CN103033799A - 一种时差可控的多路信号发生系统 - Google Patents

Abstract

一种时差可控的多路信号发生系统，包括基带信号发生器、系统控制器、定时控制器和至少两台微波信号源，系统控制器控制基带信号发生器生成I路和Q路共两路数字基带数据并将所述基带数据送至微波信号源，同时系统控制器还将预设的各微波信号源输出延时参数及载波参数送至各对应的微波信号源；系统控制器控制定时控制器产生同步脉冲信号并通过定时控制器送至各微波信号源，各微波信号源在接收到同步脉冲信号后开始各自计时，并在计时时间到达预设值后将基带数据调制到预定载波产生相应的射频信号，各微波信号源产生的射频信号即为时差可控的多路信号发生系统的输出信号，信号时差控制精度可达10ns。

Description

一种时差可控的多路信号发生系统

技术领域

本发明涉及一种雷达信号产生系统，适用于在地面验证星座卫星的时差测量精度及雷达目标定位解算。

背景技术

雷达信号产生系统可以为雷达、无源接收机调试、性能评估等提供信号输入和参考，在雷达研制、无源接收机研制中是必不可少的。

随着雷达及接收机技术的进步，对雷达产生系统的要求也越来越高，信号形式从单频脉冲信号向复杂脉内调制信号、脉间频率捷变信号、重频参差的形式发展。星座卫星时差测量及目标定位解算在地面验证阶段需要输入多路时差可控的雷达信号。

目前广泛使用的通用型微波信号产生系统只能产生常规信号形式的雷达信号，不能产生复杂信号形式的雷达信号。一些专用雷达信号发生系统能够产生复杂信号形式的雷达信号，但多数只有一路输出或简单的多路输出，多路信号之间无时差信息或时差固定不可调。为了能够在地面验证星座卫星的时差测量精度及对目标定位精度进行分析，特别需要一种时差可控的多路雷达信号发生系统，用以模拟星座卫星对不同位置地面雷达目标的信号接收。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种能够输出多路时差可调的复杂信号形式的雷达信号发生系统，多路信号间时差可调，控制精度可达纳秒量级。

本发明的技术解决方案是：一种时差可控的多路信号发生系统，包括基带信号发生器、系统控制器、定时控制器和至少两台微波信号源，系统控制器控制基带信号发生器生成I路和Q路共两路数字基带数据并将所述基带数据送至微波信号源，同时系统控制器还将预设的各微波信号源输出延时参数及载波参数送至各对应的微波信号源；系统控制器控制定时控制器产生同步脉冲信号并通过定时控制器送至各微波信号源，各微波信号源在接收到同步脉冲信号后开始各自计时，并在计时时间到达预设值后将基带数据调制到预定载波产生相应的射频信号，各微波信号源产生的射频信号即为时差可控的多路信号发生系统的输出信号。

所述的系统控制器控制基带信号发生器产生基带信号的方法为：首先生成单个脉冲信号的复数基带脉内信号，基带脉内信号的数据长度为采样率与脉宽相乘向下取整的值L_pulse；当载频类型为单载频时，基带脉内信号即可作为基带信号发生器最终输出的基带数据；当载频类型为频率M分集时，M个频点分别与M个频点的算术平均值求差得到M组频差数据，M组频差数据对应点求和得到长度为L_pulse的M分集频差数据；当载频类型为频率捷变N时，N个频点分别与N个频点的算术平均值求差得到N组长度均为L_pulse的频差数据；然后将L_pulse点的基带脉内信号与L_pulse点的频偏数据对应点相乘得到L_pulse点的脉内调制基带数据，并根据不同重频周期值PRTi将脉内调制基带数据补零扩展成长度为L_PRTi点的单周期基带数据，L_PRTi为采样率与当前重频周期值相乘向下取整的值，由此生成重频为PRTi的基带数据；然后根据重频类型和载频类型生成所有基带数据。

