需的信號。雷達信號的一般表達式如下所示[6]：

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其中，K(n)為n時刻的調頻斜率，Ω(n)為n時刻的頻率偏移，Φ(n)為n時刻的相位偏移。通過控制這3個量，即可輸出單載頻信號、線性調頻和相位編碼等調制形式的雷達信號。

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    在信號層仿真中，使用FPGA來產生多路復雜調制的雷達信號。從式(1)中可以看出，雷達信號的調制方式不外乎幅度調制、頻率調制、相位調制、時間調制這4種方式或這4種調制方式的隨意組合，幅度調制常見的是矩形脈沖調制，其信號波形比較簡單不作深入考慮。故本文將所設計的信號源劃分為時間調制模塊（TMM）、頻率調制模塊（FMM）、相位調制模塊（PMM），每個模塊分別負責產生時域調制控制信號、頻域調制控制信號和相位調制控制信號。通過這3個子模塊控制DDS模塊來生成各種調制類型的信號，最后在FPGA中將這4個模塊封裝為AXI總線結構的IP核[7]。該信號產生單元IP核的頂層結構如圖4所示。

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3.2 FPGA與高速DAC的接口設計

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    由于D/A芯片實時采樣率為2.8 GHz，故在FPGA中采用8個并行的信號生成單元來產生一路雷達信號，這樣FPGA的工作時鐘便降低為350 MHz，每個信號生成單元的參數按照式(3)～式(5)進行配置，配置完后，每個信號生成單元即可輸出一路頻率為350 MHz的信號；利用FPGA提供的并串轉換資源(OSERDES)，將每個信號源8個通道的信號并串轉換為2路并行的單端信號，2路單端信號經過單端轉差分(OBUFDS)后轉化為2對700 MHz的差分信號。使用加法器將20路信號源輸出的2路單端信號相加，相加后的2路信號送至高速D/A芯片AD9129。

    在本設計中，通過SPI總線將AD9129配置為使用雙端口傳輸數據，且每個端口采用雙倍時鐘速率DDR來采集數據，即在時鐘的上升沿和下降沿同時采集數據，這樣AD9129的數據采樣時鐘的頻率就降為芯片時鐘的1/4，降低時鐘的傳輸頻率意味著提高時鐘的質量，也可以提高數據傳輸的正確率。AD9129在700 MHz的數據輸入時鐘的驅動下，分別從P0和P1兩個端口使用DDR模式來采集FPGA送過來的兩對差分信號，信號被采樣后送至數據鎖存器，在外部時鐘芯片提供的2.8 GHz時鐘的驅動下，AD9129即可將鎖存器中的數字信號轉換為模擬信號。

4 驗證與分析

    本設計提出了戰(zhàn)術層與技術層相融合的戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)，戰(zhàn)術層通過C++語言在Visual Studio 2012環(huán)境中編程實現，信號層仿真在Xilinx提供的Vivado集成開發(fā)環(huán)境中設計實現。通過在Vivado中綜合實現，可知本設計占用了較少的FPGA資源，其中使用了640個DSP核、214個BRAM(Block RAM)及1個PCIE核，分別占總資源的18％、15％和33％。從而可以看出完全滿足不少于20部雷達信號的仿真的設計要求。FPGA資源消耗如表1所示。

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    在戰(zhàn)術層仿真軟件中設置作戰(zhàn)場景[8]，戰(zhàn)場上存在敵方地面預警雷達多部，分布在各個不同的地方，我方作戰(zhàn)飛機1架，對敵方戰(zhàn)區(qū)進行對地突防。推演開始后按照表2對各個輻射源參數進行設置。

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    設置完參數后通過在Vivado中進行功能仿真得到仿真數據，然后取出65 536個點導入MATLAB軟件中進行仿真波形驗證，得到如圖6所示的仿真結果，其中圖6(a)為4個輻射源的時域波形，圖6(b)為頻域波形。從圖6可以看出，雷達波形時域時交疊在一起，很難區(qū)分；在頻譜圖上，很容易區(qū)分出4部雷達，且得到各自的頻率調制特性，其中2部為單載頻信號，另外2部為線性調頻信號，與設置的參數相吻合。

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5 結語

    復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境的仿真研究對于提高我軍綜合作戰(zhàn)能力具有重要戰(zhàn)略價值，本文實現了戰(zhàn)術與技術相融合的仿真系統(tǒng)。從仿真結果可以看出，當存在4部雷達時，時域波形呈現出雜亂無章的特點，說明空間中的雷達信號已經非常復雜密集，表明了戰(zhàn)場電磁環(huán)境的復雜性，也進一步表明了對復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境展開仿真研究的必要性。

參考文獻

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[10] 王碩，馬永奎，高玉龍，等.基于FPGA的改進結構的DDS設計與實現[J].電子技術應用，2016，42(3)：28-30.



作者信息:

白  玉1，楊斌斌1，楊承志2，王  龍2

（1.沈陽航空航天大學 電子信息工程學院，遼寧 沈陽110136；2.空軍航空大學 信息對抗系，吉林 長春130022）

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