通用雷达信号场景系统的研制

摘要 为满足多种型号雷达系统测试的要求，场景系统必须能产生多体制、高质量的雷达信号。提出一种通用雷达信号场景系统方案，以AWG7082C任意波形发生器、E8267D矢量信号源及N9030A矢量信号分析仪组成的具有校准功能的宽带信号调制系统，使用安捷伦Pulse Build ing软件编辑生成一系列常见的雷达信号。实验证明，该系统可生成多种体制高质量的雷达信号，特别是系统经校准后大幅抑制了镜频的影响，满足大多数雷达系统测试需要。

随着雷达系统复杂性的不断提高，日臻成熟的复杂调制技术也大量应用于雷达系统中。对雷达测试所使用激励设备的信号质量提出更高的要求，给现有测试仪器带来挑战。传统雷达信号场景系统只结合某一种基带信号发生器和射频微波调制器实现，适用于特定型号雷达系统测试，难以产生多种雷达或调频、编码等特殊体制波形的信号，无法与其它系统测试共享设备。为解决传统测试的弊端，提出了一套高性能、高性价比、高可重复性的通用雷达信号场景系统方案。

1 雷达场景信号特点

雷达系统使用的载频范围几乎覆盖了全部可用频段，从2 MHz载频的地波超视距雷达，到高分辨率雷达使用的毫米波，一些激光雷达的载波甚至近百GHz。但多数雷达系统在20 GHz以下频率运行。根据信号特征，雷达主要分脉冲雷达与连续波雷达两大类，而脉冲雷达是目前使用最广的一种。

1.1 脉冲压缩技术

根据基本雷达方程，距离会随着发射功率提高而最大化，空间分辨率则会随着发射信号脉宽变窄而提高。采用脉冲压缩技术的雷达之所以可以提高威力距离，是由于其发送较长的脉冲使得峰值功率一定时的平均功率会提高，同时在接收回波的处理中使用匹配滤波器进行处理“压缩”脉冲，会大幅提高雷达的空间分辨率。由于兼顾了作用距离和分辨率的两方面要求，脉冲压缩技术被广泛应用于当今脉冲式雷达系统中。

1.2 实现脉冲压缩方法

脉冲压缩要求对雷达脉冲进行内部调制脉冲压缩方法主要有：线性调频(LFM)和相位调制。

该技术采用线性快速扫描(LFM)或非线性快速扫描(NLFM)方法。由于线性调频信号的产生和处理均较容易，其压缩脉冲的形状和信噪比对多普勒频移不敏感，且技术成熟，因此雷达系统中多采用线性调频信号作脉压信号。而非线性调频(NLFM)在带宽方面具有某些优势，因此也可以改善接收机灵敏度、提高接收机上的信噪比。

相位编码又称“相位调制”，每个脉冲有一串较短的脉冲组成，其中载波相位有某个自动相关度低的二进制序列控制。平均功率由序列的总时长决定，而空间分辨率则由每个符号时长决定。在二进制相位编码中，载波的相位在0°～180°之间变化，在对准不完美时，自动相关度会比较低。如Barker码是一种应用较广泛的相位编码方法。

无论发射信号的脉冲相位特点如何，接收的回波信号是由多个相位叠加信号组成。这是由于将有多个任意延迟的目标回波，来自相同目标由于多路径引起达到时间不同而产生多个回波，目标相对速度引起的多普勒效应频移、发射机本身产生各类噪声杂波，目标的RCS也会引起回波的幅度和相位的瞬时变化，因此回波信号复杂程度远大于发射信号的情况，而雷达信号场景系统就是要尽可能还原或模拟这些复杂信号环境。

2 雷达场景信号系统的工作原理

2.1 雷达场景信号生产方法的讨论

基本可以通过使用现有的常用激励设备，有3种不同的方法可以生成雷达信号：

(1)内部宽带调制。仅需一台可直接输出已调载波的雷达射频微波信号的高性能激励设备。除某些滤波器或放大器外，不要求其他信号处理模块。系统组成最简单，但现有激励设备难以实现。泰克AWG70000系列任意波形发生器可实现直接输出雷达射频微波信号，但价格昂贵。

(2)内部窄带调制。采用一台可产生相对较低载频的已调制信号的高性能激励设备。在半实物仿真环节，中频可以直接应用到接收机或发射机的某个信号处理模块上。在其他情况下，必须使用上变频器模块到达最后载频。可采用安捷伦E8267D矢量信号发生器实现，但输出信号的调制带宽都会受到调制器或上变频器的限制。虽然此种方式价格适中，但无法满足目前雷达系统测试的需求。

