應用虛擬儀器對雷達信號系統模擬

1 引言

　　傳統的雷達發射機，采用專用的信號發生模塊，無法任意的設置波形形式、參數，信號中心頻率，信號功率等。在一定程度上限制了應用范圍。尤其在雷達的預研和新技術的探索階段，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計專用的信號發生模塊，將極大的耗費成本。如果使用虛擬儀器技術，集成高性能的商用測試儀器[1]，通過編程設計系統的功能，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進行設置，克服通用性差的問題，滿足多種多樣的應用要求。

　　2 雷達信號發生系統

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

圖1. 雷達信號產生原理圖

　　3 基于虛擬儀器的雷達信號模擬系統

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

　　3.1 系統的硬件結構設計

　　系統的結構圖如圖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 任意波形發生器

　　任意波形發生器通過數字存儲，數模轉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，任意波形發生器模擬基帶模擬信號發生模塊，實現如下功能：

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

　　2. 并可以設置脈沖時間的寬度，脈沖內的波形參數（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信號完成正交調制，上變頻的功能。通過遠程控制實現如下功能：

　　1. 可以調節輸出雷達信號中心頻率以及輸出功率的大小。

　　2. 可以調節I/Q兩支路的幅度和相位平衡。

　　3.1.3 脈沖發生器

　　脈沖發生器可以為雷達脈沖調制提供所需的觸發脈沖，并進行脈沖重復頻率PRF 的設置。實現各個模塊之間的相參和同步。

　　上述系統中的關鍵模塊是任意波形發生器和矢量信號源。各大儀器產商都有相應的產品。為了驗證實現該系統，我們選用了安捷倫公司的任意波形發生器 N6030A[2]和矢量信號源E8267D[3]，并選用該公司的81110A脈沖發生器[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，實現對儀器的遠程控制。

　　3.2 虛擬儀器軟件設計

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

圖3. 系統軟件組成框圖

　　3.2.1 VEE圖形化開發環境

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

　　在開發過程中，選用Agilent VEE （Virtual Engineering Environment） 開發環境[5]。VEE采用面向對象的程序設計技術，適合于測試和測量領域的系統仿真與儀表備優化控制等應用。它的主要特點有：對編程語言進行了的圖形化處理，采用數據流程圖方式編寫代碼，編程效率高。提供了豐富的儀器I/O驅動實現對VXI、GPIB、PXI、串口等總線接口的控制。提供了大量的函數庫，并可以與C /C++，MATLAB等進行混合編程。

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3.2.2 基于驅動程序的儀器控制模塊設計

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

　　圖4說明了軟件的流程。軟件的功能包括儀器的尋址，儀器間的相參設置，重采樣時鐘設置，每一級輸出功率配置，觸發源的選擇，觸發脈沖PRF值的配置，輸出信號中心頻率的配置，信號波形的建模，數據生成和存取，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。它的功能是通過調用任意波形發生器驅動程序的函數，控制任意波形發生器的波形回放過程。兩個分支分別實現單一脈沖波形的輸出和脈沖波形序列的輸出。

圖4 虛擬儀器程序執行流程圖

圖5. 波形回放流程圖

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

圖6. 線性調頻信號及觸發脈沖

　　4 結束語

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

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

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

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

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