虛擬儀器設(shè)計(jì)的雷達(dá)信號(hào)模擬系統(tǒng)

1 引言

傳統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)射機(jī)，采用專用的信號(hào)發(fā)生模塊，無(wú)法任意的設(shè)置波形形式、參數(shù)，信號(hào)中心頻率，信號(hào)功率等。在一定程度上限制了應(yīng)用范圍。尤其在雷達(dá)的預(yù)研和新技術(shù)的探索階段，要對(duì)各種雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或評(píng)估，如果為每種雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)專用的信號(hào)發(fā)生模塊，將極大的耗費(fèi)成本。如果使用虛擬儀器技術(shù)，集成高性能的商用測(cè)試儀器，通過(guò)編程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能，可以有效模擬多種雷達(dá)信號(hào)，并以較大的靈活性對(duì)雷達(dá)信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，克服通用性差的問(wèn)題，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。

2 雷達(dá)信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)

雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生原理方框圖如圖1所示，基帶信號(hào)發(fā)生模塊利用D/A變換，將數(shù)字存儲(chǔ)波形轉(zhuǎn)換為I/Q兩路基帶模擬信號(hào)輸出。I/Q調(diào)制模塊對(duì)I/Q兩路信號(hào)進(jìn)行正交載波的調(diào)制，將信號(hào)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(dá)信號(hào)。

3 基于虛擬儀器的雷達(dá)信號(hào)模擬系統(tǒng)

在雷達(dá)新體制的預(yù)研論證階段，利用基于虛擬儀器的雷達(dá)信號(hào)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(hào)源以及脈沖信號(hào)源作為硬件平臺(tái)，在Agilent VEE下開發(fā)虛擬儀器軟件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了通用雷達(dá)信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)的模擬。

3.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(guò)數(shù)字存儲(chǔ)，數(shù)模轉(zhuǎn)換的功能完成基帶或中頻模擬IQ信號(hào)的輸出。通過(guò)軟件控制，任意波形發(fā)生器模擬基帶模擬信號(hào)發(fā)生模塊，實(shí)現(xiàn)如下功能：

1. 對(duì)脈沖波形的輸出進(jìn)行回放控制，實(shí)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(shí)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(shí)間寬度，重采樣速率可以通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)置。

3.1.2 矢量信號(hào)源

矢量信號(hào)源輸入I/Q信號(hào)完成正交調(diào)制，上變頻的功能。通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)如下功能：

1. 可以調(diào)節(jié)輸出雷達(dá)信號(hào)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(dá)脈沖調(diào)制提供所需的觸發(fā)脈沖，并進(jìn)行脈沖重復(fù)頻率PRF 的設(shè)置。實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(hào)源。各大儀器產(chǎn)商都有相應(yīng)的產(chǎn)品。為了驗(yàn)證實(shí)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和矢量信號(hào)源E8267D，并選用該公司的81110A脈沖發(fā)生器作為脈沖源。其中81110A和E8267D通過(guò) GPIB總線與工控機(jī)連接，N6030A則通過(guò)PXI總線與工控機(jī)相連。工控機(jī)運(yùn)行虛擬儀器軟件，通過(guò)PXI總線與GPIB總線分別與各個(gè)儀器通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的遠(yuǎn)程控制。

3.2 虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)

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(jí)和擴(kuò)充。儀器驅(qū)動(dòng)程序是儀器功能控制函數(shù)以及儀器參數(shù)變量的*。儀器控制模塊是由程序定義的儀器驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序中提煉出來(lái)，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(duì)測(cè)試測(cè)量應(yīng)用的圖形化開發(fā)環(huán)境：NI LabVIEW， Agilent VEE等。

在開發(fā)過(guò)程中，選用Agilent VEE （Virtual Engineering Environment）開發(fā)環(huán)境。VEE采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)，適合于測(cè)試和測(cè)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(diǎn)有：對(duì)編程語(yǔ)言進(jìn)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(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)VXI、GPIB、PXI、串口等總線接口的控制。提供了大量的函數(shù)庫(kù)，并可以與C /C++，MATLAB等進(jìn)行混合編程。

3.2.2 基于驅(qū)動(dòng)程序的儀器控制模塊設(shè)計(jì)

儀器驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)現(xiàn)儀器功能的控制函數(shù)和參數(shù)的*。它是軟件與儀器通信的橋梁。儀器都在出產(chǎn)時(shí)隨產(chǎn)品附帶了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，而虛擬儀器軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，通過(guò)接收用戶操作面板傳來(lái)的用戶設(shè)置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)豐富的信號(hào)設(shè)置功能，完成自動(dòng)控制的任務(wù)。通過(guò)調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)程序的接口函數(shù)，可以設(shè)計(jì)出符合功能需求的系統(tǒng)。

圖4說(shuō)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(shí)鐘設(shè)置，每一級(jí)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(hào)中心頻率的配置，信號(hào)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(gè)子進(jìn)程，其流程圖如圖5所示。它的功能是通過(guò)調(diào)用任意波形發(fā)生器驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)，控制任意波形發(fā)生器的波形回放過(guò)程。兩個(gè)分支分別實(shí)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(shí)，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(hào)在數(shù)字存儲(chǔ)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。

圖6. 線性調(diào)頻信號(hào)及觸發(fā)脈沖

4 結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬儀器的雷達(dá)信號(hào)模擬系統(tǒng)較之以往的專用雷達(dá)信號(hào)系統(tǒng)有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：

1） 通用性：波形信號(hào)形式，中心頻率，功率，脈沖重復(fù)頻率等都可以進(jìn)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(jí)，容易集成其它儀器儀表到系統(tǒng)中，擴(kuò)充系統(tǒng)功能。

3） 充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，降低研發(fā)成本和周期，適用于雷達(dá)系統(tǒng)新體制的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)階段.