高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机计量方法研究

盛永鑫 杨 露 陶成忠

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230031)

0 引言

高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机广泛用于各类雷达场景模拟器的技术指标测试验证和复杂环境场景性能评价,它主要是完成高密度脉冲流下的频率、幅度、脉冲调制和频率捷变、脉内调频、脉内调相等复杂信号测量识别。它是一个专用测试设备,其本身的准确性与可靠性将直接影响测试结果,直接影响相关武器装备的质量和作战性能,必须引起足够的重视。因此为了保证其准确、可靠需开展计量,但它具有信号数量多、频率范围宽、瞬时带宽宽、信号样式复杂、信号密度高等特点,目前无相应的计量方法,需要开展计量方法研究。[1-2]

1 计量方法研究

高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机,在一定频率测量范围、幅度测量范围、分析带宽、脉冲流密度下,具备脉冲调制、捷变频、脉内调频、脉内调相等测量功能。其参数的计量包含常规参数和复杂信号的计量两部分。其中,常规参数包括频率、幅度等参数;复杂信号包括捷变频、脉内调频、脉内调相等信号形式。频率、幅度等基本物理参数能溯源到国防最高计量标准。而频率捷变、脉内调频、脉内调相等复杂信号参数的测量识别,是基于采用数学、计算机技术学、统计分析学实现计量,属于调制域的计量,该计量领域是全新的,没有通用的、标准计量方法,一般采用一致性测试、相互验证等比测验证方法进行。

1.1 常规参数的计量

目前国内在频率、幅度等基本参数建立了相应计量标准,能满足高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机计量需求。

通过带外时基的信号发生器产生标准频率信号对高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机频率测量能力进行计量;通过信号发生器产生激励信号利用功率计和标准衰减器对高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机幅度测量能力进行计量。具体溯源图如图1所示。

1.2 复杂调制信号的计量技术研究

高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机的高密度脉冲流下的脉冲调制和频率捷变、脉内调频、脉内调相等的指标计量常规需要提供满足要求的激励信号,一般有以下几种方式提供激励信号[3-4]:

实际作战环境。这种方式需要架设多部雷达来发射多种信号,而且还需要在空基、地基、海基等真实环境中去,耗费大量时间、人力。虽然这是一种实际作战环境的测试验证方法,但是由于这种方法有复杂性大、成本高、信号真实特性及其容易受周围环境和天气等因素的影响等缺点,从而限制了它在计量校准中的应用。

基于通用测试仪器的模拟器。目前的矢量信号源、任意波形发生器等仪器可以利用它们的矢量调制能力完成数字信号到微波射频信号的转换,具备雷达场景复杂信号的产生功能。使用相关软件来编辑雷达系统所需要的电磁环境,任意选择雷达信号波形形式和各种参数的设定。同时,由于这些仪器使用通用接口,扩展性强,能在需要反复验证接收信号准确性时重复使用,基本参数可以直接计量,已经广泛在计量校准等领域进行应用。

近些年来,国内在数字与矢量信号计量校准做了大量的工作,制定并实施了《JJF 1128-2004矢量信号分析仪校准规范》《JJF(电子) 30301-2006数字及矢量信号发生器校准规范》和《JJF 1174-2014数字信号发生器校准规范》等。目前,部分计量技术机构依据规范建立了各类数字及矢量测量仪器计量校准装置,使得数字及矢量测量仪器计量工作向前迈出了坚实的一步。关于数字与矢量信号计量校准方法,规范中所用方法都没有溯源到现有的基本量,现有测量标准都以目前指标最高的仪器作为标准器具,就是用矢量信号分析仪校准矢量信号发生器,反过来,又用矢量信号发生器校准矢量信号分析仪,采用闭环互测[5-6]。

借鉴上述计量思路,利用物理和数学相结合的方法,应用雷达信号设计理论和雷达信号合成技术,通过基于通用测试仪器的模拟器提供激励信号,模拟高密度脉冲流下的脉冲调制和频率捷变、脉内调频、脉内调相等的复杂调制信号,采用矢量信号分析仪和高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机比测验证方式实现计量。

2 复杂调制信号计量装置建立

采用基于通用测试仪器的模拟器提供激励信号,将激励信号功分,一路给高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机,一路给矢量信号分析仪。将矢量信号分析仪测试结果作为标准值,来验证高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机测量结果准确性,从而到达计量目的。