所述的基带脉内信号包括简单脉冲信号、线性调频信号、非线性调频信号、相位编码信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明系统能够产生包括简单脉冲信号、线性调频信号、非线性调频信号、相位编码信号、重频参差、重频跳变、重频滑变、单载频、频率分集、频率捷变等复杂信号，克服了通用型信号发生器只能产生简单雷达射频信号的不足；

2、现有专用雷达多数只能输出单路信号或延时固定的多路信号，在需要多路携带时差信息的的场合，往往采用不同长度的电缆实现信号延时，这种方法通过传输延时的产生信号时差，使用操作不方便且引入一些其他问题，如高频信号幅度衰减较为严重。本发明系统输出的多路雷达射频信号，各路信号之间相位相干，时差参数可预先设定，下载到信号源延时执行，时差控制精度可达10ns；

3、本发明涉及的复杂形式雷达信号由基带信号发生器产生，将生成的I/Q数据下载到信号源内存，充分利用微波信号源的用户自定义功能实现各种复杂形式信号，因此生成的射频雷达信号的射频特性与实际性能一致，稳定可靠；

4、本发明中系统控制器能够独立控制各路信号输出，在不需要时差信息的场合，只用一台信号源也能产生各种复杂的雷达信号。

附图说明

图1为本发明系统的组成原理框图；

图2为本发明系统控制器的组成及工作原理图；

图3为本发明系统的工作原理图；

图4为本发明定时控制器的工作原理图；

图5为本发明基带信号发生器的工作原理图；

图6为本发明的基带脉内信号处理流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明时差可控的多路信号发生系统由系统控制器、基带信号发生器、定时控制器、3台微波信号源和连接电缆组成。系统控制器通过内部协议控制基带信号发生器生成各种复杂基带数字I/Q信号；系统控制器采用以太网向3台信号源发送控制指令、时差参数、基带I/Q数据，同时借助PCI总线接口与定时控制器通信，控制定时控制器产生3路高精度的同步信号，3路同步信号通过3根等长的连接电缆输出至3台微波信号源的外部触发端口，各微波信号源收到外部触发信号后，等待时差参数规定的延时后将基带信号调制到预定载波输出。

如图2所示，系统控制器由主机板、IO板、底板、主控软件组成，底板为PCI接口底板，主机板、IO板、定时控制器板直接插在底板，通过底板互联线实现各模块之间的互联。主机板具备通用计算机功能，IO板在主机板控制下实现IO控制功能，包括鼠标、键盘、VGA显示、以太网和USB。主控软件运行于主机板，负责进行整个系统的运行控制和信息管理。首先建立主控软件与3台微波信号源的网络连接，其次设置信号参数，包括采样率、信号形式、脉宽、带宽、脉冲累积个数、重频类型及不同类型对应各参数、载频类型及不同类型对应各参数、载波功率、噪声相关参数、基带绘图相关参数、延时参数等。主控软件按照内部协议将不同类型的参数存储在参数文件中，供基带数据发生器读取使用。基带数据生成完毕后主控软件负责将基带数据通过以太网发送至微波信号源内存，同时设置3台信号源的载波频率、幅度、输出延时参数，最后向定时控制器发送触发脉冲输出指令。

如图3所示，时差可控多路信号发生系统首先加电开机，运行主机板的主控软件，首先建立系统控制器与3台微波信号源的网络连接，然后根据用户输入生成信号参数配置文件供基带数据发生器调用。基带数据发生器读取参数文件后生成基带数据，基带数据以数据文件的格式存储在主机板，数据文件最大为256Mbytes，对应基带数据长度64MSample，每个采样点占用4字节，I/Q每路各占两字节。验证生成的基带数据正确无误后将基带数据文件下载到3台信号源内存，与此同时主控软件设置3台信号源的载波频率、幅度、输出延时参数。延时参数d表示的含义是信号源收到外部触发信号，d个采样周期后才输出射频雷达信号，采样率为100MHz，因此延时控制步进为10ns。最后，主控软件向定时控制器发送输出触发信号指令，信号源收到外部触发信号后等待d个采样周期后输出射频雷达信号。

