CN103245936A - 一种基于drfm的通用无线电高度模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字射频存储(DRFM)技术的导弹无线电高度表高度信号模拟器的实现方法。该方法利用DRFM技术能保留射频信号细微特征的特点，将其应用到无线电高度信号的模拟。该方法采用连续采样循环存储技术、地址寄存器循环清零和脉冲延迟精确控制技术、基于DRFM系统的数字噪声调制技术和数字卷积滤波器技术等，解决了将DRFM技术应用于高度表信号环境的一系列技术问题，不但实现了模拟高度数值的精确控制和连续可调，而且可以模拟对无线电高度表的多种干扰信号。该方法已经在我院研制的某型测试系统中使用，验证了该方法的有效性和正确性。

Description

一种基于DRFM的通用无线电高度模拟器

技术领域

本发明涉及一种无线电高度表高度信号模拟器的实现方法，属装备测试技术领域，该模拟器的功能是模拟无线电高度表在不同高度值时的高度信号，用于测量高度表在不同高度下的工作性能。与传统的高度模拟器相比较，具有数字化程度高，通用性强，模拟高度连续程控可调，高度信号可以叠加各类干扰信息等特点。

背景技术

无线电高度模拟器是伴随着机载和弹载无线电高度表的应用而诞生的，其功能是模拟产生无线电高度表的高度信号，用于测试高度表的性能参数。初期的导弹高度表高度模拟器采用等效电缆箱方法来实现高度信号模拟，利用高度表发射信号在微波电缆中的传输来等效在空间的传播，微波电缆的长度决定模拟高度的数值。该方法的缺陷是电缆箱一旦做好后，电缆长度是固定的，一路电缆只能模拟一个高度值。当模拟多个高度值时，需要多路电缆组合使用，使电缆箱的体积和重量增加。二十世纪八十年代后期，开始采用声表面波延迟线替代等效电缆箱。原理是首先将高度表发射信号转换为声波，利用声表面波延迟线对声波进行延迟，延迟后再由换能器将声波转换为无线电波，利用声波在声表面波延迟线中的延迟来等效无线电波在空间的传播延迟。该方法可以大大减小模拟器的体积和重量，使用方便。缺点是延迟线一旦做好后，延迟时间(对应模拟高度数值)是固定的，无法模拟高度的连续变化。十二世纪九十年代，开始采用光纤延迟线，将高度表发射信号转换为光波，由光纤延迟线进行延迟，延迟后的光波再转换为无线电波，利用光波在光纤中的传输等效无线电波在空间中的传输。还可以将光波在光纤延迟线中进行循环延迟，通过控制循环次数，来改变延迟时间，模拟高度的步进式变化。但对目前广泛应用的调频连续波体制的无线电高度表而言，循环延迟时会导致信息的重叠，无法应用。

不论是等效电缆箱、声表面波延迟线或光纤延迟线，都无法模拟高度的连续变化，也无法实现在模拟高度信号中叠加各类干扰信息，且数字化程度低，通用性差。因此，研制一种数字化程度高，能模拟高度连续变化的多功能高度模拟器，对满足新型高度表测试需求，以此推动国内无线电高度表技术发展具有重要意义。

发明内容

本发明涉及到一种基于DRFM的无线电高度表高度模拟器的实现方法，该方法的基本思想是：利用DRFM技术将无线电高度表信号转换为数字信号，利用数字信号处理方法，对其进行滤波处理，实现对高度信号的连续延迟，并在高度信号中叠加各类干扰信息。具体工作过程是：①将高度表输出信号下变频到基带信号，然后利用A/D采样转换为数字信号，在写清零定时器和可控延时电路的控制下，将采样信号循环存储在双向数据RAM内；②在读地址产生电路和可控延时电路的控制下，顺序循环从双向数据RAM读出经延时和滤波处理后的数据，由D/A转换为基带信号，然后通过上变频转换为射频信号输出。若上变频器和下变频器采用同一本振源，恢复后的射频信号与输入射频信号在时间上有一个延迟，该延迟时间代表了模拟高度的大小，可以由可控延时电路控制连续可调；③采用数字噪声调制技术，在DRFM输出高度信号的基础上，调制不同类型的数字噪声信号(噪声调幅、噪声调相等)，实现在输出高度信号上叠加不同类型的噪声信息，模拟对无线电高度表的噪声调制干扰信号；④采用数字卷积滤波器技术，对DRFM的采样信号进行数字滤波处理，模拟产生对无线电高度表的假目标干扰信号等。

