0 引言

    現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)狀,，提出了電磁環(huán)境仿真的關鍵技術、仿真方式和實現(xiàn)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(xiàn)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(shù),，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(shù)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(xiàn)。整個仿真系統(tǒng)的結構如圖1所示,。

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(xiàn),，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(xiàn)。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(shù)據庫，能夠實現(xiàn)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(shù)包括：雷達型號,、國別,、雷達模式,、雷達PDW參數(shù)（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(shù)（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(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)等均可獨立配置，配置完畢后FPGA采用直接數(shù)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(shù)據，多路信號的輸出相加后,，寫入高速DAC作數(shù)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,。

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(shù)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]：

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,。

    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。

3.2 FPGA與高速DAC的接口設計

    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(shù)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(shù)據,，且每個端口采用雙倍時鐘速率DDR來采集數(shù)據,，即在時鐘的上升沿和下降沿同時采集數(shù)據，這樣AD9129的數(shù)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(shù)據傳輸?shù)恼_率。AD9129在700 MHz的數(shù)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(shù)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(shù)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(xiàn),，信號層仿真在Xilinx提供的Vivado集成開發(fā)環(huán)境中設計實現(xiàn),。通過在Vivado中綜合實現(xiàn)，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,。

    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(shù)進行設置。

    設置完參數(shù)后通過在Vivado中進行功能仿真得到仿真數(shù)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(shù)相吻合,。

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(xiàn)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(xiàn)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,。

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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）