摘要文章主要讨论了一种信号模拟器的硬件组成、工作原理以及软件架构重点叙述了信号模拟器的关键技术及问题解决途径并对其实现情况进行了分析

关键词直接数字频率合成;幅相一致性;信号模拟器;脉压雷达信号;重频

中图法分类号：TN955文献标识码：A

Design and research of signal simulator

WANG Yunfeng

（Ceyear Technologies Co.，Ltd.，Qingdao，Shandong 266555，China）

Abstract：This paper mainly discusses the hardware composition，working principle and softwarearchitecture of a signal simulator，focuses on the key technologies and solutions of the signalsimulator，and analyzes its implementation.

Key words：direct digital frequency synthesis，amplitude phase consistency，signal simulator，pulsecompression radar signal，repetition frequency

1  引言

随着集成电路、微波毫米波以及现代计算机技术的快速发展，各类电子设备尤其是雷达设备在功能、性能、技术参数和信号样式等方面升级换代的速度越来越快。作为与雷达设备进行“斗争”的设备，为了适应雷达设备的相关变化，电子对抗设备需要以更快的速度进行发展。为了缩短电子对抗设备的研发周期，电子对抗设备生产厂家大多在调试阶段采用信号模拟器模拟雷达信号对其设备进行性能指标的验证，为检测电子对抗设备提供评估方法。

本文所述的信号模拟器用于模拟空间中的多个不同方向的信号在多个接收天线的不同响应特征，用于验证接收算法的适应性及接收性能。由于多个信号在数字域直接合成，信号的相互重叠后，仍不影响各信号的独立空间响应特性，相对传统的模拟移相体制（同一时刻，仅有一种移相值），该信号模拟器具有多信号同时模拟、时域可重叠、一致性好等优势，具备更加真实的信号模拟能力。

2  设计原则

突出综合化、通用化和功能模块化的设计思想，采用通用化的硬件平台，各项信号处理功能都按模块化设计，植入方便，易于调试，以提高设备的可靠性和可维护性。（1）采用共用资源和通用资源构建功能线程硬件平台;（2）考虑经济可承受性，尽量采用低成本设计;（3）系统采用开放性、可扩展性设计，方便技术更新及增加新功能。

3  硬件组成及工作原理

信号模拟器的组成要素如图1 所示。系统采用模块化设计，包含嵌入式计算机单元、中频信号产生单元、中频信号调理单元等，均按6U 标准 CPCI 模块设计，具备最大的系统灵活性。

信号模拟器的工作原理如图2 所示。通过主控软件实现雷达信号参数、雷达来波方向及接收布阵情况等参数编辑，嵌入式计算机主要完成信号参数的分解并下发到中频信号产生模块。中频信号产生模块采用高速信号产生及并行处理技术，实现多通道中频信号的并行产生;中频信号产生单元按控制时序向中频信号调理单元下发控制参数。中频信号调理单元完成中频信号的滤波、放大及数控衰减等。直流电源提供模拟器工作所需的各种工作电压。

模擬器在多个通道上同时产生多部雷达信号，对中频信号产生要求极高，基带信号的性能将决定模拟器输出信号的性能指标。因此，采用大规模 FPGA 与高速 D/A 的数字频率合成器作为基带信号源，实现宽带多信号的并行产生，并在中频带宽内实现纳秒量级的频率转换，同时产生多部脉内调频、相位编码等复杂脉冲调制的特殊体制雷达信号。

4  软件设计

信号模拟器控制软件采用模块化、分层次结构进行设计。信号模拟器控制软件层次结构如图3 所示。

用户层：位于系统软件的最上层，主要由软件用户操作界面构成，与用户进行交互，为用户提供系统参数设置、工作模式设置操作等交互接口。

参数处理层：主要完成系统参数的计算、处理功

能。接收用户层传递来的信号参数，并对参数进行处理转换，以便传递给硬件控制层。同时，接收有效数据包，并对数据包进行协议解析，以提取相应雷达信号参数，然后对提取的参数和数据进行转换翻译处理，以备硬件控制层使用。另外，将部分参数返回给通信接口处理层打包，然后下发给信号模拟器硬件。当用户层需要当前系统参数时，参数处理层直接将参数数据提供给用户层。

硬件控制层：位于系统软件的最底层，对下与模拟器系统硬件交互，对上为参数处理层服务。主要由各硬件模块的驱动程序组成，同时还使用一个硬件状态监视。

5  关键技术及实现

5.1  直接数字频率合成技术

直接数字频率合成技术是模拟器实现各种复杂调制脉冲的关键技术，采用基于高速 D/A、可编程逻辑器件（FPGA）、高速数据存储器件构建的直接数字频率合成技术，能灵活实现各种数字波形及频率合成;利用 FPGA 的可编程逻辑实现功能，高效地分配协调处理资源，灵活实现数字技术任意波形合成;还可在硬件电路不变的情况下，通过修改软件，方便地实现对该功能模块的改进及功能扩展;应用该技术，可以实现基带频率合成的小型化和可编程性，大大提高了设计的灵活性。