高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机,在一定频率测量范围、幅度测量范围、分析带宽、脉冲流密度下,具备脉冲调制、捷变频、脉内调频、脉内调相等测量识别功能。这些需求决定了采用基于通用测试仪器的模拟器属于复杂信号产生设备,目前国内外仪器厂商如是德、R&S、中国电科41所、成都玖锦等都生产相关仪器。是德的E8267D、R&S的SMW200A、中国电科41所1465-V等矢量信号发生器,采用各自的信号产生软件能产生符合要求的单通道的信号。在信号采集分析上是德的N9030B、R&S的FSW系列、中国电科41所4052系列、成都玖锦PSA5000A等信号分析仪具备捷变频、脉内调频、脉内调相、重频参差等信号测量功能。故路径是可行的。拟采用R&S公司仪器搭建计量装置。具体原理框图如图2所示[7-10]。

图2 校准装置溯源组成框图

SMW200A第三代矢量信号源能将将真实雷达场景搬进实验室,载波频率最高可达44GHz、具有双通道输出功能,带宽最大2GHz、DAC采样率2.4Gs/s、bit位高达14bit、无杂散动态范围大于55dB、存储空间最大2GB,可存储相当长的波形。如通过PDW脉冲描述字的方式产生脉冲波形,能够大大扩展了可用波形的时间长度。结合Pulse Sequence软件,可以方便地产生宽带雷达信号,自由定义信号的时域、频域以及调制信息。能够产生的雷达信号包括脉冲、多普勒、脉冲压缩(线性调频、巴克码、PSK、MSK…)、连续波调频以及捷变频(跳频)信号。

FSW第四代信号分析仪,真正三合一的雷达系统分析利器,可实现2GHz超宽带雷达信号分析,单台频率范围可覆盖2Hz～67GHz,内置雷达分析软件实现脉冲信号参数自动测量,独特的捷变频雷达信号分析软件FSW-K6,独特的连续波雷达信号分析软件FSW-K60,可以方便地分析信号的时间参数、功率参数、频率及相位参数,针对脉宽、周期、上升沿、下降沿、过冲、顶降等脉冲参数进行分析,针对线性调频的调频周期、调频带宽、调频斜率、线性度、相位特性进行分析,还能够分析跳频信号的跳频图谱、频率、电平、时间准确度等。

矢量信号发生器能够产生复杂的宽带矢量调制信号,再结合相应的模拟信号编辑软件,可具备PDW自定义功能,产生复杂脉冲信号,为本装置溯源提供技术支撑。信号分析仪等仪表具备矢量信号的测量能力,可对一定量的矢量信号进行采集、分析处理,且提供信号分析的二次开发功能,可为本标准提供比测验证设备支持[11]。

矢量信号分析仪具有高精度接收机,硬件指标可溯源至国家计量标准或NIST。内部带有一系列标准协议及信号算法,此类算法作为标准算法,受到业内公认;另一方面,用于本校准装置的比测,面对高脉冲密度流下的复杂信号,需采用信号分析仪的测量分析软件对采集到的复杂信号进行解析,达到比测验证的目的。

3 实验验证

结合高密度脉冲流状态下的复杂信号测量识别的计量技术研究,开展基本波形片断的验证典型状态选取等研究,最终实现利用基于通用测试仪器的模拟器产生高密度脉冲流环境下的复杂信号,同时利用信号分析仪和校准装置对复杂调制信号进行比测验证,验证复杂调制信号测量准确性,实现高脉冲密度流下复杂调制信号计量。

根据计量需求,选取基本波形片断具体如表1所示,组合成典型状态,利用Pulse Sequence软件进行仿真并完成高密度脉冲流状态下的复杂调制信号建立,并下载到SMW200A中,产生复杂调制信号,利用FSW和高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机进行信号测量验证分析,通过两者比测验证达到计量效果。

表1 基本波形片断表

选取载频2GHz,脉冲密度流50万/s,带宽为0.5GHz下,基于脉冲调制信号、捷变频、脉内调频、脉内调相等基本波形片断的复杂调制信号,进行实验验证,测试数据结果如表2所示。通过实验结果表明,该方法可行,解决高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机高脉冲流密度下脉冲调制、捷变频、脉内调频、脉内调相等测量功能计量。

表2 验证测试数据结果

为了进一步验证校准装置性能,在上述实验条件下,增加性能相当的信号源分析仪4052、PSA5000A进行比测验证,比测验证数据结果如表3所示。以3种信号分析仪测试数据平均值为标准值,实验分析表明,装置测试一致性较好。

表3 比测验证验证数据结果

4 结束语

利用数字与矢量信号计量校准思路,建立了基于通用测试仪器的复杂调制信号计量装置,以矢量信号发生器产生基于基本波形片断的高密度脉冲流下复杂调制信号为激励,采用矢量信号分析仪和高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机比测验证,实现对高密度脉冲流复杂调制信号测量接收机计量。由于采用了通用测试仪器,其具备信号样式编辑模拟等功能,该方法具有通用性,可以应用到复杂电子环境的模拟及验证等领域测试计量。