(3)外部宽带调制。激励设备生成基带信号经过外部调制后射频输出。简单信号通过控制某个载波的包络来生成脉冲，单通道激励设备输出信号被应用到AM调制器上。对要求复杂数字调制或快速扫频的信号，必须控制瞬时载波的幅度和相位。在这种情况下，最灵活、实现最简便的解决方案是正交调制器。其要求两路I、Q基带信号。这两个基带信号通过一台拥有两条通道的激励设备或经同步后的两台单通道激励设备生成。可产生信号带宽可达2 GHz，但宽带正交调制对I/Q不平衡或正交误差特别敏感。必须要经过校准后，才能获得优质信号。由于性价比较高，是目前大多数雷达场景系统的首选。

2.2 信号场景的系统组成

本系统采用外部宽带调制方式，先由激励设备产生两路I、Q基带信号，然后通过外部宽带正交调制后输出雷达射频信号，加入了校准设备保证输出雷达射频信号的质量。信号场景系统主要由泰克AWG7082C任意波形发生器、安捷伦E8267D矢量信号源及安捷伦N9030A信号分析仪3部分组成，如图1所示。

由于雷达的某些基带信号(Barker码)要求载波抑制，瞬时相位可能会取两个值(0°和180°或BPSK)，FM线性调频、QPSK/QAM及大多数情况下UWB、OFDM信号的基带生成都要求正交调制器，因为必须同时控制载波的瞬时幅度和相位。仿真包括目标特点、多路径、多普勒频移、噪声和人为干扰效应的实际雷达回波要求正交调制。因为同时有I和Q信号，所以基带信号的生成需使用双通道AWG 7082C任意波形发生器。

对正交调制的雷达信号，两个基带信号I和Q成分必须输送到外部调制器，安捷伦E8267D矢量信号源就充当了外部调制器的角色。通过正交调制，甚至可以仿真频率捷变雷达系统，因为基带信号可能会位于外部调制器调制带宽内任何地方，拥有瞬时频率开关功能，没有PLL引起的瞬态信号。E8267D矢量信号源也可不接入外部两路I、Q信号，而进行内部窄带调制方式。但由于产生信号带宽仅80MHz，难以满足很多雷达系统测试需求。

进行外部宽带正交调制时，I和Q信号之间的匹配对调制质量至关重要。尽管任意波形发生器拥有较高的过采样率和高模拟带宽改善了输出两路I、Q信号的质量，两通道间的均匀性、平坦度和相位线性度。但正交调制器通常是系统中的薄弱环节，宽带正交调制器响应是达不到平坦的，内部I/Q不平衡，可能要远高于任意波形发生器输出两路I、Q信号。如图2所示，I、Q两路完美正交时镜频被抵消，正交不平衡时导致镜频产生，这些非期望的镜频提高了噪声，降低了调制质量。因此，系统采用安捷伦N9030A信号分析做校准设备，进行校准及差分校正信号会降低正交误差或不平衡引起镜频影响。此外，还应特别注意的任意波形发生器输出到外部调制器的I、Q信号必须要使用尽量等长的低损耗、低驻波、稳相电缆传输，而电缆不等长引起镜频可通过改变任意波形发生器通道延迟参数或经专门软件校准后进行补偿。

3 创建雷达场景信号波形

3.1 使用Pulse Building软件编辑波形

N7620B Signal Studio for Pulse Building是安捷伦公司开发一款脉冲信号生产软件，与宽带任意波形发生器和矢量信号发生器搭配使用(Wideband IQ with Calibration PSG模式)，可生成载频高达44 GHz、带宽高达2 GHz的波形。该软件校正引擎与16位ARB和PSG结合，可为用户提供44 GHz的动态范围。

简单的界面构造不但可以灵活地创建、存储和调用复杂的宽带脉冲码型，也可导入Agilent ADS和Matlab创建的脉冲定义文件。情景模式可进行详细设置：每段波形可以设置脉宽、上升/下沿时间、占空比、抖动时间、抖动类型。此外，可以将每段不同波形添加到序列中，波形序列播放时间、重复间隔、重复数量、频率、相位、功率偏置、幅度ALC和游标等。

3.2 仪器校准和信号校正的软件方法

如图4为校准设置界面。系统采用SSB的12音频信号作为测试校准信号，因为其可在整个调制带宽上估算有用的载波和非期望的镜频载波。由于镜频幅度将取决于一定调制频率的相位和幅度匹配程度。在设置自动校准后，自动调用N9030A信号分析仪测得与调制频率有关的正交误差和不平衡，使AWG7082C生成差分校正信号，在找到匹配的差分校正滤波器后，最终获得I与Q成分之间的完美平衡和相位。也可通过对已经预先校正的信号重复进行校准，获得更好的结果。

4 结束语

该雷达信号场景系统可生成载频高达44 GHz，带宽达2 GHz生成多种体制复杂的雷达信号。由于设备参数漂移的影响，会导致校准数据有效周期较短，每次开启系统前须进行的设备校准和信号校正，但确保了系统输出的雷达射频信号有良好的品质。目前，该雷达信号场景系统已正式投入到多个型号雷达产品研制阶段中，对方案验证与改进、系统测试、产品验收等方面工作起到了重要的作用。