附图说明

图1DRFM系统框图

图2高度模拟器总体框图

图3循环存储原理框图

图4清零脉冲时序图

图5可控延时电路结构

图6FIR滤波器结构

图7IIR滤波器结构

图8基于DRFM的数字噪声调制框图

图9基于DRFM的移频干扰信号产生框图

具体实施方式

传统的高度模拟器数字化程度低，通用性差，功能有限，无法满足高度表技术发展对高度模拟器的需求。本发明将DRFM技术应用于高度信号模拟，利用DRFM能复制射频信号细微信息特征的技术特点，解决了将DRFM应用于无线电高度表信号环境的一系列技术问题，实现了对模拟高度数值的连续可调和在高度信息中叠加各类干扰信息，满足了新型无线电高度表测试对高度模拟器的需求。

本发明的具体内容是：

1、高度模拟器总体设计

本发明的高度模拟器采用DRFM技术。DRFM最初应用于电子战领域，用于产生对脉冲雷达的假目标等欺骗干扰。其过程是将输入射频信号下变频到基带信号，然后通过A/D转换器对基带信号进行采样和量化编码，并将结果保存到数据存储器内，由延时控制器控制在适当的时机从数据存储器内读出数据，然后通过译码恢复为基带模拟信号，通过上变频器将基带信号转换为射频信号输出。DRFM系统框图如图1所示。

根据奈奎斯特采样定理，若A/D转换器的采样速率f_S不低于基带信号x(t)频率f_H的两倍，则采样信号x(n)＝x(nT_S)(其中T_S＝1/f_s为采样间隔)将包含原信号x(t)的所有信息。再经D/A转换器恢复后的信号和原输入信号x(t)的相位信息和频率信息相同，经上变频器恢复为射频信号。由于输出端的上变频器和输入端的下变频器采用同一个本振，输出射频信号与输入射频信号具有相同的频率和相位信息，只是在时间上有一个延迟，延迟时间通过控制数据存储器数据读出的时间改变，可以实现延迟时间的连续可调变化。

高度模拟装置采用数字射频存储部分DRFM为核心，并配以主控制器、供电设备和程控设备组成，组成框图如图2所示。DRFM部分是模拟装置的核心，由程控本振、上变频器、下变频器、低通滤波器、A/D转换器、D/A转换器、数据存储器、存储控制器和干扰调制器等组成。

通过控制本振信号的频率可以改变系统工作的射频频率。控制数据存储器内数据写入和读出的时间间隔可以控制模拟高度的大小，模拟装置的工作频率和模拟高度由主控制器根据模拟器的工作参数和状态设定。

2、DRFM的采样数据循环存储方法

DRFM技术最早应用于脉冲雷达信号的模拟，在脉冲持续期间将雷达发射信号进行采样存储，经延时后再还原成高频信号输出，数据存储器的容量由采样速率和脉冲宽度决定。而无线电高度表工作在调频连续波状态，将DRFM技术应用于高度信号模拟，必须对连续波信号进行连续采样。因此，首先要解决用有限容量的数据存储器存储连续波采样信号的问题。[0023]本发明采用采样数据的循环存储技术解决用有限容量的数据存储器存储连续波采样信号问题，原理框图如图3所示。电路由ADC、DAC、双端口RAM、写地址产生电路、读地址产生电路、写清零定时器和可控延时电路等组成。电路处于连续工作状态，输入信号经过ADC转换为数字信号，在写地址产生电路的控制下，从左端口顺序循环存入同步双端口RAM。由于数据的存入是顺序循环进行的，电路可以连续采样并存储采样数据。被存储数据在读地址产生电路的控制下，从同步双端口RAM的右端口依次读出数据，送给DAC恢复为模拟信号。写清零定时器按周期T给写地址产生电路送出清零脉冲，使双端口RAM左口的数据从0地址开始写入。同时该清零脉冲通过可控延时电路进行延时后，向读地址产生电路提供清零脉冲，使双端口RAM的右口从0地址开始顺序读出数据。可控延时电路控制两个清零脉冲之间的时间间隔，该时间间隔可以通过延时设置进行修改。显然，两个清零脉冲之间的时间差就是输出信号相对输入信号的时间差，即高度信号的模拟高度的数值。这样不但解决了用有限容量的数据存储器存储连续采样数据的问题，而且通过改变可控延时电路的延时设置，改变输入输出数据时间间隔，控制模拟高度值的连续变化。两个清零脉冲之间的时序关系如图4所示。

为了保证整个电路工作不发生时间混淆，双端口RAM的容量应大于循环存储周期T时间内的采样数据量T/Δt(Δt为采样周期)，且最大延迟时间应小于循环存储周期，即τ_max≤T