如图1和图4所示，定时控制器包括电源电路、PCI接口电路和一块FGPA，其中FPGA包含PCI控制逻辑和定时控制逻辑两个模块，PCI接口电路接收系统控制器的控制指令并转发至FPGA，PCI控制逻辑模块实现总线管理和数据接收，定时控制模块对接收到的指令进行译码，译码为0x00、0x01、0x02分别表示输出1、2、3路触发信号，缺省状态为0x02即同时输出3路信号，译码结束下个时钟上升沿输出触发信号。

如图5所示，基带信号发生器生成复杂雷达信号的基带I/Q数据。本发明中，基带数据发生器为独立的应用程序运行于系统控制器主机板。主控程序负责基带数据发生器的启动，启动后首先读取主控软件生成的参数文件并解析，参数文件内容包括采样率、信号形式、脉宽、带宽、脉冲累积个数、重频类型及不同类型对应各参数、载频类型及不同类型对应各参数、噪声相关参数、基带绘图相关参数等。，根据参数生成单个脉冲信号的基带脉内信号，脉内信号为复信号，实部表示I路，虚部表示Q路。

如图6所示，基带脉内信号包括简单脉冲信号、线性调频信号、非线性调频信号、相位编码信号。其中非线性调频函数的调频函数形式包括S曲线、海明窗、汉宁窗、泰勒窗、三角窗、高斯窗、布莱克曼窗、切比雪夫等窗函数形式；相位编码信号包括巴克码、m序列、Frank码、泰勒码。

简单脉冲信号的相位函数恒为零。线性调频信号的输入参数包括脉宽、带宽，调频函数为线性特性，调频函数积分得到相位函数。非线性函数的相位函数求解过程包含如下几个步骤：首先对非线性函数积分求得群延时函数，然后求群延时函数的反函数，此函数与调频带宽相乘得到最终的非线性调频函数，最后对该函数积分求得相位函数。脉内信号为相位等于相位函数的复函数，复函数实部为I路信号，虚部为Q路信号，信号长度L_pulse为采样率与脉宽相乘向下取整的值。相位编码信号产生过程包含如下几个步骤：根据输入参数，生成要求码型的特征码，根据采样率和码元宽度求得单个码元数据点数L_code，L_code点数据每点取值与当前码元值相等，依次扩展每个特征码至L_code点长度，至此生成脉内相位编码信号。脉内编码信号总长度L_pulse为码元特征码序列长度与每个码元内数据点数L_code的乘积，码元特征序列长度与码型选择有关。

当载频类型为单载频时，信号源设置频率即为单载频设置频率，频偏为零，此时的基带脉内信号即可作为基带数据。载频类型为频率分集时，假设载频为M分集，则M个频点分别与载频求差得到M组频差数据，M组频差数据对应点求和得到总的M分集频差数据，即频率分集的频差数据最终只有一组，此处的载频取M个频点的算术平均值，频偏数据长度与基带脉内数据长度L_pulse一致，频偏数据为复数；载频类型为频率捷变时，假设频率捷变数为N，则N个频点分别与载频求差得到N组频差数据，此处载频取N个频点的算术平均值，N组频偏数据每组数据长度与基带脉内数据长度L_pulse一致，N组频偏数据都为复数。

如图5所示，从图中S1点至S2点所进行的操作是：L_pulse点的基带脉内复数据与L_pulse点的频偏数据对应点相乘得到L_pulse点的脉内调制基带数据。从图中S2点至S3点所进行的操作是：根据不同重频周期值，将脉内调制基带数据补零扩展成长度为L_PRTi点的单周期基带数据，L_PRTi为采样率与当前PRTi(重频周期数)相乘向下取整的值。S3以下两步的处理过程是：判断是否对基带信号作加噪处理，需要添加噪声时根据信噪比设置参数计算噪声强度，其中信号功率是由脉内信号计算得到的平均功率。至此生成了重频为PRTi的基带数据，将本次生成的基带数据写入数据文件BaseIQ.dat尾部。

