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[導(dǎo)讀] 1 引言 傳統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)射機,采用專用的信號發(fā)生模塊,無法任意的設(shè)置波形形式、參數(shù),信號中心頻率,信號功率等。在一定程度上限制了應(yīng)用范圍。尤其在雷達(dá)的預(yù)研和新技術(shù)的探索階段,要對各種雷達(dá)信號進行實驗或

 1 引言

傳統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)射機,采用專用的信號發(fā)生模塊,無法任意的設(shè)置波形形式、參數(shù),信號中心頻率,信號功率等。在一定程度上限制了應(yīng)用范圍。尤其在雷達(dá)的預(yù)研和新技術(shù)的探索階段,要對各種雷達(dá)信號進行實驗或評估,如果為每種雷達(dá)信號設(shè)計專用的信號發(fā)生模塊,將極大的耗費成本。如果使用虛擬儀器技術(shù),集成高性能的商用測試儀器[1],通過編程設(shè)計系統(tǒng)的功能,可以有效模擬多種雷達(dá)信號,并以較大的靈活性對雷達(dá)信號的參數(shù)進行設(shè)置,克服通用性差的問題,滿足多種多樣的應(yīng)用要求。

  2 雷達(dá)信號發(fā)生系統(tǒng)

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


圖1. 雷達(dá)信號產(chǎn)生原理圖

  3 基于虛擬儀器的雷達(dá)信號模擬系統(tǒng)

  在雷達(dá)新體制的預(yù)研論證階段,利用基于虛擬儀器的雷達(dá)信號發(fā)生系統(tǒng),可以滿足應(yīng)用需求。利用任意波形發(fā)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(fā)虛擬儀器軟件進行控制,實現(xiàn)了通用雷達(dá)信號發(fā)生系統(tǒng)的模擬。

  3.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

  系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(fā)生器

  任意波形發(fā)生器通過數(shù)字存儲,數(shù)模轉(zhuǎn)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(fā)生器模擬基帶模擬信號發(fā)生模塊,實現(xiàn)如下功能:

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

  2. 并可以設(shè)置脈沖時間的寬度,脈沖內(nèi)的波形參數(shù)(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(shè)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(diào)制,上變頻的功能。通過遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)如下功能:

  1. 可以調(diào)節(jié)輸出雷達(dá)信號中心頻率以及輸出功率的大小。

  2. 可以調(diào)節(jié)I/Q兩支路的幅度和相位平衡。

  3.1.3 脈沖發(fā)生器

  脈沖發(fā)生器可以為雷達(dá)脈沖調(diào)制提供所需的觸發(fā)脈沖,并進行脈沖重復(fù)頻率PRF 的設(shè)置。實現(xiàn)各個模塊之間的相參和同步。

  上述系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊是任意波形發(fā)生器和矢量信號源。各大儀器產(chǎn)商都有相應(yīng)的產(chǎn)品。為了驗證實現(xiàn)該系統(tǒng),我們選用了安捷倫公司的任意波形發(fā)生器 N6030A[2]和矢量信號源E8267D[3],并選用該公司的81110A脈沖發(fā)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(xiàn) 對儀器的遠(yuǎn)程控制。

  3.2 虛擬儀器軟件設(shè)計

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


圖3. 系統(tǒng)軟件組成框圖

  3.2.1 VEE圖形化開發(fā)環(huán)境

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

  在開發(fā)過程中,選用Agilent VEE (Virtual Engineering Environment)開發(fā)環(huán)境[5]。VEE采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計技術(shù),適合于測試和測量領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真與儀表備優(yōu)化控制等應(yīng)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(shù)據(jù)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(qū)動實現(xiàn)對VXI、GPIB、PXI、串口等總線接口的 控制。提供了大量的函數(shù)庫,并可以與C /C++,MATLAB等進行混合編程。

3.2.2 基于驅(qū)動程序的儀器控制模塊設(shè)計

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

  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(shè)置,重采樣時鐘設(shè)置,每一級輸出功率配置,觸發(fā)源的選擇,觸發(fā)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(shù)據(jù)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(diào)用任意波形發(fā)生器驅(qū)動程序的函數(shù),控制任意波形發(fā)生器的波形回放過程。兩個分支分別實現(xiàn)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(zhí)行流程圖


圖5. 波形回放流程圖

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

 


圖6. 線性調(diào)頻信號及觸發(fā)脈沖

  4 結(jié)束語

  基于虛擬儀器雷達(dá)信號模擬系統(tǒng)較之以往的專用雷達(dá)信號系統(tǒng)有以下幾個創(chuàng)新點:

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

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

  3) 充分利用實驗室資源,降低研發(fā)成本和周期,適用于雷達(dá)系統(tǒng)新體制的研發(fā)和實驗階段

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