3、可控延时电路设计

输入输出数据的时间间隔取决于两个清零脉冲之间的时间延迟，因此，高度模拟器模拟高度的数值和精度由两个清零脉冲之间延迟时间的数值和精度决定。为了满足模拟高度数值的大范围和高精度要求，采用将脉冲延迟分为高位和低位分别实现的方案。

为了满足两个清零脉冲的延迟时间大范围、高精度要求，由延时量控制字的高位字节去控制大范围延时模块的延迟时间，由延时量控制字的低位字节去控制高精度延时模块的延迟时间。两个延时模块串连使用后，即能够保证延迟时间的大范围要求，又能保证延迟时间高精度要求。为使可控延时电路输出清零脉冲的形状满足要求，经延时后的脉冲通过脉宽调整电路进行整形后输出。电路原理框图如图5所示。

4、模拟干扰信号的产生

采用DRFM技术后，可以实现在高度信号上叠加对高度表的各类干扰信息，用于对高度表抗干扰性能的测试。

(1)假目标干扰信号的产生

对采样信号采用卷积滤波器技术，可以产生对高度信号的多个假目标干扰信号，对于FIR滤波器：

$Y\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i}X(n-\mathrm{ki}),$ n＝0，1，2，……(1)

其中，N为假目标数量，K为相邻假目标之间的时间差，

为各个假目标之间的幅度比，FIR滤波器的结构如图6所示。

也可以采用IIR滤波器，对IIR滤波器：

$Y\left(n\right)={\mathrm{\ω}}_{0}X\left(n\right)+\mathrm{\ωY}(n-k)={\mathrm{\ω}}_0\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}^{i-1}X(n-\mathrm{ki}),$ n＝0，1，……(2)

其中，K为相邻假目标之间的时间差，

为各个假目标之间的幅度比，当ω_i＝1时，各假目标的幅度相等，IIR滤波器的结构如图7所示。

(2)射频噪声信号的产生

基于DRFM的噪声信号的产生采用数字噪声调制技术，将DRFM的高度信号作为载波信号，在此基础上调制一个数字噪声：

式中：A(n)是服从瑞利分布的包络序列，为服从均匀分布的相位序列，数字噪声调制实现框图如图8所示。其中数字噪声的实部对高度信号的I、Q两路信号分别进行调制后求和，形成调制后的I路信号S′_I(n)，数字噪声的虚部对高度信号的I、Q两路分别进行调制后求和，得到调制信号的Q路信号S′_Q(n)。调制信号的正交两路信号经过正交调制、数模转换、上变频以及功率合成后，作为模拟高度信号输出。调制后信号的功率谱是原输入信号功率谱与调制噪声功率谱的卷积。

(3)移频干扰信号的产生

对线性调频信号的移频干扰可以起到对高度表高度欺骗干扰的效果，线性调频信号的模糊函数为：

$\left|\mathrm{\&chi;}(\mathrm{\&tau;},\mathrm{\&zeta;})\right|=\left\{\begin{array}{c}\frac{(T-|\mathrm{\&tau;}\left|\right)}{T}\frac{\sin \left[\frac{2\mathrm{\&pi;\&zeta;}-\mathrm{kt}}{2}(T-|\mathrm{\&tau;}\left|\right)\right]}{\frac{2\mathrm{\&pi;\&zeta;}-\mathrm{kt}}{2}(T-|\mathrm{\&tau;}\left|\right)},\left|\mathrm{\&tau;}\right|<T\\ 0,\left|\mathrm{\&tau;}\right|>T\end{array}\right.---\left(4\right)$

在二维联合估计时，线性调频信号的延时τ与频移ζ之间存在强耦合，即频率上移动Δζ，则对应于时间上也有一变化量Δτ，如果对高度表信号移频后再转发给高度表接收端，可以实现对无线电高度表的高度欺骗。

基于DRFM的移频干扰信号产生框图如图9所示，将DRFM复制输出的模拟信号在上变频时，通过给上变频本振调制一个额外的频移，可以实现在高度信号中叠加移频干扰信号。

(4)噪声调相干扰信号的产生

由于DRFM中储存的信号保留了原始信号的相位信息，可以很方便的实现对高度信号的相位调制。噪声调相干扰可用下式表示：

其中：u(t)为需要调制的噪声信号，是零均值、广义平稳的随机过程；

为[0，2π]均匀分布，且与u(t)相互独立的随机变量；V_j，ω_j，K_pm分别为干扰幅度、载波频率和调相系数，均为常数。

设u(t)为高斯噪声，定义有效相移D＝K_pmσ_n，u(t)的方差为σ_n，噪声调相信号的功率谱为：

$G_j\left(f\right)=4{\&Integral;}_0^{\&infin;}{R}_j\left(\mathrm{\&tau;}\right)\cos 2\mathrm{\&pi;f\&tau;d\&tau;}$

