基于虚拟仪器的雷达信号模拟系统的设计

1 引言

传统的雷达发射机，采用专用的信号发生模块，无法任意的设置波形形式、参数，信号中心频率，信号功率等。在一定程度上限制了应用范围。尤其在雷达的预研和新技术的探索阶段，要对各种雷达信号进行实验或评估，如果为每种雷达信号设计专用的信号发生模块，将极大的耗费成本。如果使用虚拟仪器技术，集成高性能的商用测试仪器，通过编程设计系统的功能，可以有效模拟多种雷达信号，并以较大的灵活性对雷达信号的参数进行设置，克服通用性差的问题，满足多种多样的应用要求。

2 雷达信号发生系统

雷达信号产生原理方框图如图1所示，基带信号发生模块利用D/A变换，将数字存储波形转换为I/Q两路基带模拟信号输出。I/Q调制模块对I/Q两路信号进行正交载波的调制，将信号中心频率搬移到射频或微波频段，系统最后的输出就是所需的雷达信号。



图1. 雷达信号产生原理图

　　3 基于虚拟仪器的雷达信号模拟系统

在雷达新体制的预研论证阶段，利用基于虚拟仪器的雷达信号发生系统，可以满足应用需求。利用任意波形发生器、矢量信号源以及脉冲信号源作为硬件平台，在Agilent VEE下开发虚拟仪器软件进行控制，实现了通用雷达信号发生系统的模拟。

3.1 系统的硬件结构设计

系统的结构图如图2 所示，下面介绍各模块的功能。



图2. 仪器的硬件连接

3.1.1 任意波形发生器

任意波形发生器通过数字存储，数模转换的功能完成基带或中频模拟IQ信号的输出。通过软件控制，任意波形发生器模拟基带模拟信号发生模块，实现如下功能：

1. 对脉冲波形的输出进行回放控制，实现单脉冲波形或脉冲波形序列的输出。

2. 并可以设置脉冲时间的宽度，脉冲内的波形参数（如频率或带宽等）。

3. 脉冲时间宽度，重采样速率可以通过软件进行设置。

3.1.2 矢量信号源

矢量信号源输入I/Q信号完成正交调制，上变频的功能。通过远程控制实现如下功能：

1. 可以调节输出雷达信号中心频率以及输出功率的大小。

2. 可以调节I/Q两支路的幅度和相位平衡。

3.1.3 脉冲发生器

脉冲发生器可以为雷达脉冲调制提供所需的触发脉冲，并进行脉冲重复频率PRF 的设置。实现各个模块之间的相参和同步。

上述系统中的关键模块是任意波形发生器和矢量信号源。各大仪器产商都有相应的产品。为了验证实现该系统，我们选用了安捷伦公司的任意波形发生器 N6030A和矢量信号源E8267D，并选用该公司的81110A脉冲发生器作为脉冲源。其中81110A和E8267D通过 GPIB总线与工控机连接，N6030A则通过PXI总线与工控机相连。工控机运行虚拟仪器软件，通过PXI总线与GPIB总线分别与各个仪器通信，实现对仪器的远程控制。

3.2 虚拟仪器软件设计

系统软件组成如图3所示，采用模块化的程序结构，方便系统的升级和扩充。仪器驱动程序是仪器功能控制函数以及仪器参数变量的集合。仪器控制模块是由程序定义的仪器驱动程序的子集，它将构建系统需要的仪器功能函数和参数从驱动程序中提炼出来，以适合用户的需求。



图3. 系统软件组成框图

3.2.1 VEE图形化开发环境

虚拟仪器开发环境包括常见的应用程序开发环境如：VC++，VB，MATLAB，以及专门针对测试测量应用的图形化开发环境：NI LabVIEW， Agilent VEE等。

在开发过程中，选用Agilent VEE （Virtual Engineering Environment） 开发环境。VEE采用面向对象的程序设计技术，适合于测试和测量领域的系统仿真与仪表备优化控制等应用。它的主要特点有：对编程语言进行了的图形化处理，采用数据流程图方式编写代码，编程效率高。提供了丰富的仪器I/O驱动实现对VXI、GPIB、PXI、串口等总线接口的控制。提供了大量的函数库，并可以与C /C++，MATLAB等进行混合编程。

3.2.2 基于驱动程序的仪器控制模块设计

仪器驱动程序是实现仪器功能的控制函数和参数的集合。它是软件与仪器通信的桥梁。仪器都在出产时随产品附带了相应的驱动程序，而虚拟仪器软件建立在仪器驱动程序之上，通过接收用户操作面板传来的用户设置参数，实现丰富的信号设置功能，完成自动控制的任务。 通过调用仪器驱动程序的接口函数 , , 可以设计出符合功能需求的系统。

图4说明了软件的流程。软件的功能包括仪器的寻址，仪器间的相参设置，重采样时钟设置，每一级输出功率配置，触发源的选择，触发脉冲PRF值的配置，输出信号中心频率的配置，信号波形的建模，数据生成和存取，以及波形的输出回放控制。其中波形回放控制部分是一个子进程，其流程图如图5所示。它的功能是通过调用任意波形发生器驱动程序的函数，控制任意波形发生器的波形回放过程。两个分支分别实现单一脉冲波形的输出和脉冲波形序列的输出。



图4 虚拟仪器程序执行流程图



图5. 波形回放流程图

图6是任意波形发生器在单一波形输出模式下时，在PRF = 2000KHz的触发脉冲控制下，输出的I/Q两路线性调频基带（-300～+300MHz）模拟信号在数字存储示波器上显示的图像。触发脉冲宽度为300us，脉冲波形宽度为16us。



a. 时间轴分辨率100us/格



b. 时间轴分辨率2.00us/格

图6. 线性调频信号及触发脉冲