基于虛擬儀器的雷達信號模擬系統(tǒng)的設(shè)計

　　1 引言

　　傳統(tǒng)的雷達發(fā)射機，采用專用的信號發(fā)生模塊，無法任意的設(shè)置波形形式、參數(shù)，信號中心頻率，信號功率等。在一定程度上限制了應(yīng)用范圍。尤其在雷達的預(yù)研和新技術(shù)的探索階段，要對各種雷達信號進行實驗或評估，如果為每種雷達信號設(shè)計專用的信號發(fā)生模塊，將極大的耗費成本。如果使用虛擬儀器技術(shù)，集成高性能的商用測試儀器[1]，通過編程設(shè)計系統(tǒng)的功能，可以有效模擬多種雷達信號，并以較大的靈活性對雷達信號的參數(shù)進行設(shè)置，克服通用性差的問題，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。

　　2 雷達信號發(fā)生系統(tǒng)

　　雷達信號產(chǎn)生原理方框圖如圖1所示，基帶信號發(fā)生模塊利用D/A變換，將數(shù)字存儲波形轉(zhuǎn)換為I/Q兩路基帶模擬信號輸出。I/Q調(diào)制模塊對I/Q兩路信號進行正交載波的調(diào)制，將信號中心頻率搬移到射頻或微波頻段，系統(tǒng)最后的輸出就是所需的雷達信號。

圖1. 雷達信號產(chǎn)生原理圖

　　3 基于虛擬儀器的雷達信號模擬系統(tǒng)

　　在雷達新體制的預(yù)研論證階段，利用基于虛擬儀器的雷達信號發(fā)生系統(tǒng)，可以滿足應(yīng)用需求。利用任意波形發(fā)生器、矢量信號源以及脈沖信號源作為硬件平臺，在Agilent VEE下開發(fā)虛擬儀器軟件進行控制，實現(xiàn)了通用雷達信號發(fā)生系統(tǒng)的模擬。

　　3.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，下面介紹各模塊的功能。

圖2. 儀器的硬件連接

　　3.1.1 任意波形發(fā)生器

　　任意波形發(fā)生器通過數(shù)字存儲，數(shù)模轉(zhuǎn)換的功能完成基帶或中頻模擬IQ信號的輸出。通過軟件控制，任意波形發(fā)生器模擬基帶模擬信號發(fā)生模塊，實現(xiàn)如下功能：

　　1. 對脈沖波形的輸出進行回放控制，實現(xiàn)單脈沖波形或脈沖波形序列的輸出。

　　2. 并可以設(shè)置脈沖時間的寬度，脈沖內(nèi)的波形參數(shù)（如頻率或帶寬等）。

　　3. 脈沖時間寬度，重采樣速率可以通過軟件進行設(shè)置。

　　3.1.2 矢量信號源

　　矢量信號源輸入I/Q信號完成正交調(diào)制，上變頻的功能。通過遠程控制實現(xiàn)如下功能：

　　1. 可以調(diào)節(jié)輸出雷達信號中心頻率以及輸出功率的大小。

　　2. 可以調(diào)節(jié)I/Q兩支路的幅度和相位平衡。

　　3.1.3 脈沖發(fā)生器

　　脈沖發(fā)生器可以為雷達脈沖調(diào)制提供所需的觸發(fā)脈沖，并進行脈沖重復(fù)頻率PRF 的設(shè)置。實現(xiàn)各個模塊之間的相參和同步。

　　上述系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊是任意波形發(fā)生器和矢量信號源。各大儀器產(chǎn)商都有相應(yīng)的產(chǎn)品。為了驗證實現(xiàn)該系統(tǒng)，我們選用了安捷倫公司的任意波形發(fā)生器 N6030A[2]和矢量信號源E8267D[3]，并選用該公司的81110A脈沖發(fā)生器[4]作為脈沖源。其中81110A和E8267D通過 GPIB總線與工控機連接，N6030A則通過PXI總線與工控機相連。工控機運行虛擬儀器軟件，通過PXI總線與GPIB總線分別與各個儀器通信，實現(xiàn)對儀器的遠程控制。

