雷达模拟器信号在线测量系统设计与实现

周剑，姜传飞，黄泳樟

（1.中国船舶集团有限公司第七二三研究所，扬州 225001；2.中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心，扬州 225001）

引言

在电子信息装备科研生产过程中，常常需要考核装备在复杂电磁环境中的性能。通常用雷达信号模拟器构建所需的复杂电磁环境。雷达信号模拟器是一种特殊的微波信号源，用于模拟产生实际雷达信号，具有携带方便，研制成本相对较低的优点[1]。一般一台模拟器可以产生至少二十部不同形式的雷达信号。雷达模拟器已经成为科研生产中必不可少的辅助设备，它的广泛应用使得科研效率大幅提升，成本显著降低[2]。

但是科研人员在利用雷达模拟器检验装备性能时，经常出现装备接收信号丢失或参数错误的情况。究竟是装备自身的设计缺陷所致，还是雷达信号模拟器发出的信号有误，原因难以排查，给科研人员造成了极大的困扰。为此，本文提出了一种在线测量雷达模拟器信号的方法。

1 测量原理

解决前述困扰的总体思路是，将雷达信号模拟器的输出通过线缆输入给示波器和频谱仪，利用高精度通用仪表分析和测量得出雷达信号的时域和频域参数，并以此作为信号参数的真值，继而对装备进行性能检验。如图1 所示，在线测量系统由频谱仪、示波器、交换机和测试计算机组成。频谱仪、示波器通过网线经交换机连接至测试计算机。雷达模拟器产生的信号分别从射频输出口和视频输出口接入频谱仪和示波器[3]。频谱仪用于测量信号的频域参数，示波器用于测量信号的时域参数。

图1 在线测量系统组成图

如图2 所示，在装备性能检验时，雷达模拟器产生的信号从射频输出口经功分器一分为二，一路通过天线辐射向空间辐射，另一路输出给在线测量系统[4]。装备接收机通过天线接收空间的雷达信号并计算出信号的所有参数。通过对比装备接收机和本系统测得的信号参数，即可解决前述困扰科研人员的问题。

图2 雷达模拟器在线测量原理图

2 系统硬件设计

如图3 所示，本系统所用的示波器和频谱仪均为罗德施瓦茨（R&S）公司生产，型号分别为RTM2032 和FSV40，示波器的带宽为500 MHz，采样率为5 GSa/s，频谱仪的频率范围为10 kHz~40 GHz。雷达信号模拟器为中国船舶集团有限公司第七二三研究所研制。示波器和频谱仪用网线经网络交换机和测试计算机相连，模拟器的射频信号输出口与频谱仪相连，视频信号输出口与示波器相连。

图3 在线测量系统组成照片

本系统所有仪表均经过计量且在计量有效期内，各仪表详细信息见表1。

表1 系统主要设备一览表

3 系统软件设计

系统软件采用LabView 语言编写,利用SCPI 指令控制、操作频谱仪和示波器，整个测量过程无需人工介入。LabView 是美国NI 公司专门为测试、测量及控制应用而设计开发的系统工程软件，可以实现硬件I/O 和数据信息的快速访问[5]。SCPI 指令，即可编程仪器标准命令（Standard Commands for Programmable Instruments），最初由美国惠普公司提出，于1990 年和IEEE488.2 协议一起面世，该协议对世界上各大仪器公司的仪器控制命令语法进行了规范和统一。SCPI 指令的总目标是节省自动测试仪器程序开发时间，保护仪器生产厂家和使用人员双方的硬件和软件投资，为仪器控制和数据利用提供广泛兼容的编码环境[6]。

软件首先以TCP 方式（IP 地址和端口号）与示波器和频谱仪建立连接，然后通过SCPI 指令实现仪表的初始化和参数设置。当模拟器产生雷达信号后，软件开始进行参数测量，并将测量结果显示在界面上，软件流程图如图4 所示。其中信号参数的测量主要由如下SCPI 指令实现。

图4 软件流程图

1）频谱仪最大值点标记：CALC:MARK:MAX:AUTO

指令中可选ON 和OFF 两个参数，缺省值为OFF。该指令用于开启或关闭频谱仪的最大值标记功能。

2）频谱仪当前标记点频率的测量：CALC:MARK:CONT:FREQ?

该指令返回当前标记的频点的频率值。

3）频谱仪当前标记点功率的测量：CALC:MARK:Y?

该指令返回当前标记的频点的Y 轴值。

4）示波器信号脉宽和周期的测量：MEAS:ARES?

指令中用于指定示波器的测量通道，该指令用于信号参数的快速测量，并按如下顺序返回信号参数：PEAK, UPE, LPE, RMS, MEAN, PER, FREQ, RTIM ,FTIM。

利用程序设计常见的顺序、判断和循环结构将上述SCPI 指令进行组合，即可从频谱仪和示波器读回频域和时域参数的测量结果。

4 实验验证

为了验证本系统的有效性，在实验室条件下按图1搭建测试系统。给模拟器任意设置了一部雷达信号，具体参数见表2。

表2 模拟器信号参数设置表

软件设置频谱仪的中心频率与模拟器载频一致，带宽BW 设为100 MHz，分辨率带宽RBW 和视频带宽VBW 分别设为1 MHz 和10 kHz。在雷达模拟器信号输出后运行系统软件，软件完成仪表参数设置后，界面上显示系统测得的信号参数，如图5 所示，结果如表3 所示。

表3 系统测量结果一览表

图5 软件测试结果图

从软件运行结果可以看出，测得重复周期、脉宽、载频和模拟器输出信号的参数完全一致。虑及系统所用射频电缆的插入损失（试验前测得1.5 GHz 频率的插入损失为0.75 dBm），信号幅度测量结果也和模拟器输出信号幅度一致。实验结果说明本系统可以实现雷达信号模拟器常用时域和频域参数的同时测量，测量结果可以作为装备性能检验的参照标准。

5 总结与展望

本文针对实际项目中科研设计人员遇到的问题和困扰，设计了一套雷达模拟器信号在线测量系统。该系统由硬件组成简单，软件流程清晰，整个测量过程可以一键完成，对测量人员自身水平依赖程度低，具备较强的实用性。经验证，该系统可以同时在线测量雷达信号常用的时域（周期、脉宽、占空比）参数和频域（载频、幅度）参数。

但是雷达信号是一种特别复杂的脉冲信号，蕴含着大量时域和频域信息。本系统还存在着许多不足之处，有待后续研究与开发。总结而言，还有如下两方面问题需要解决：

1）不能测量出复杂雷达信号的所有参数，特别是信号的脉内参数，如捷变、参差、抖动等参数；

2）不能测量多部雷达同时发射情况下的各信号的参数。

上述两个问题需要进行复杂的算法设计，并增加硬件通道数量。只有将上述两个问题解决了，才能彻底解决本文最初提出的科研人员的困扰，助力科研生产质量和效率同步提升。