数字频率合成器技术（ DDS）[1～2]及大规模可编程数字集成电路的广泛应用，使得模拟脉冲压缩、频率跳变等多种复杂体制雷达信号成为可能，DDS 频率合成器具有较高的频率转换速度，通过控制 DDS 的频率码及调制工作方式，可产生线性调频信号和相位编码信号，其输出信号的带宽可达1000MHz。

DDS 的频率控制位为28位，频率分辨率为1Hz，输入方式为并行输入，对应需要产生信号的频率，作为相位累加器预置的基本相位增量 M 。

相位累加器相当于一个受外部时钟控制的计数器，每来一个时钟，相位累加器就将输出累加相位与频率控制预置的相位增量 M 相加，将累加器的结果作为一个地址，对正弦查找表进行寻址。

波形表是一个可编程存储器（PROM），它存有一个完整周期的正弦波数据，在参考时钟fr的驱动下，地址计数器逐步经过 PROM，地址中相应的数字信号输入到 n 位数模转换器（DAC）的输入端，DAC 输出模拟信号，经低通滤波器（ LPF），得到一个频谱纯净的正弦波。

通过直接数字频率合成技术，FPGA 内部可同时产生多个调制信号，且可保证每个信号的完整性。多信号输出时的实际测试波形如图4 所示。

5.2  发射技术

发射技术充分利用了数字技术的灵活性，具有容易實现多波束、极低的副瓣电平，可以灵活地改变波束形状与方向、幅相校正方便以及可以自适应干扰调零等重要特性[3]。

采用发射技术，相对传统的相控阵系统有如下优势：（1）发射信号的波束方向及扫描都采用全数字方式，波束扫描速度快、控制更灵活;（2）模块间的幅相校正只需要在数字部分完成，校正更容易，并且对系统的幅相一致性要求更低;（3）幅度、相位控制精度高，一致性好。

由于每个输出接口中各信号的幅度、相位独立计算，多个信号在时域重叠后，也不会影响各信号的输出特性，就能更加逼真的模拟多信号、多方向，同时辐射信号的场景。

5.3  基带实时调制技术

传统模拟系统中，通过在末级加入数控衰减器调整设备输出功率，这针对单信号或时域不重叠的多个信号输出时适用。如果多信号并行输出时，由于各信号的输出功率及功率变化规律并不相同，如果采用统一的衰减控制，当信号在时域重叠时，无法兼顾多个信号，致使信号失真，无法真正模拟复杂场景下的电磁特性。

通过把天线前端的数控衰减器下移到数字中频部分，通过数字方式独立完成各信号的幅度控制，满足各信号独立的幅度变化特性要求。多信号独立扫描特性实际测试效果如图5 所示。

5.4  复杂信号合成技术

在小型化设备上逼真模拟各种复杂雷达信号，是一个技术难点，模拟包括常规脉冲雷达信号、线性调频脉压雷达信号、相位编码脉压雷达信号、脉组频率跳变、脉组频率参差、频率捷变雷达信号、重频抖动、重频参差等信号类型。

采用基于高速 D/A、可编程逻辑器件（FPGA）、高速数据存储器件构建的直接数字频率合成技术，结合复杂信号的数字建模，能灵活实现各种数字波形及频率合成。利用 FPGA 的可编程逻辑实现功能，高效地分配协调处理资源，可灵活实现数字技术任意波形合成 [4]。还可在硬件电路不变的情况下，通过修改软件，方便地实现对该功能模块的改进及功能扩展。应用该技术，可以实现基带频率合成的小型化和可编程性，大大提高了设计的灵活性。

6  结论

通过上述设计，实现了常规脉冲雷达信号、线性调频脉压雷达信号、相位编码脉压雷达信号、脉组频率跳变、脉组频率参差、频率捷变雷达信号、重频抖动、重频参差等信号模拟，已经应用在多个信号处理设备的研制与生产过程中。

参考文献：

[1 ] 张卫清，谭剑美，陈菡.DDS 在数字阵列雷达中的应用[J].雷达科学与技术，2008，6（6）：467⁃471.

[2] 詹俊鹏.基于 DDS 技术的雷达信号模拟器设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[3] 鉴福升，陈图强.非线性调频信号设计中的组合窗优化法[J].雷达与对抗，2001（2）：19⁃24.

[4] 徐飞.基于 FPGA 的非线性调频信号脉冲压缩的实现[D].西安：西安电子科技大学，2014.

作者简介：

王云峰（1983—） ，本科，研究方向：测试应用技术及市场动态。