$=V_j^2{\&Integral;}_0^{\&infin;}[\cos 2\mathrm{\&pi;}(f-f_j)+\cos 2\mathrm{\&pi;}(f+f_j)]{\mathrm{\&tau;e}}^{-D^2(1-\frac{\sin 2\mathrm{\&pi;\&Delta;}{F}_n\mathrm{\&tau;}}{2\mathrm{\&pi;\&Delta;}{F}_n\mathrm{\&tau;}})}\mathrm{d\&tau;}---\left(6\right)$

信号总功率： $P_t={\&Integral;}_0^{\&infin;}{G}_j\left(f\right)\mathrm{df}\&ap;\frac{V_j^2}{2}$

带宽为： $\mathrm{\&Delta;}{f}_j=\left\{\begin{array}{cc}2\mathrm{\&Delta;}{F}_n& \mathrm{\&Delta;}<<1\\ 1.36\mathrm{\&Delta;\&Delta;}{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{\&nu;}}& \mathrm{\&Delta;}>>1\end{array}\right.$

在有效相移D很小时，功率谱在中心频率附近为冲击函数，并在两旁2ΔF_n带宽内均匀分布，能量集中在中心频率处；当有效相移D增加时，中心频率处的能量转移到旁频，但带宽保持不变；当D远大于1时，其频谱展宽，功率谱密度降低。

在输入高度表信号的基础上进行噪声调相，即在DRFM存储的信号原样本上乘以一个噪声调相因子，即：

J(n)＝s(n)·e^jφ(n)                (8)

φ(n)＝K_PM·u(n)，u(n)为噪声信号，实现方法与噪声调幅类似，区别是将其中的A(n)作为常量，将φ(n)＝K_PM·u(n)作为调制信号对高度信号进行调制。时域乘积相当于频域卷积，当要求调制噪声带宽很窄时，数字非相干噪声调相信号的相位在原始信号相位附近波动。

采用DRFM技术后，在高度模拟信号上不但可以叠加噪声信号，还可以叠加各类欺骗信号、海杂波信号等。

本发明已经应用于我院研制的导弹机动保障装备和海军导弹维修线通用测试系统，并装备海军五个仓库和三个军械修理厂使用，完成了两型导弹无线电高度表的测试，取得了较好的效果，得到使用的好评。应用单位认为：海军航空工程学院研制的通用无线电高度模拟器数字化程度高，通用性强，对高度表工作参数的测试准确，测试精度高，工作稳定可靠。

该发明不但可以应用于弹载无线电高度表的测试，而且可以推广应用到对机载无线电高度表的测试，推广应用前景广阔。

Claims (1)

1.本发明涉及到一种基于数字射频存储(DRFM)技术的无线电高度模拟器的实现方法，该模拟器的基本设计思想是将DRFM技术应用于导弹高度表高度信号的模拟，利用DRFM技术能够保留射频信号细微特征的技术特点，对高度表信号进行程控连续延迟，模拟高度的连续变化，解决传统的高度模拟器模拟高度不能连续变化等问题。其主要工作原理是：①将高度表输出信号通过下变频器转换为基带信号，然后利用A/D转换器对基带信号进行采样；②利用采样信号循环存储技术，在写清零定时器和可控延时电路的控制下，将A/D采样信号循环存储在双向数据RAM内；③在读地址产生电路和可控延时电路的控制下，顺序循环从双向数据RAM读出经延时后的存储数据，并经D/A转换为基带信号；④恢复后的基带信号通过上变频器转换为射频信号，上变频器和下变频器采用同一本振源，保证了恢复后的射频信号与输入射频信号包含的射频信息相同，只是在时间上有一个延迟，该延迟时间代表了模拟高度的大小，可以由可控延时电路控制连续可调；⑤采用数字噪声调制技术，在DRFM输出高度信号的基础上，调制不同类型的数字噪声信号(噪声调幅、噪声调相等)，实现在输出高度信号上叠加不同类型的噪声信息，模拟对无线电高度表的噪声调制干扰信号；⑥采用数字卷积滤波器技术，对DRFM的采样信号进行数字滤波处理，模拟产生对高度表的假目标干扰信号。

该无线电高度模拟器不但可以模拟高度的连续变化，而且可以模拟在高度信号上叠加各类干扰信息。

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