　　3.2 虛擬儀器軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件組成如圖3所示，采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)的升級和擴充。儀器驅(qū)動程序是儀器功能控制函數(shù)以及儀器參數(shù)變量的集合。儀器控制模塊是由程序定義的儀器驅(qū)動程序的子集，它將構(gòu)建系統(tǒng)需要的儀器功能函數(shù)和參數(shù)從驅(qū)動程序中提煉出來，以適合用戶的需求。

圖3. 系統(tǒng)軟件組成框圖

　　3.2.1 VEE圖形化開發(fā)環(huán)境

　　虛擬儀器開發(fā)環(huán)境包括常見的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境如：VC++，VB，MATLAB，以及專門針對測試測量應(yīng)用的圖形化開發(fā)環(huán)境：NI LabVIEW， Agilent VEE等。

　　在開發(fā)過程中，選用Agilent VEE （Virtual Engineering Environment） 開發(fā)環(huán)境[5]。VEE采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計技術(shù)，適合于測試和測量領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真與儀表備優(yōu)化控制等應(yīng)用。它的主要特點有：對編程語言進行了的圖形化處理，采用數(shù)據(jù)流程圖方式編寫代碼，編程效率高。提供了豐富的儀器I/O驅(qū)動實現(xiàn)對VXI、GPIB、PXI、串口等總線接口的控制。提供了大量的函數(shù)庫，并可以與C /C++，MATLAB等進行混合編程。

　　3.2.2 基于驅(qū)動程序的儀器控制模塊設(shè)計

　　儀器驅(qū)動程序是實現(xiàn)儀器功能的控制函數(shù)和參數(shù)的集合。它是軟件與儀器通信的橋梁。儀器都在出產(chǎn)時隨產(chǎn)品附帶了相應(yīng)的驅(qū)動程序，而虛擬儀器軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上[6]，通過接收用戶操作面板傳來的用戶設(shè)置參數(shù)，實現(xiàn)豐富的信號設(shè)置功能，完成自動控制的任務(wù)。 通過調(diào)用儀器驅(qū)動程序的接口函數(shù) [7], [8], [9]可以設(shè)計出符合功能需求的系統(tǒng)。

　　圖4說明了軟件的流程。軟件的功能包括儀器的尋址，儀器間的相參設(shè)置，重采樣時鐘設(shè)置，每一級輸出功率配置，觸發(fā)源的選擇，觸發(fā)脈沖PRF值的配置，輸出信號中心頻率的配置，信號波形的建模，數(shù)據(jù)生成和存取，以及波形的輸出回放控制。其中波形回放控制部分是一個子進程，其流程圖如圖5所示。它的功能是通過調(diào)用任意波形發(fā)生器驅(qū)動程序的函數(shù)，控制任意波形發(fā)生器的波形回放過程。兩個分支分別實現(xiàn)單一脈沖波形的輸出和脈沖波形序列的輸出。

圖4 虛擬儀器程序執(zhí)行流程圖

圖5. 波形回放流程圖

　　圖6是任意波形發(fā)生器在單一波形輸出模式下時，在PRF = 2000KHz的觸發(fā)脈沖控制下，輸出的I/Q兩路線性調(diào)頻基帶（-300～+300MHz）模擬信號在數(shù)字存儲示波器上顯示的圖像。觸發(fā)脈沖寬度為300us，脈沖波形寬度為16us。

a. 時間軸分辨率100us/格

b. 時間軸分辨率2.00us/格
圖6. 線性調(diào)頻信號及觸發(fā)脈沖

　　4 結(jié)束語

　　基于虛擬儀器的雷達信號模擬系統(tǒng)較之以往的專用雷達信號系統(tǒng)有以下幾個創(chuàng)新點：

　　1） 通用性：波形信號形式，中心頻率，功率，脈沖重復(fù)頻率等都可以進行很靈活的設(shè)置。

　　2） 軟件定義系統(tǒng)功能，方便系統(tǒng)的升級，容易集成其它儀器儀表到系統(tǒng)中，擴充系統(tǒng)功能。

　　3） 充分利用實驗室資源，降低研發(fā)成本和周期，適用于雷達系統(tǒng)新體制的研發(fā)和實驗階段