重频类型为单重频时，判断脉冲积累个数是否到达设置值，若未到达则从标记“S3”处开始重复操作，积累个数到达则观察载频类型，若为频率捷变则用下一个捷变频的频偏数据，从标记“S1”处开始重复上述操作，直至完成所有捷变频；若载频类型不是捷变频则单重频基带数据生成结束。

重频类型为组内参差时，假设参差数为M，积累数为N，取重频周期为PRTi，从标记“S2”处开始重复上述操作，连续生成共N组重频周期为PRTi的基带数据，则生成了第i帧的基带数据；接着取重频周期为下一个PRT_i+1，再次生成N组重频周期为PRT_i+1的基带数据，重复以上操作直至生成完所有M帧的重频数据。然后观察载频类型，若为频率捷变，则用下一个捷变频的频偏数据，从标记“S1”处开始重复上述操作，直至完成所有捷变频；若载频类型不是捷变频则组内参差基带数据生成结束。

组间参差的基带数据生成方法与组内参差类似，组内参差的积累数N等于1时即为组间参差。重频跳变时根据参数随机产生M个重频周期值，重频滑变时根据参数产生M个满足等差序列关系的重频周期值，然后按照组间参差的操作方法生成M组重频跳变或重频滑变的基带数据。

最后，关闭基带数据文件，至此基带数据生成结束，并以数据文件形式存储于主机板。

微波信号源可以选择Agilent E8267信号源，例如图1中，三台信号源的10Mhz参考输入、输出信号依次串行连接，这样产生的3路射频信号相位相干；系统控制器首先将基带数据生成器产生的基带数据通过以太网下载到三台微波信号源的内存空间，信号源收到外部触发信号，等待时差参数规定的延时后输出雷达射频信号。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种时差可控的多路信号发生系统，其特征在于包括：基带信号发生器、系统控制器、定时控制器和至少两台微波信号源，系统控制器控制基带信号发生器生成I路和Q路共两路数字基带数据并将所述基带数据送至微波信号源，同时系统控制器还将预设的各微波信号源输出延时参数及载波参数送至各对应的微波信号源；系统控制器控制定时控制器产生同步脉冲信号并通过定时控制器送至各微波信号源，各微波信号源在接收到同步脉冲信号后开始各自计时，并在计时时间到达预设值后将基带数据调制到预定载波产生相应的射频信号，各微波信号源产生的射频信号即为时差可控的多路信号发生系统的输出信号。

2.根据权利要求1所述的一种时差可控的多路信号发生系统，其特征在于：所述的系统控制器控制基带信号发生器产生基带信号的方法为：首先生成单个脉冲信号的复数基带脉内信号，基带脉内信号的数据长度为采样率与脉宽相乘向下取整的值L_pulse；当载频类型为单载频时，基带脉内信号即可作为基带信号发生器最终输出的基带数据；当载频类型为频率M分集时，M个频点分别与M个频点的算术平均值求差得到M组频差数据，M组频差数据对应点求和得到长度为L_pulse的M分集频差数据；当载频类型为频率捷变N时，N个频点分别与N个频点的算术平均值求差得到N组长度均为L_pulse的频差数据；然后将L_pulse点的基带脉内信号与L_pulse点的频偏数据对应点相乘得到L_pulse点的脉内调制基带数据，并根据不同重频周期值PRTi将脉内调制基带数据补零扩展成长度为L_PRTi点的单周期基带数据，L_PRTi为采样率与当前重频周期值相乘向下取整的值，由此生成重频为PRTi的基带数据；然后根据重频类型和载频类型生成所有基带数据。

3.根据权利要求2所述的一种时差可控的多路信号发生系统，其特征在于：所述的基带脉内信号包括简单脉冲信号、线性调频信号、非线性调频信号、相位编码信号。

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